捉迷藏的顶级玩家——金属钛,图片,科普,材料,金属,钛,海洋金属,太空金属,钛合金骨骼,门捷列夫,元素周期表,第1张

新型金属材料,作为尖端科学的材料担当,肩负着国民经济和产业发展的使命。谁能想到身兼要职的金属钛竟是个捉迷藏的顶级玩家?120年间,它静静地藏身于历史的迷雾中,等待着与人类的相遇。活泼的性质造就了其坎坷不平的冶炼之路,这在金属发现史中实属罕见。但是曲折的过程却孕育着不平凡的应用前景。让我们一起见证金属钛发现和应用历程中的曲折与光辉吧。

1 钛元素的发展史

1.钛元素的预言时期

英国的一名牧师、地质学会创办人格雷戈尔,于1791年在默那陈河谷中发现了一种有磁性的黑沙,他意识到这种黑沙(钛铁矿)可能蕴含着某种新元素。对其进行细致分析后发现:大部分成分是磁铁矿和氧化硅,其中未知的棕红色矿渣成分只占45%。那么新元素是否藏身于这棕红色矿渣粉末中呢?格雷戈尔马上开始了探索之路,他将粉末加入硫酸溶液中,溶液出现黄色,他再向溶液中添加锌粒,紫色慢慢出现了。囿于分析技术的局限,格雷戈尔没能探明棕红色矿渣的成分。以现代化学视角分析,氧化钛藏身于棕红色矿渣内,与硫酸反应生成硫酸钛Ti(SiO4)2,由于矿渣中存在Fe3+杂质,因此溶液表现出黄色。继续加入锌粒后发生还原反应,紫色的硫酸亚钛Ti2( SO4)3出现了。

1795年,德国化学家克拉普罗特在金红石(主要成分TiO2)中也发现了这种未被揭示的新物质。殊途同归,化学家对新元素总是有种理性的直觉。克拉普罗特以天地之神儿子的名字Titans(泰坦神族)以彰显这种物质奇异的性质。钛的名称被确定为Titanium,元素符号为Ti。克拉普罗特也为金属钛的分离而做了一系列地努力,但均以失败告终了。

漫漫120年,钛一直存在于历史的迷雾中。化学家们苦苦寻求高纯度钛的冶炼方法,始终求而不得,冶钛也一度成为冶金史上的一大难题。

2.钛元素概念形成时期

英国化学家道尔顿是化学史上测定相对原子质量的第一人。他在《化学哲学新体系》一书中将钛归为耐火金属(钛、铌等4种)。书中这要描述:“最近发现的金属钛表现出光亮的暗铜色;置于空气中变暗;与磷化合,也可与铁形成合金;把它放入红热的硝石中会发生爆炸;钛原子的重量大概是氢原子的40-50倍”。可以看出道尔顿也没有见过金属钛单质,而对于原子量的描述更是揣测之词。尽管如此,他的工作仍具有一定的指引意义。

后来,瑞典化学家贝采尼乌斯以O(氧原子)=100作为基准计算了许多元素的原子质量,其中钛元素的原子量在此标准下为389. 092。到了19世纪40年代,法国化学家日拉尔建议采用O=16的原子量为基准,此体系下钛的原子量(O=16)为50。

1869年,在俄国化学家门捷列夫发布的第一版元素周期表(见图1)中,已经出现了Ti的身影,尽管此时纯净的钛单质还没问世。开始钛被安排在第18号。但后来发现,如果将钛元素与元素硼、元素铝排在同一列,它们中间就会呈现出一个看似有规律的周期——都是间隔6个元素。可是几者的性质有着天壤之别,几经思索,门捷列夫只好将钛元素从原来的位置上移开,挪到与它关系更为亲近的碳族中。

捉迷藏的顶级玩家——金属钛,图片,科普,材料,金属,钛,海洋金属,太空金属,钛合金骨骼,门捷列夫,元素周期表,第2张

图1 门捷列夫的第一版元素周期表[1]

钛原子量的测定和元素周期表位置的确定,实现了金属钛从宏观层面向微观层面的转变。然而,由于当时钛单质尚未制得,此时的钛元素概念仍处于假说的尴尬地位。

3.现代钛元素概念形成期

钛单质的问世也是一波三折的(如图2)。1822年,英国科学家乌拉斯顿在炼铁厂中发现一些体积细微、产自于炼铁炉渣中的立方形结晶物。金属特有的晶形和色泽使得乌拉斯顿一度以为自己发现了钛单质,让他失望的是,这些只是钛的氮化物和氰化物。1825年,贝采尼乌斯用金属钾还原氟钛酸钾(K2TiF6)制得了一些不纯净的非晶态钛,但它不溶于氢氟酸,不能供研究之需。1849年,维勒和德维尔紧跟贝采尼乌斯的方向,改进了他的实验,于封闭的坩埚中再次探究,得到的产品仍然是氮化钛。

