元素周期表系列：第22号元素——钛元素
曹逊
博士科普元素团队
你知道吗：1795年德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的红色金红石时发现了一种氧化物，并主张引用希腊神话中泰坦神族“Titanic”的名字给这种新元素起名叫“Titanium”。中文按其译音定名为钛1。
这里是关于这个元素最有趣、令人称奇的一个地方：钛根本不会生锈，并且不会引起过敏，这两种杰出的特性使其在人造髋关节、牙科移植体以及贴身首饰等方面广受欢迎。
钛是什么样一种元素呢？
博科小答：钛的化学符号为Ti,在化学元素周期表中位于第4周期，IVB族。单质形态的钛是一种银白色的金属，其特征为重量轻、强度高、具有金属光泽和耐湿氯气腐蚀。钛的储量较为丰富，在所有元素中居第十位。但是，由于钛在自然界中的存在较为分散且难以提取，使得其成为一种稀有金属。含钛的矿石主要有钛铁矿（图一）及金红石，广泛分布于地壳及岩石圈中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中3。
图一 钛铁矿。
钛元素有什么化学性质？
博科小答：金属钛（图二）的活泼性在镁、铝之间。它在常温下并不稳定，因此在自然界中只以化合态存在。金属钛在高温环境中的还原能力极强，能与氧、碳、氮以及其他许多元素形成化合物，还能从部分金属氧化物中夺取氧。常温下，钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜，这层氧化膜可以保护钛不与常温下的硝酸、稀硫酸、稀盐酸，以及王水反应3。
图二 金属钛的形貌。
钛的作用用途有哪些？
博科小答： 钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金，造出高强度的轻合金，在各方面有着广泛应用，包括航天（喷气发动机、导弹及航天器）、军事、工业程序（化工与石油制品、海水淡化及造纸）、汽车、农产食品、医学（义肢、骨科移植及牙科器械与填充物）、厨房用具、运动用品、珠宝及手机等等4。
钛为什么难以被提炼？
博科小答：这主要是因为钛在高温下化合能力极强，可以与氧、碳、氮以及其它许多元素化合。因此，不论在冶炼或者铸造的时候，都难以防止这些元素“侵袭”钛。人们只能在惰性气体（氦气或氩气）的保护下利用镁与四氯化钛相互作用，来提炼钛3。
中国的超高纯钛产业发展如何？
博科小答：2014年9月，中国第一炉“电子级低氧超高纯钛”已在浙江省余姚市成功研发投产，一举打破了国外的垄断。低氧超高纯钛主要应用在半导体用溅射靶材、航天航空、海洋石油等核心工业领域，战略意义重大。超高纯钛是中国自主大飞机项目的重要原材料保证3（图三）。
图三 中国使用钛合金制造的飞机。
为什么超音速飞机要使用钛？
博科小答：当飞机以超音速飞机时，机翼的温度可以达到500℃。用铝合金制造机翼，一到两三百度性能就会有所下降，必须有一种又轻、又韧、又耐高温的材料来代替铝合金而钛恰好能够满足这些要求。另一方面，钛还能禁得住零下一百多度的考验，在这种低温下，钛仍具有很好的韧性而不发脆3。
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参考文献
1刘景清.克拉普罗特及其对近代化学的贡献[J]. 化学通报,1990(6):61-64.
2[美] Theodore Gray. 视觉之旅：神奇的化学元素(彩色典藏版) (Kindle Locations 811-819). 人民邮电出版社. Kindle Edition.
3百度百科 钛(元素)
4高敬, 姚丽. 国内外钛合金研究发展动态[J]. 世界有色金属, 2001(2):4-7.
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