原子結構

　　鈦位于元素周期表中ⅣB族，原子序數為22，原子核由22個(gè)質(zhì)子和20-32個(gè)中子組成，核外電子結構排列為1S22S22P63S23D24S2。原子核半徑5x10-13厘米。

　　物理性質(zhì)

　　鈦的密度為4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔點(diǎn)1668±4℃，熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子，沸點(diǎn)3260±20℃，汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子，臨界溫度4350℃，臨界壓力1130大氣壓。鈦的導熱性和導電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導性，純鈦的超導臨界溫度為 0.38-0.4K。在25℃時(shí)，鈦的熱容為0.126卡/克原子·度，熱焓1149卡/克原子，熵為7.33卡/克原子·度，金屬鈦是順磁性物質(zhì)，導磁率為1.00004。

　　鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達50-60%，斷面收縮率可達70-80%，但強度低，不宜作結構材料。鈦中雜質(zhì)的存在，對其機械性能影響極大，特別是間隙雜質(zhì)（氧、氮、碳）可大大提高鈦的強度，顯著(zhù)降低其塑性。鈦作為結構材料所具有的良好機械性能，就是通過(guò)嚴格控制其中適當的雜質(zhì)含量和添加合金元素而達到的。

　　化學(xué)性質(zhì)

　　鈦在較高的溫度下，可與許多元素和化合物發(fā)生反應。各種元素，按其與鈦發(fā)生不同反應可分為四類(lèi)：

　　第一類(lèi)：鹵素和氧族元素與鈦生成共價(jià)鍵與離子鍵化合物；

　　第二類(lèi)：過(guò)渡元素、氫、鈹、硼族、碳族和氮族元素與鈦生成金屬間化物和有限固溶體；

　　第三類(lèi)：鋯、鉿、釩族、鉻族、鈧元素與鈦生成無(wú)限固溶體；

　　第四類(lèi)：惰性氣體、堿金屬、堿土金屬、稀土元素（除鈧外），錒、釷等不與鈦發(fā)生反應或 基本上不發(fā)生反應。

　　與化合物的反應：

　　◇ HF和氟化物

　　氟化氫氣體在加熱時(shí)與鈦發(fā)生反應生成TiF4， 反應式為（1）；不含水的氟化氫液體可在鈦表面上生成一層致密的四氟化鈦膜，可防止HF浸入鈦的內部。氫氟酸是鈦的最強熔劑。即使是濃度為1%的氫氟酸，也能與鈦發(fā)生激烈反應；無(wú)水的氟化物及其水溶液在低溫下不與鈦發(fā)生反應，僅在高溫下熔融的氟化物與鈦發(fā)生顯著(zhù)反應。

　　Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0千卡 （1）2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2

　　◇ HCl和氯化物

　　氯化氫氣體能腐蝕金屬鈦，干燥的氯化氫在>300℃時(shí)與鈦反應生成TiCl4，見(jiàn) 式(3);濃度<5%的鹽酸 在室溫下不與鈦反應，20%的鹽酸在常溫下與鈦發(fā)生瓜在生成紫色的TiCl3，見(jiàn)式(4);當溫度長(cháng)高時(shí)，即使稀鹽酸也會(huì )腐蝕鈦。各種無(wú)水的氯化物，如鎂、錳、鐵、鎳、銅、鋅、汞、錫、鈣、鈉、鋇和NH4離子及其水溶液，都不與鈦發(fā)生反應，鈦在這些氯化物中具有很好的穩定性。

　　Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94.75千卡 (3)2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2 (4)

　　◇ 硫酸和硫化氫

　　鈦與<5%的稀硫酸反應后在鈦表面上生成保護性氧化膜，可保護鈦不被稀酸 繼續腐蝕。但>5%的硫酸與鈦有明顯的反應，在常溫下，約40%的硫酸對鈦的腐蝕速度最快，當濃度大于40%，達到60%時(shí)腐蝕速度反而變慢，80%又達到最快。加熱的稀酸或50%的濃硫酸可與鈦反應生成硫酸鈦，見(jiàn)式（5）,（6），加熱的濃硫酸可被鈦還原，生成SO2，見(jiàn)式（7）。常溫下鈦與硫化氫反應，在其表面生成一層保護膜，可阻止硫化氫與鈦的進(jìn)一步反應。但在高溫下，硫化氫與鈦反應析出氫，見(jiàn)式（8），粉末鈦在600℃開(kāi)始與硫化氫反應生成鈦的硫化物，在900℃時(shí)反應產(chǎn)物主要為T(mén)iS，1200℃時(shí)為T(mén)i2S3。

　　Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2 (5) 2Ti＋3H2SO4＝Ti2(SO4)3＋H2 (6)

　　2Ti＋6H2SO4＝Ti2(SO4)3＋3SO2＋6H2O＋202千卡 (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70千卡(8)

　　◇ 硝酸和王水

　　致密的表面光滑的鈦對硝酸具有很好的穩定性，這是由于硝酸能快速在鈦表面生成一層牢固的氧化膜，但是表面粗糙，特別是海綿鈦或粉末鈦，可與次、熱稀硝酸發(fā)生反應，見(jiàn)式（9）、（10），高于70℃的濃硝酸也可與鈦發(fā)生反應，見(jiàn)式（11）；常溫下，鈦不與王水反應。溫度高時(shí)，鈦可與王水反應生成TiCl2。

　　3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO (9)3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO (10)

　　Ti＋8HNO3＝Ti(NO3)4＋4NO2＋4H2O (11)

　　綜上所述，鈦的性質(zhì)與溫度及其存在形態(tài)、純度有著(zhù)極其密切的關(guān)系。致密的金屬鈦在自然界中是相當穩定的，但是，粉末鈦在空氣中可引起自燃。鈦中雜質(zhì)的存在，顯著(zhù)的影響鈦的物理、化學(xué)性能、機械性能和耐腐蝕性能。特別是一些間隙雜質(zhì)，它們可以使鈦晶格發(fā)生畸變，而影響鈦的的各種性能。常溫下鈦的化學(xué)活性很小，能與氫氟酸等少數幾種物質(zhì)發(fā)生反應，但溫度增加時(shí)鈦的活性迅速增加，特別是在高溫下鈦可與許多物質(zhì)發(fā)生劇烈反應。鈦的冶煉過(guò)程一般都在800℃以上的高溫下進(jìn)行，因此必須在真空中或在惰性氣氛保護下操作。