1887年,瑞典化学家尼尔森和佩特森有了突破性进展。他们在封闭的钢筒中用钠还原四氯化钛,得到了纯度较高(95%)的金属钛单质,开创了“钠热还原法”。虽然这与纯净钛单质之间还存在一定的距离,但它体现了钠热还原法的可行性。1910年,美国亨特将实验移至耐高压钢罐中以提高钛单质的纯度,当加热至700-800℃时,罐体内发生了剧烈反应。最后制得了纯度高达99. 9%金属钛,这是冶钛史上浓墨重彩的一笔,人们为了纪念亨特,便把这种冶钛法称为Hunter法。至此,钛单质得以出世,但钛的工业化生产迟迟无法实现。1932年卢森堡科学家威廉·贾斯汀·克罗尔提出利用镁替代钠还原四氯化钛的方法。8年后他又改良了这个方法,极大地提高了钛的产率,这种方法被称为Kroll法。时至今日,冶钛工艺与时俱进,但主要还是Kroll法和改进后的Hunter法致力于钛的工业化生产。

捉迷藏的顶级玩家——金属钛,图片,科普,材料,金属,钛,海洋金属,太空金属,钛合金骨骼,门捷列夫,元素周期表,第3张

图2 钛单质的发展历程

2

金属钛的应用

钛具有许多优良特性而被人类广泛应用于诸多制造领域(如图3),如今,生活的方方面面都有着金属钛的影子。钛及其化合物的应用涉及航空航天、医疗、汽车、建筑、生活用品及轻工业等多个领域。下面介绍三个主要领域。

捉迷藏的顶级玩家——金属钛,图片,科普,材料,金属,钛,海洋金属,太空金属,钛合金骨骼,门捷列夫,元素周期表,第4张

图3 金属钛的主要性能[4]

海洋金属——钛金属由于具有质轻、高强、耐腐蚀等免疫能力,成为海洋工程材料的不二之选,被誉为“海洋金属”。钛不具有磁性,所以由钛制造的钛潜艇没有必要担心磁性水雷的袭击。在海洋工程中,钛金属不仅是深海潜水器、潜艇、深海空间站等建设材料,也是海洋工程领域的新型关键材料之一。因此,充分利用钛及钛合金建设海洋,将为实现我国海洋强国目标提供强劲助力。

太空金属——金属钛因良好的耐高温、耐低温,高强度、低密度等优越性,成为航天、航空器材的佼佼者,故被称为“太空金属”。极细的钛粉也是作为火箭燃料的一把好手。钛的屈服强度比钢铁高,而重量却只有同体积钢铁的一半;比强度高于铝,比模量却与铝、钢十分接近,因此航空航天器材中相对钢、铝、铜、镍而优先大量使用钛,这大大降低了燃料的消耗,提高了经济性。

与人类生命最密切的元素——骨缺损的修复是复杂的骨再生过程,骨修复材料的选择是关键中的关键。目前,钛合金因具有良好的生物适应性,是当之无愧的骨固定及修复材料。金属钛网具有高度的生物相容性,尤其是与骨组织、抗拉力强度大,固定后不易变形、良好的抗磁性,不干扰CT及MRI检查、排异反应小等优异性,而被制成钛板、钛网广泛应用于人工骨修复中。

捉迷藏的顶级玩家——金属钛,图片,科普,材料,金属,钛,海洋金属,太空金属,钛合金骨骼,门捷列夫,元素周期表,第5张

图4 钛骨骼(图片来源于网络)

3

总结

在化学元素发现史上有两种新元素概念的形成模式:一是先发现新物质,后形成新概念。碘元素的发现史是这种模式的典型代表。二是先形成新元素假说,后证实假说形成新概念。例如氟元素等。钛元素概念的形成显然属于第二种模式。金属钛是继铁、铝之后崛起的“第三金属”,人类从铁金属时代走来,正经历铝金属时代,最终会走向钛金属时代。然而,世上并无十全十美之物。钛为人类文明创造奇迹的同时,也面临着严峻的挑战。由于冶钛工艺的复杂,生产周期长,能耗高等暂时无法克服的弊端,都有悖于日益紧迫的绿色化学要求。因此,各国科研人员积极寻找低成本、高质量金属钛的制备途径,同时,也加快了新型钛合金应用方面的研究进程。