鈦

鈦，是一種化學元素，化學符號為，原子序數為22，原子量為。鈦是銀白色的過渡金屬，其特徵為重量輕、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力。由於其穩定的化學性質，良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強鹼，以及高強度、低密度，常用來製造火箭及太空船，因此獲美譽為“太空金屬”。鈦於1791年由格雷戈爾於英國康沃爾郡發現，並由克拉普羅特用希臘神話的泰坦為其命名。鈦被認為是一種稀有金屬，這是由於在自然界中其存在分散並難於提取。但其相對丰度在所有元素中居第十位。鈦的礦石主要有鈦鐵礦及金紅石，廣佈於地殼及岩石圈之中。鈦亦同時存在於幾乎所有生物、岩石、水體及土壤中。從主要礦石中萃取出鈦需要用到克羅爾法或亨特法。鈦最常見的化合物是二氧化鈦，可用於製造白色顏料。其他化合物還包括四氯化鈦。鈦能與鐵、鋁、釩或鉬等其他元素熔成合金，造出高強度的輕合金，在各方面有著廣泛的應用，包括宇宙航行、運動用品、珠寶及手機等等。鈦最有用的兩個特性是，抗腐蝕性，及金屬中最高的強度－重量比。在非合金的狀態下，鈦的強度跟某些鋼相若，但卻還要輕45%。有兩種同素異形體和五種天然的同位素，由46Ti到50Ti，其中豐度最高的是48Ti。鈦的化學性質及物理性質和鋯相似，這是因為兩者的價電子數目相同，並於元素週期表中同屬一族。特性.物理性質.在金屬元素中，鈦的比強度很高。它是一種高強度但低質量的金屬，而且具有相當好的延展性，所以是良好的耐火金屬材料。它具有順磁性，其電導率及熱導率皆甚低。商業等級的鈦的抗拉強度達1,400兆帕斯卡。然而，當鈦被加熱至430攝氏度以上時，強度會減弱。儘管比不上高等級的熱處理鋼，鈦仍具有相當的硬度。鈦不具磁性，同時是不良的導熱及導電體。用機械處理時需要注意，因為如不採用鋒利的器具及適當的冷卻手法，鈦會軟化，並留有壓痕。像鋼結構體一樣，鈦結構體也有疲勞極限，因此在某些應用上可保證持久耐用。鈦合金的比勁度一般不如鋁合金及碳纖維等其他物料，所以較少應用於需要高剛度的結構上。鈦具有兩種同素異形體，在882攝氏度時，就會從六方最密堆積的α型轉變成體心立方的β型。在到達臨界溫度前，α型的比熱會隨著升溫而暴增，但到達後會下降，然後在β型下不論溫度地保持基本恆定。跟鋯和鉿類似，鈦還存在一種ω態，在高壓時熱力學穩定，但也可能在常壓下以準穩態存在。此態一般是六邊形原子平面倒塌時能被觀測到。化學性質.鈦的特性中，最為人稱道的就是它優良的抗腐蝕能力——它的抗蝕性幾乎跟鉑一樣好，但鈦會被熱的稀硫酸、稀鹽酸和濃酸溶解。雖然以下的電位-pH圖指出鈦在熱力學上是一種活性很高的金屬，但是它與水及空氣的反應是非常緩慢的。鈦在曝露在高溫空氣中時，會生成一層彩色的鈍氧化物保護膜，阻止氧化持續。在最初形成時，保護層只有一至二奈米厚，但會緩慢地持續增厚；四年間可達25奈米厚。但當鈦被置於高溫空氣中時，便很容易與氧產生反應。這個反應在空氣溫度達1200攝氏度時便會發生，而在純氧中最低只需610攝氏度，生成二氧化鈦。因此不能在空氣中熔掉鈦，因為在到達熔點前鈦會先燃燒起來，所以只能在惰性氣體或真空中熔化鈦。在550攝氏度時，鈦會與氯氣結合。鈦亦會與其他鹵素結合，並吸收氫氣。鈦也是少數會在純氮氣中燃燒的元素，達800攝氏度就會燃燒起來，生成一氮化鈦，導致脆化。