钛的性质

1 二氧化钛（TiO2）

TiO2是一种多晶型氧化物，它有三种晶型：锐钛矿型、板钛矿型和金红石型。图2-5表示TiO2的三种形态。在自然界中，锐钛矿和金红石以矿物形式存在，但很难找到板钛矿型的矿物。因为它晶型不稳定，在成矿时的高温下会转变成金红石型。板钛矿可人工合成，它不具有多大实际价值。在晶体化学中，按照鲍林关于离子晶体结构的第三规则：当配位多面体共棱，特别是共面时，晶体结构的稳定性会降低。这是因为与其共角顶时相比，共棱和共面时其中心阳离子之间的距离缩短，从而使得斥力增加，稳定性降低。又如果在几种晶型中，都是共棱不共面，则其稳定型随共棱数目的增加而降低。Ti4+离子的配位数为6，它构成[TiO6]八面体，Ti4+位于八面体的中心，O2-位于八面体的六个角顶，每一个Ti4+被6个O2-包围。 TiO2三种变体的晶体结构都是以[TiO6]八面体为基础的。但[TiO6]八面体在金红石、板钛矿和锐钛矿三种变体中的共棱数不同，分别为2、3和4。所以三种晶型结构中以金红石最稳定，其它两种晶型升高到一定温度都将转变成金红石型结构。这也是在自然界中，天然金红石普遍存在，锐钛矿较少有，板钛矿更是罕见的原因。

图2-5 二氧化钛结晶形态图[39]

1—金红石型；2—锐钛矿；3—板钛矿

锐钛矿和金红石两种变体的晶体结构分别如图2-6和图2-7所示。纯TiO2是白色粉末，加热到高温时略显黄色。工业生产的TiO2俗称钛白粉，是重要的白色颜料，被誉为“白色颜料之王”，不论锐钛型钛白，还是金红石型钛白，应用都很广泛。

TiO2的热稳定性较大，加热至2200℃以上时，才会部分热分解放出O2并生成Ti3O5，进一步加热转变成Ti2O3。

TiO2中O-Ti键结合力很强，因而TiO2具有较稳定的化学性质。TiO2实际上不溶于水和稀酸，在加热条件下能溶于浓H2SO4、浓HCl和浓HNO3，也可溶于HF中。在酸性溶液中，钛以Ti4+离子或TiO2+（钛酰基）阳离子形式存在。在硫酸法钛白生产过程生成的钛液中就同时含有Ti(SO4)2和TiOSO4。

TiO2与强碱共熔可得到钛酸盐，如K2TiO3、Na2TiO3，其它钛酸盐还有BaTiO3、FeTiO3、ZnTiO3等。

图2-6 锐钛型TiO2晶体结构[5，39] 图2-7 金红石型TiO2晶体结构[5，39]

TiO2在有还原剂C存在的条件下，加热至800~1000℃时，可被Cl2氯化成TiCl4，是工业生产TiCl4的主要方法。

TiO2在高温下能被H2和一些活泼金属，如K、Na、Ca、Mg、Al等还原，但常常还原不彻底，而生成低价钛的氧化物或Ti(O)固溶体，这也就是为什么工业规模生产不用TiO2而用TiCl4做原料来制取金属钛的道理。在高温下，TiO2也可与NH3、CS2、C作用生成相应的TiN、TiS2和TiC。TiO2在高温条件下也可与一些有机物，如CH4、CCl4、C2H5OH等发生反应，但无多大实际意义。

2 五氧化三钛（Ti3O5）

在1200~1400℃温度下，用C还原TiO2，或是在1400~1450℃下加热TiO+2TiO2或Ti2O3的混合物均可得到Ti3O5。具有实际意义的是，在电炉中用C还原熔炼钛铁精矿制钛渣时，以Ti3O5为基体的黑钛石是钛渣中的一种重要成份。

3 三氧化二钛（Ti2O3）

Ti2O3可在1100~1200℃下用H2还原TiO2，或在1350~1400℃下用C还原TiO2制得。

Ti2O3具有弱碱性和还原性。在空气中加热到很高温度时，Ti2O3将转变成TiO2。Ti2O3微溶于水。在加热条件下可溶于硫酸，形成三价钛的紫色硫酸盐溶液：

Ti2O3 + 3H2SO4 = Ti2(SO4)3 + 3H2O （2-1）

在用酸溶性钛渣生产硫酸法钛白时，因钛渣中含有部分Ti2O3，因而酸解钛液因常含有少量Ti3+离子而呈较深的颜色。

4 一氧化钛（TiO）

TiO可由TiO2和金属Ti粉混合，在真空条件下，于1550℃时加热制得。也可用C或金属Mg、Al在高温下还原TiO2制得。TiO可作为乙烯聚合反应的催化剂。

TiO不溶于水，与H2SO4或HCl反应放出H2气形成三价钛盐：

2TiO + 3H2SO4 = Ti2(SO4)3 + H2↑ + 2H2O （2-2） 2TiO + 6HCl = 2TiCl3 + H2↑ + 2H2O （2-3）

