“大地之子”——钛

背 景

听到钛元素，大多数人可能觉得很陌生。但在生活中，关于钛有很多的说法，例如我们熟知的钛合金、纯钛、钛金、或由钛制作的眼镜框架由于轻巧易便携等优点，受到很多年轻人的喜爱，在航空航天方面钛也可以作为机身和发动机等等。也就是说钛金属在各行各业中都显现出自己“神通广大”的一面，就如同它的名字一般，具有一种英雄气概。那它是怎么被发现和具体有什么性质呢？别急，让我给你一一道来！

钛从何而来？要到何处去？

1791年，矿物学爱好者格雷戈尔在英国郊区的钛铁矿石中发现混合物黑色磁性砂（FeTiO3）,所以他猜测其中可能包含一种新物质。四年之后的德国化学家克拉普罗特在一个红色矿石（TiO2）中发现了钛，并以古希腊神话中的巨人泰坦Titans命名。后由美国化学家亨特利用还原法置换出纯度极高的金属钛，在当前常用的制取方法是四氯化钛还原法，简单来说就是把钛铁矿变成四氯化钛，再放到密封充有氩气的不锈钢罐中，使它们与金属镁充分反应得到“海绵钛”。但这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的，需将它们在电炉中融化成液体才能铸成钛锭。这个制备过程复杂、装置难制造，所以可想而知制备金属钛的成本极高了。

图1. 制取金属钛的工艺流程（图源自网络）

金属钛在地球上的储量十分丰富，其含量比常见的铜、镍、锡、铅等都要高。已知的钛矿物约有140种，但是工业应用的主要是钛铁矿和金红石。全球有三十多个国家拥有钛资源，主要分布在澳大利亚、南非、加拿大、中国等等国家。我国的钛资源储备约2亿吨，占到全球总储量的28.6%,钛铁矿储量位居世界第一。我国已探明的钛资源分布在 21个省(共108个矿区，其中以四川储量最大。

 图2. 金红石（左）和钛铁石（右）（图源自网络）

钛的产业链大致分成四部分：钛精矿、二氧化钛、四氯化钛、钛锭。

具体如下：

1.钛铁矿、金红石等原始矿产的选矿，通过物理方法取得品位更高的精矿；

2.通过对精矿的再加工提纯，制取高纯度的二氧化钛，用于钛白粉行业；

3.通过对二氧化钛的氧化、还原等工艺手段生成四氯化钛，制取中间产品海绵钛；

4.通过对海绵钛的熔铸加工，制取晶体结构致密的钛锭，用于生产钛材及各种钛合金。

图3.钛产业链（图源自网络）

“万能金属”——钛

在化学元素周期表中位于第4周期、第IVB族的22号元素钛（Ti），它的表面呈银白色金属光泽，是一种纯性金属，即它与物质接触时不发生化学反应，因此具有耐高低温、抗强酸碱、高强度、低密度等一系列优良特性。在化学中，连白银、黄金甚至是不锈钢都能侵蚀成锈迹斑斑的样子的强腐蚀剂“王水”，在面对钛时也无能为力。有实验证明，在王水中浸泡了几年的钛，依旧有银白色光泽，锃光瓦亮！

除了上面所提到的优秀特性，钛还具有熔点高、比强度大、延展性好等优点。虽然钛是一种活性很高的金属，但是它与水及空气的反应是非常缓慢的，这是因为钛暴露在高温空气中时，会产生一层氧化物保护膜，阻止氧化持续。以上优良特性正好是太空金属所必备的，钛合金可是制作火箭、人造卫星、宇宙飞船等的良好材料，所以又称作“太空金属”。

钛金属对于人来说，即使接触时间长久，也不会造成过敏现象，它是一种对人类、植物、神经和味觉都没有影响的金属，属于亲生物金属。在人体内使用金属制品已有多年的历史，最早是英国人用纯金修补颅骨和镶牙。后来又有人用较廉价的银、铜治疗骨折和稳定关节。随着冶金工业和医学的发展，不锈钢、锆、铌、铁等材料也在人体外科手术中获得应用。自 1972年以来钛及其合金在我国医疗中开始应用，临床使用效果良好，尤其是人造钛骨头及其关节的应用。人造骨从人体体液中吸收某种特定离子（Ca2+与PO43-）从而生成新骨头，并在骨骼接合处发生分解、吸收等反应，实现骨骼牢固结合。

图4. 人造钛骨头（图源自网络）

钛的常见氧化物——二氧化钛

因为金属钛具有很多优良特性，很多商家将“钛”作为标签运用在许多商品上，其实有些都不含有钛。例如生活中的“钛钢”，它是成分中不含有钛的不锈钢，那为什么还叫“钛钢”呢？因为在这些没有“钛”的产品中是含有钛的化合物（TiO2）在默默地做出贡献。

钛白粉就是我们所说的二氧化钛（TiO2），是一种非常稳定的氧化物。制取出的二氧化钛，因为它高折射率所以作为白色颜料遮盖力很强，并且耐酸碱腐蚀，持久力强，称为“钛白”。它的无毒、好的不透明性、白度和光亮度，被认为是目前世界上性能最好的一种白色颜料，广泛应用于涂料、塑料、橡胶、化妆品等工业生产与应用中。

根据以上的属性，二氧化钛用作各方面的增白剂。我们小时候用的“修正液、修正带”就是钛白粉分散在有机溶剂中制成的或粘在胶带上制成的，可遮盖错误字迹并重新书写。但在大型考试中已经不能使用修正液，因为钛白粉反光性太强，机器扫描试卷时修正液涂改的部分一片白，其余就是黑乎乎无法看清，因此被停用了。

图5. 修正液（图源自网络）

总 结

金属钛已在生活中的方方面面得到广泛地应用。钛及其化合物的应用领域主要涉及航空航天、医疗、建筑、兵器、汽车工业、生活用品及轻工业等。各国科研人员仍在寻找低成本、高质量金属钛的制备途径，同时，也加大了对粒子分散钛合金和纤维强化钛合金等新型钛合金应用的研究［3］。金属钛是继铁、铝之后崛起的“第三金属”，人类终究会走向钛金属时代，金属钛也将继续为人类文明建设创造新的奇迹。