實驗指出，天然鈦在受到氘核轟擊後會具有放射性，主要釋放出正電子及硬性γ射線。天然含量.自然中的鈦總是與其他元素結合成化合物。它是地殼中含量第九高的元素。實際上，在美國地質調查局分析過的801種火成岩中，784種含有鈦鈦大約佔土壤的0.5至1.5%。。它分佈很廣，主要礦物為銳鈦礦、、鈦鐵礦、鈣鈦礦、金紅石、榍石及大部分鐵礦石。這些礦物中，只有金紅石和鈦鐵礦具有經濟價值，但即使是這兩種礦物，它們的高濃度礦源仍是很難找。鐵鈦礦的重要礦源主要分佈於澳洲西部、加拿大、中國、印度、莫三比克、紐西蘭、挪威及烏克蘭。北美洲及南非亦有大量開採金紅石，促使鈦金屬的年產量至九萬噸及二氧化鈦至四百三十萬噸。據估計，鈦的貯藏量超過六億噸。鈦可以在隕石中找到，並且已在太陽及M型恆星處偵測到鈦；M型恆星是溫度最冷的恆星，表面溫度為3,200攝氏度。在阿波羅17號任務從月球帶回的岩石中，二氧化鈦含量達12.1%。海中的鈦濃度大約是4x10−12M。在100°C，pH=7的水中，鈦濃度估計小於10−7M。鈦只有4+氧化態在空氣中是穩定的，但由於含鈦物種對水溶解度過低，且缺乏靈敏的光譜分析法，其在水溶液中之特性仍然未知。只有極少生物會累積高濃度的鈦，目前沒有證據顯示鈦在生物體的作用為何。同位素.天然生的鈦有五種穩定的同位素：46Ti、47Ti、48Ti、49Ti及50Ti，其中最常見的是48Ti。而剩下的其他放射性同位素，半衰期最長只有33秒，而大部份的半衰期更在半秒以下。鈦各同位素的原子重量，最輕有39.99u的同位素。鈦用氘核轟擊後會變成放射性物質，主要放射正子和短γ射線。化合物.鈦主要以氧化數+4存在，但是氧化數+3的鈦化合物也很常見。通常，鈦在其錯合物中是八面體形分子構型，但是四氯化鈦為四面體結構，屬於特例。由於其高氧化態，+4價鈦化合物具有高度的共價性。和大部分過渡金屬不同，簡單的+4價鈦水錯合物還未被發現。氧化物，硫化物和醇鹽.最重要的鈦氧化物是二氧化鈦。二氧化鈦以三種主要的晶形存在：銳鈦礦、板鈦礦、金紅石。這些都是反磁性固體，但在礦物中的外觀可能顏色較暗。銳鈦礦、金紅石的晶型結構主要由相互連線的TiO2八面體組成，TiO2八面體是以Ti為中心，周圍環繞六個氧原子。星彩藍寶石及紅寶石的來自於它們所含的二氧化鈦雜質。鈦酸鹽是以二氧化鈦為原料的化合物。鈦酸鋇具有壓電性，因此可以被用於製造聲光轉換器。酒精與四氯化鈦反應會生成鈦酯，可被用於製作防水纖維。目前已知有各種的鈦低氧化物，我們主要利用熱噴塗來減少所獲二氧化鈦的數目。五氧化三鈦，是一種紫色的半導體，含有+3價及+4價鈦，可在高溫下用氫氣還原二氧化鈦製得，並當表面需要用二氧化鈦氣相塗覆時，在工業上使用：它像純一氧化鈦一樣會蒸發，而二氧化鈦會像鈦氧化物的混合物一般，蒸發並沉澱出具有可變折射率的塗層。另外還有三氧化二鈦，為剛玉型結構，以及一氧化鈦，為巖鹽結構，不過其經常是非整比化合物。氮化物和碳化物.氮化鈦是耐火過渡金屬氮化物的一員，且展現與其共價化合物類似的特性，包括：耐溫、超高硬度、導電導溫、高熔點。氮化鈦，因此可作為各種切割工具的塗層，例如鑽頭。它的其他應用還包括裝飾用金色塗料及半導體器件製造中介面的。鹵化物.四氯化鈦用於生產高純鈦金屬。鈦另有一種氧化數較低的氯化物，三氯化鈦和有機化學中的還原劑。有機金屬化合物.