在沸腾的HNO3中TiO被氧化成TiO2：

TiO + 2HNO3 = TiO2 + 2NO2 + H2O （2-4）

TiO可与F2、Cl2、Br2等反应形成四价钛的化合物，例如：

2TiO + 4F2 = 2TiF4 + O2 （2-5）

TiO + Cl2 = TiOCl2 （2-6）

TiO在空气中加热至800℃，被氧化成TiO2。TiO与TiC、TiN可形成连续固溶体。

2 卤化物及氯氧化物（TiCl4、TiCl3、TiCl2、TiOCl2、TiOCl、TiI4）

钛与卤素生成易挥发的高价钛卤化物。另外，也可生成二价和三价的钛卤化物。它们在钛冶金中具有重要意义。

2.2.2.1 四氯化钛（TiCl4）

常温下纯TiCl4是无色透明、密度较大的液体，在空气中易挥发冒白烟，有强烈的刺激性气味。TiCl4分子结构呈正四面体型，钛原子位于正四面体中心，四个顶角点为氯原子。Ti-Cl间距为0.219nm，Cl-Cl间距为0.358nm。TiCl4呈单分子存在，属非极性分子（偶极距为零），分子间相互作用较弱，这正是TiCl4沸点低，蒸发潜热不很大的原因。TiCl4不离解为Ti4+离子，在含有Cl-离子的溶液中可形成[TiCl6]2-络阴离子。TiCl4固体是白色晶体，属于单斜晶系。TiCl4主要物理参数如下：

晶格参数a=0.970nm, b=0.648nm, c=0.975nm, β=102°40′

熔点/℃ -23.2

熔热潜热/kJ·mol-1 9.966

沸点/℃ 135.9

蒸发潜热/kJ·mol-1 35.773

液体蒸发热/kJ·mol-1 ΔH=54.5-0.048T

10~100℃温度范围内TiCl4(液)的平均比热/J·g-1·K-1 0.85

临界温度/℃ 365

临界压力/MPa 4.57

临界密度/g·cm-3 0.565

固体密度/g·cm-3 2.06 (194K)

膨胀系数/K-1 9.5×10-4 (273K)；9.7×10-4 (293K)

导热系数，W·m-1·K-1 0.085 (293K)；0.0928 (323K)；0.108 (372K)；0.116 (409K)

导磁率 8.55

磁化率 -2.87×10-7

折射率 1.61 (293K)

介电常数/F·m-1 2.83 (273K); 2.73 (297K) 表2-7列出了TiCl4的其它一些物理性质。表中数据是按下列公式计算并换算成法定单位后得到的：

TiCl4密度与温度的关系：72931.76060.001697.310210dttt，g·cm-3

粘度与温度的关系：198.641.101t，P

表面张力与温度的关系：528335.280.1255510410ttt，dyn·cm-1

蒸气压与温度的关系：1964lg7.683PT，mmHg

以上各式中，t—℃，T—K。

表2-7 液体TiCl4的主要物理性质

温度t/℃ 密度ρ/g·cm-3 粘度η/Pa·s 表面张力γ /N·m-1 蒸气压p/kPa

-10 1.7774 1.141×10-3 36.54×10-3 0.219

0 1.7609 1.014×10-3 35.28×10-3 0.411

10 1.7436 0.912×10-3 34.03×10-3 0.745

20 1.7265 0.829×10-3 32.79×10-3 1.273

30 1.7092 0.759×10-3 31.56×10-3 2.118

40 1.6917 0.701×10-3 30.34×10-3 3.411

50 1.6740 0.651×10-3 29.14×10-3 5.344

60 1.6561 0.607×10-3 27.95×10-3 8.183

70 1.6380 0.569×10-3 26.78×10-3 12.159

80 1.6197 0.536×10-3 25.62×10-3 17.656

90 1.6011 0.506×10-3 24.48×10-3 25.113

100 1.5823 0.479×10-3 23.37×10-3 35.067

110 1.5632 0.455×10-3 22.13×10-3 48.073

120 1.5438 0.433×10-3 21.01×10-3 64.849

130 1.5242 0.414×10-3 19.90×10-3 86.278

135 1.5142 0.404×10-3 19.35×10-3 98.606

TiCl4对热很稳定，在136℃沸腾而不分解。在2500K下只部分分解，在5000K高温下才能完全分解为钛和氯。

TiCl4与某些氯化物能无限互溶生成连续溶液，如TiCl-SiCl4、TiCl4-VOCl3等，这在工业生产中给TiCl4的精制提纯带来一定困难。

TiCl4遇水发生激烈反应生成偏钛酸沉淀并放出大量反应热：

TiCl4 + 3H2O = H2TiO3 + 4HCl （2-7）

在300~400℃温度下，TiCl4蒸气与水蒸气发生水解作用生成TiO2：

TiCl4(g) + 2H2O(g) = TiO2 + 4HCl （2-8）

有人曾对TiCl4(g)的水蒸气水解制钛白进行过研究，但腐蚀严重未形成工业化。

TiCl4与O2（或空气中的O2）在高温下反应生成TiO2：

TiCl4 + O2 = TiO2 + 2Cl2 （2-9）

这个反应是工业上氯化法制钛白的基础。 TiCl4在高温下可被H2还原。H2浓度越大，温度越高，则还原能力越强：

2TiCl4 + H2

2TiCl3 + 2HCl