鈦白粉中鈦的歷史

鈦白粉中鈦的歷史
    鈦是化學元素，化學符號Ti，原子序數22，是銀白色過渡金屬，其特征為重量輕、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力（包括海水、王水及氯氣）。由于其穩定的化學性質，良好的耐高溫、耐低溫、抗強酸、抗強堿，以及高強度、低密度，常用來制造火箭及航天飛機，因此獲美譽為“太空金屬”。
     雖然鈦經常和高大上結合在一起，但在地殼中的含量并不低，它是地殼中質量含量第九高的元素（質量占地殼0.63%），同時也是第七高的金屬。


之所以發現的很晚，是由于在自然界中其存在分散，因而制取金屬鈦極端困難。困難到什么程度呢？
 

它分布很廣，主要礦物為銳鈦礦、板鈦礦、鈦鐵礦、鈣鈦礦、金紅石、榍石及大部分鐵礦石。

 

除了地球，鈦元素在宇宙中也有很廣分布：也鈦可以在隕石中找到，并且已在太陽及M型恒星處偵測到鈦；在阿波羅17號任務從月球帶回的巖石中，二氧化鈦含量達12.1%。但是以目前的科技水平，到月球上去開采鈦資源還是不現實的。


   1.鈦的發現
1791年，鈦以含鈦礦物的形式在英格蘭的康沃爾郡被發現，發現者是英格蘭業余礦物學家格雷戈爾（Reverend William Gregor），當時正業為負責康沃爾郡的克里特（Creed）教區的牧師。他在鄰近的馬納坎教區中小溪旁找到了一些黑沙，后來他發現了那些沙會被磁鐵吸引，他意識到這種礦物（鈦鐵礦）包含著一種新的元素。

 經過分析，發現沙里面有兩種金屬氧化物；氧化鐵（沙受磁鐵吸引的原因）及一種他無法辨識的白色金屬氧化物（45.25%）。意識到這種未被辨識的氧化物含有一種未被發現的金屬，格雷戈爾對康沃爾郡皇家地質學會及德國的《化學年刊》發表了這次的發現]。

 大約就在同時，米勒·馮·賴興斯泰因（Franz-Joseph Müller von Reichenstein）也制造出類似的物質，但卻無法辨識它。

 直到1795年，普魯士化學家克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）獨立地從匈牙利的金紅石中再度發現到這種氧化物。克拉普羅特發現到它含有一種新的物質，并以希臘神話中的泰坦女神（Titans）為其命名。當他聽聞到格雷戈爾較早前的發現之后，克拉普羅特取得了一些馬納坎礦物的樣本，并證實它含鈦。

 從各種含鈦礦物中提煉鈦的過程既費工又昂貴；鈦與碳的原子半徑實在是太相近了，因而兩者在高溫下會生成碳化鈦（TiC），因此不能像用焦炭煉鐵那樣，用焦炭去還原金屬鈦，這就導致了提煉出純鈦非常困難。

歷 史上早制備出純鈦（99.9%），一直要到1910年，美國倫斯勒理工學院的亨特（Matthew A. Hunter）將四氯化鈦和鈉一起加熱至700－800攝氏度，提煉出高純度的鈦，這種方法被稱為亨特法。

但是這時鈦的應用仍只限于實驗室，直到1932年克羅爾（William Justin Kroll）在此基礎上做了重大改進：利用較便宜的金屬鎂來替代鈉，后來被稱為克羅爾法。盡管研究如何能更有效及便宜地提煉鈦的工作仍然持續，但是直到現在，鈦金屬的商業提煉還在使用克羅爾法。

    2.克羅爾法

首先把從礦石中初步提煉過的金紅石或鈦鐵礦丟進1000 °C的流體化床，用從石油餾煉出的煤焦進行還原。接著對還原得到的混合物通氯氣，產生四氯化鈦（TiCl4）及多種易揮發的氯化物氣體，接著對混合氣體進行分餾。

分餾后將純的四氯化鈦通入不銹鋼反應器，在800–850 °C的溫度下加入15%至20%過量的鎂或鈉熔融液（通常主要是鎂），以確保完全反應。因為這是一個吸熱反應，所以必須在800–高溫下進行：

2Mg(l) + TiCl4(g) → 2MgCl2(l) + Ti(s)   

 但這實際上是一個可逆的反應，結果會得到一堆復雜的產物：鈦、二氯化鈦、三氯化鈦、氯化鎂等等，但是只要重復把反應后的液體抽掉，并繼續加入熔融鎂就能去掉反應的產物，并得到海綿鈦。接著把這些多孔的海綿鈦拿去瀝取槽或拿去真空蒸餾以進一步精煉。







之后因海綿鈦只有內部較純，所以把海綿鈦去鱗皮、裁切邊部（切完廢料還可以回收再煉）。







剩下較純的海綿鈦丟進粉碎機制作碎塊。將碎塊以高壓壓成短棒，再把許多短棒焊在一起丟進電弧爐用石墨電極進行真空電弧熔煉。

 

為了確保鈦錠雜質夠少（或者想制造特定鈦合金，在此時就該刻意添加雜質），煉一次不夠可以再煉第二次、第三次，此即真空電弧再熔煉。

 

煉完把鈦錠拿去真空環境冷卻固化。一般來說，真空熔煉煉越多次成本會顯著增高。多數的鈦煉出來，價格可以達到不銹鋼的六倍。因為使用克勞爾法制備的金屬鈦質量更好，生產的安全性更高。所以，目前世界上各個國家都是采用鎂還原-真空蒸餾法生產海綿鈦。

 

我們不難發現，從含鈦化合物的被發現，到制得純金屬鈦，歷時一百多年。而鈦也逐漸步入人們的日常生活中，日益受到人們的重視，用途也越來越廣，在一定程度上得到真正的利用。