二氯化二茂鈦是一種重要的碳－碳鍵形成催化劑。異丙醇鈦用於夏普萊斯不對稱環氧化反應。其他化合物還包括溴化鈦。抗癌治療.在含鉑藥物化療成功之後，鈦(IV)化合物是首批用於癌症治療的非鉑化合物。鈦化合物的優點在於其高效和低毒性。在生物環境中，水解產生安全且不活潑的二氧化鈦。儘管有這些優點，但第一批候選化合物未透過臨床試驗。進一步的發展導致可能具備有效性，選擇性和穩定性的含鈦藥物之產生。其作用方式現在尚不清楚。歷史.1791年，鈦以含鈦礦物的形式在英格蘭的康沃爾郡被發現，發現者是英格蘭業餘礦物學家格雷戈爾。意識到這種未被辨識的氧化物含有一種未被發現的金屬，格雷戈爾對及德國的《》發表了這次的發現。大約就在同時，米勒·馮·賴興斯泰因為其命名。從各種含鈦礦物中提煉鈦的過程既費工又昂貴；不能像對其他金屬地用碳去還原鈦，因為鈦與碳加熱時會生成碳化鈦。歷史上最早要到逾一世紀後的1910年才能製備出99.9%的純鈦，美國倫斯勒理工學院的亨特，但是鈦金屬的商業提煉還在使用克羅爾法。1925年，範·亞克，即與碘反應後再用熱燈絲從蒸氣中分離出純金屬，利用這個方法可生產出少量的超純鈦。在1950年代至60年代年間，蘇聯率先將鈦用於軍事及潛艇用途，作為對冷戰的部份規劃。在美國，國防部意識到鈦這種金屬的戰略重要性，並支援了鈦早期的商業化行動。在整個冷戰時期期間，鈦一直被美國政府視為戰略材料，內有大量海錦鈦庫存，直至2005年用盡為止。現時世界最大的鈦生產商，是俄羅斯的，據估計這家公司的全球市場佔有率達29%。2006年美國國防部國防高等研究計劃署向兩家公司聯合撥款五百七十萬美元，研發製造鈦金屬粉末的新方法。在熱力與壓力下，這種粉末可用於製作各種強度高且重量輕的物件，從裝甲敷板到宇宙航行、運輸、化工用元件。製備.處理鈦金屬主要分四個步驟：一、把鈦礦石還原成“海綿體”來形成鑄錠；三、初步製造，把鑄錠製成一般機械製品，如坯、棒、板、片、條及管；四、加工製造，把機械製品進一步加工成型。由於鈦在高溫時會與氧氣反應的關係，所以不能用還原反應來從氧化物中提煉鈦。因此商業上提煉鈦金屬要用到克羅爾法，一種既繁複又昂貴的分批處理法。。氯化物經分餾法濃縮及提純後，在800攝氏度的氬氣中被熔鎂還原成鈦。一種最近開發的提煉法，FFC劍橋法，一般鈦合金是由還原反應所造出來的。例如，銅鈦合金都是經還原而成的。2 FeTiO3 + 7 Cl2 + 6 C —900℃→ 2 TiCl4 + 2 FeCl3 + 6 COTiCl4 + 2 Mg —1100℃→ 2 MgCl2 + Ti現時鈦與鈦合金共有大約50種指定品位，儘管市面上能容易買到的就只有六種。美國材料試驗協會。美國材料試驗協會所指定的品位及其他合金，亦會按照各種規格生產，例如宇宙航行及軍事規格。至於加工方面，鈦的所有焊接必需在氬或氦其中一種惰性氣體中進行，否則鈦會被空氣中的氧、氮或氫等氣體汙染。汙染會引起各種情況，包括脆化，而脆化會減低焊接後的整體性，並導致連線失敗。商業純鈦的扁平產品製造起來很容易，但處理時必須注意鈦金屬有“記憶”特性，有彈回原形的傾向。有幾種高強度合金更尤其如此。鈦金屬一般可以用跟不鏽鋼一樣的機器及方法處理。用途.鈦是鋼的一種合金用元素、鎂及鉬等。顏料、新增劑及塗料.從地球表面被開採的鈦礦石中，約95%都被送往提煉成二氧化鈦，俗稱鈦白(粉)，一種超白的持久顏料，性質安定、無毒且覆蓋力佳，常被用於製造塗料、紙張、牙膏及塑膠，也是立可白的主要成分。