钛化合物性质

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1、1．钛钛及钛合金具有一系列特点．如它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能也好，它具有优良的抗蚀性能，并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低，但是它具有很高的化学活性。A．钛原子结构和在周期表中的位置a．钛原予结构钛的原子序数是22，原子核由22个质子和20～32个中子组成。原子核半径为5×10－13cm。原子核外22个电子结构排列为1s22s22p63s23p63d24s2。原子失去电子的能力用电离能来衡量。钛原子的电离能见表2－1。表2－1钛原子的电离能失去电子的次序名称电离能/J14s1.09×10－1824s2.17×10－1833d4.40×10－1843d7.0

2、6×10－1853p16.06×10－1863p19.51×10－1873p22.9×10－1883p27.8×10－18由表2－1可见，钛原于的4s电子和3d电子的电离势较小，都小于8×10－18J，因此容易失去这4个电子。3p电子的电离势都在16.06×10－18J以上，是根难失去的。所以，钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高氧化态通常是正四价。钛原子半径和离子半径见表2－2。表2－2钛原子半径和离子半径原子或离子TiTi＋Ti2＋Ti3＋Ti4＋半径r/nm0.1460.0950.0780.0690.064已发现钛有13种同位素，其中稳定同位素5个，其余8个为不稳定的微

3、量同位素。钛的同位素及其性质列于表2－3。表2－3钛的同位素及其性质同位素质量数丰度/%辐射特征半衰期热中子捕获截面/m2热中子散射截面/m2420.001β－，γ430.007β－，γ0.58d440.001547a450.0015β－，γ3.08h467.99稳定同位素(0.6±0.2)×10－28(3.3±1.0)×10－28477.32稳定同位素(1.6±0.3)×10－28(5.2±1.0)×10－284873.97稳定同位素(8.0±0.6)×10－28(9.0±4.0)×10－28495.46稳定同位素(1.8±0.5)×10－28(2.8±1.0)×10－285

4、05.25稳定同位素0.2×10－28(3.3±1.0)×10－28510.0001β－，γ5.9min520.0001β－，γ41.9min530.0001β－，γ540.003β－，γb．钛在周期表中的位置钛是元素周期表中第四周期的副族元素，即IVB族(又称为钛副族)元素。这族元素除钛（22Ti）外，还有锆（40Zr），铪（72Hf）和人工合成元素104Ku。钛、锆、铪原子的外层电子结构分别为：Ti[Ar]3d24s2，Zr[Kr]4d25s2，Hf[Xe]5d26s2。由此可见，钛族元素的原子具有相似的外电子构型，即价电子都是d2s2，因而钛、锆和铪的原子半径相近，它们的

5、许多性质也相似，彼此可以形成无限固溶体。不过，钛、锆、铪及它们的化合物在性质上也有差异。例如，TiO2是两性氧化物，而ZrO2、HfO2为碱性氧化物；TiCl4是弱酸性化合物，而ZrCl4、HfCl4则为两性化合物。IVA族，即碳族元素的原子也和IVB族具有相似的外电子构型，不过其价电子不是d2s2，而是s2p2。钛族与碳族是同周期元素，它们具有共性，即通常都表现最高氧化态为正四价。碳族元素的金属性质随着原子序数的增加而递增，原子序数最小的碳（C）是非金属元素，原子序数最大的铅（Pb）是金属元素。但是，钛族元素都具有金属性质，这是与碳族元素的基本区别。钛与其相邻的IIIB族（d

6、1s2）、VB族（d3s2）元素的原子最外层电子数相同，不同的是次外层电子数。因为对元素的化学性质发生主要影响的是最外层电子，次外层电子的影响就小得多。所以，钛与IIIB族元素（钪、钇）和VB族元素（钒、铌、钽）在性质上也很相近，钛可与这些元素形成无限固溶体。在自然界存在的铁矿物中，经常伴生有这些元素。B．钛的物理性质、热力学性质和力学性质a．物理性质①．晶体结构金属钛具有两种同素异形态．低温（<882.5℃）稳定态为α型，密排六方晶系；高温稳定态为β型，体心立方晶系。α—Ti的晶格参数，25℃时为：ɑ＝(0.29503±0.00004)nm，c＝(0.46832±0.0000

7、4)nm，c/ɑ＝1.5873±0.00004。由于α—Ti的c/ɑ比值小于理想球形轴比1.633，所以钛是可锻性金属。α—Ti中存在的杂质对其晶格构造有很大影响，微量氧、氮的存在会使晶格沿c轴方向增长，引起c值得增加，而ɑ值实际上几乎不发生变化。β—Ti的晶格参数，900℃时ɑ＝(0.33065±0.00001)nm。②．相变性质钛的两种同素异形态转化(α—Ti↔β—Ti)温度为882.5℃，由α—Ti转化为β—Ti时，其体积增加为5.5％。氧、氮、碳是α—Ti的稳定剂，在钛中存在氧、氮、