二氧化鈦也被用於水泥、寶石、造紙用遮光劑粉末狀的TiO2化學上具惰性，陽光下不褪色，而且很不透光：就是這些性質，使得它能夠為製造家用塑膠的灰色或棕色化學品帶來艷麗的純白色。在自然中，二氧化鈦這種化合物可在銳鈦礦、及金紅石這幾種礦物中找到。用二氧化鈦製成的塗料能夠耐高溫，輕度阻止塵汙積聚，及抵受海洋環境帶來的影響。純二氧化鈦的折射率非常高，而且對光學色散能力比鑽石還高。除了作為一種很重要的顏料之外，二氧化鈦還會吸收紫外線，可用於防曬化妝品中。奈米級二氧化鈦也會吸收紫外線，可製成光觸媒產品，有除臭、殺菌及消毒的功能。最近，它還被用在空氣清淨機或空氣中的水份時，會產生帶高度活性的氧化還原物種，如羥基，能淨化空氣或保持窗面清潔。宇宙航行及航海.由於它的高抗拉強度－密度比、優良的抗腐蝕性、抗疲乏性、抗裂痕性及能夠在沒有蠕變的情況下抵受適度高溫，鈦合金被用於航空器、裝甲敷板、海軍艦隻、航天器與導彈。在這些應用中，鈦與鋁、釩及其他元素所製成的合金，用於製造各種元件，包括關鍵的架構部件、防火牆、起落架、排氣管及液壓系統。事實上，約三分二的鈦金屬生產量被用於製造太空船引擎及構架。SR-71“黑鳥”是最早在架構上廣泛使用鈦的機體，為現代軍用及商用機體的鈦應用鋪好了路。據估計，生產波音777要用59噸鈦，波音747要44噸，波音737要18噸，空中客車A340要32噸，空中客車A330要18噸，空中客車A320要12噸。空中巴士A380可能要用146噸，其中引擎要26噸。在引擎應用上，鈦被用於轉子、壓縮機葉片、液壓系統元件及。在航空應用的鈦合金中，鈦-6鋁-4釩佔幾乎50%。由於不易被海水腐蝕，鈦被用於製造螺槳軸、索具及用於海水淡化廠的換熱器；還被用於鹹水水族館的冷熱水器、釣魚線及潛水用刀。鈦被用於製造海洋監視部署的住房及其他元件，及用於以及科學用或軍用的監察儀。前蘇聯研發出主要用鈦製造潛艇的技術。工業.化工及石油化工領域需要用到焊鈦製的管道及加工裝置。其他應用包括：超聲波焊接、及濺鍍靶材。四氯化鈦是一種無色液體，在生產二氧化鈦的過程中的是一種重要的中間物，可用於生產齊格勒-納塔催化劑及製造鍍銥玻璃，還由於它在濕氣中會產生濃煙，所以可以用四氯化鈦來製造煙幕。消費品及建材.鈦金屬被用於汽車，尤其是賽車，在這領域減低重量，但同時不失強度及剛度是極其重要的。一般來說，鈦金屬對普通大眾的消費市場來說太昂貴了，很難會有銷路，所以它的主要市場是高檔產品，尤其是競賽用／高效能市場。最新款的Corvette跑車可選配鈦製排氣系統。鈦被用於各種體育用品：網球拍、高爾夫球杆桿頭、袋棍球棒手柄；板球、曲棍球、袋棍球及美式足球的頭盔上的護架；以及腳踏車的骨架及元件。儘管鈦並不是腳踏車生產的主流材料，但仍有運動選手及腳踏車冒險愛好者使用鈦製的腳踏車。鈦合金亦被用於製造眼鏡框架，雖然這種鏡框會有點昂貴，但是它重量輕又很經久耐用，而且不會造成皮膚敏感。許多野外揹包客都有鈦製的裝備，包括煮食用具、餐具、提燈及帳蓬的標樁。雖然比傳統的鋼或鋁製的同類稍貴，這些鈦製品要輕得多但強度不減。也偏好使用鈦，因為鈦製的馬蹄鐵比鋼製的更輕且更耐用。由於它的耐久性，鈦製的名牌珠寶佩戴首飾的人。鈦的耐久性、輕重量、防凹性及耐腐蝕性，使它成為生產手錶外殼與錶帶的理想材料。有些藝術家用鈦來製作藝術品，例如雕塑、裝飾品及傢俱。鈦偶爾會被用在有關建築的應用上：位於莫斯科高40米的加加林紀念柱，為紀念第一名太空人尤里·加加林而建造，就是以鈦建成的，選用鈦的原因是因為它吸引的顏色以及跟火箭技術的關連。西班牙的畢爾包古根漢美術館及美國喜瑞都的千禧圖書館分別是歐洲和北美最早使用鈦壁板護層的建築。其他使用鈦壁板護層的建築還有位於美國科羅拉多州丹佛藝術博物館的漢密頓樓，及位於莫斯科高107米的征服太空紀念碑。比起槍支傳統上用的金屬。而2017年推出的智慧手機Essential Phone將鈦合金作為手機邊框，是首部由鈦合金所組成機身的手機。珠寶.由於其耐久性，鈦已成為更受設計師歡迎的珠寶。它的低活性使其成為過敏症患者，或會在游泳池等環境中佩戴首飾的人之理想選擇。鈦與金合鑄可生產出能以24K金標示銷售的合金。此合金之硬度大約相當於14K金，且比純24K金更耐用。鈦的耐久度、較輕的重量、耐凹性以及耐蝕性使其很適合作為錶殼的材料。有些藝術家會使用鈦製作雕塑、裝飾物和傢俱。鈦可經陽極氧化以改變表面氧化物的厚度，從而產生光學干涉條紋和各種鮮豔的顏色。由於這種著色和低活性，鈦常被用作身體部位穿環。鈦在製造非流通硬幣和獎牌上用途較少。 於1999年，直布羅陀在千禧年慶典發布了世界上第一個鈦幣。澳大利亞橄欖球聯盟的黃金海岸泰坦隊為他們的年度最佳球員頒發了純鈦獎牌。醫學.由於它的生物相容性，鈦在醫學上有廣泛應用，當中包括外科用具及植入物，例如替換髖骨框及球關節，最長可用20年。這種用途的鈦一般與4%鋁或6%鋁加4%釩製成合金。鈦有一種固有的特性，活性生骨細胞會直接在鈦金屬表面上沉積鈣化為新生骨組織，最後會如同樹根與土壤一般結合得極為牢固，使得鈦製的牙科植入物能在原位上逗留50年之久。這種特性對而言亦相當有用。使用鈦的好處還有鈦較低的-{zh-hans:彈性模量;zh-tw:彈性模數}-，以及外科植入物與骨之間的義肢周骨折。然而，鈦合金的剛性仍是骨的兩倍，所以植入物周邊骨的受力仍是會大幅減少，並可能因此退化。由於鈦不具鐵磁性，有鈦植入物的病人能安全地接受核磁共振成像的檢查。準備植入人體的鈦要經過等離子弧的高溫加熱，移除表面原子，新露出的表面隨即被氧化。核廢料儲存.由於其耐蝕性，鈦已被研究用以製成儲存核廢料之容器。可使用超過10萬年的容器被認為可透過最小化材料瑕疵的條件來製造。鈦「滴水罩」也可以安裝在其他型別的容器上，以延長其使用壽命。生物修復.「硬柄小皮傘」、「橙黃褐任傘」這兩種真菌可以把鈦汙染泥土中之鈦金屬進行生物轉換。危害.鈦沒有毒性，即使大劑量時也是如此，鈦在人體中不會發生任何自然作用。據估計，人每天會攝取約0.8毫克鈦，但大部分都在沒有被吸收的情況下透過。然而，含有矽土的組織會出現生物累積鈦的傾向。在植物中，一種未知的機制可能會用鈦來刺激碳水化合物的生產並促進生長。這可能解釋到為何大部分植物的含鈦量約為百萬分之1，而食用植物的含鈦量則約為2ppm，木賊及蕁麻更最高可達80ppm。粉末狀的鈦及刨削下來的鈦薄片很容易引起火災，而且在空氣中會因加熱而發生爆炸。水及二氧化碳類的滅火法對燃燒中的鈦無效；必須改為使用D類乾粉滅火劑。當生產或處理氯氣時，必須小心注意鈦只能用在周圍沒有乾氯氣的地方，否則會引起鈦／氯火災。即使是濕氯氣也是火災隱患，因為在異常的天氣狀況下濕氯氣可能會意外地變乾。鈦未經氧化的新表面與液態氧接觸後可能會起火。參考書目.