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钛副族和钒副族
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钛族概述
钛单质
钛主要化合物
锆铪化合物
§22-1 钛副族
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钛族概述
1. 发觉史
钛： 1791 年英国 Cornish 教区牧师，兼业余化学家
William Gregor 最先得到钛不纯氧化物。1795年德
国化学家M. H. Klaproth 独立发觉同样化合物，并
按希腊神话中被罚生活于地球隐秘之火中天与地
子女－－Titans之名，将新元素命名为（Titanium）。
锆： 1789年Klaproth 从被当作宝石锆石中分离出
锆氧化物， 和 Boer 用
碘化物分解法制得锆（Zirconium）。
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铪： 1922－1923年，在哥本哈根 Bohr 试验室工作
Hevesy 用 X 射线分析法证实 72号
元素存在于挪威锆石中。此元素被命名为铪
（Hafnium，哥本哈根拉丁名称是Hafnia）
2. 元素性质
Ti、、Zr、Hf 位于周期系第IVB族，统称钛副
族，价电子层结构（n-1）d2ns2，稳定化态为IV
钛主要存在于钛铁矿FeTiO3和金红石TiO2
锆主要存在于锆英石ZrSiO4和斜锆石ZrO2
铪通常与锆共生
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钛单质
物理性质：银白色，密度 ，
比钢铁 ，比铝 ，
较轻，强度靠近钢铁，兼有铝铁
长处，既轻强度又高
(航天材料，眼镜架等)。
钛
记忆性合金 (镍钛合金, NT)，加工成形，在高温下处理数分钟至半小时，于是NT合金对形状产生了记忆。在室温下，对合金形状改变，以后碰到高温加热, 则自动恢复形状。如: 固定接头:
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2. 化学性质
a. 与非金属反应：
钛族金属在常温下不活泼，但在高温条件下它们能够直接和大多数非金属反应：
Ti + O2 ＝ TiO2 (红热) ； 3Ti + 2N2 ＝ Ti3N4 (点燃)
Ti + 4Cl2＝TiCl4 (300oC) 因此钛是冶金中消气剂。
b. 与酸反应：
不与稀酸反应。钛能与热浓盐酸或热硝酸中， 但Zr 和 Hf 则不溶，它们最好溶剂是氢氟酸。
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2Ti＋6HCl＝2TiCl3 (紫色) ＋3H2↑
Ti + 6HNO3＝[TiO(NO3)2]+4NO2 ↑+3H2O
Ti + 6HF ＝[TiF6]2- + 2H+ + 2H2↑
Zr + 6HF＝[ZrF6]2- + 2H+ + 2H2↑
钛族金属抗腐蚀能力很强，主要是生成了致密，有附着力，能自行修补裂缝氧化物膜。
3. 用途：
基于上述性质，钛及其合金广泛地用于制造喷气发动机、超音速飞机和潜水艇 ( 防雷达、防磁性水雷 ) 以及海军化工设备。
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另外，钛与生物体组织相容性好，结合牢固，用
于接骨和制造人工关节；钛含有隔热、高度稳定、质
轻、坚固等特性，由纯钛制造假牙是任何金属材料
无法比拟，因此钛又被称为“生物金属”。因此，继
Fe、Al之后，预计 Ti 将成为应用广泛第三金属。
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4. 单质提取
TiCl4 在 950℃ 真空分馏纯化
1000℃下真空蒸馏除去 Mg、
MgCl2， 电弧熔化铸锭
TiCl4 + 2 Mg Ti + 2 MgCl2
800 ℃
Ar
TICl4
海绵钛
Mg
MgCl2
制备海绵钛反应器示意图
Ar
TiO2 + 2 C +2 Cl2 TiCl4 + 2 CO
800~900 ℃
2FeTiO3+ 7Cl2 + 6C＝2TiCl4+ 2FeCl3+ 6CO
在充氩气密封炉中用
熔融Mg（Na）还原
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为何在由 TiO2 制备TiCl4 时，反应中要加入 C 而不能直接由 TiO2 和 Cl2 反应来制取？
单独反应 TiO2 (s) +2Cl2 (g) = TiCl4(l) + O2 (g) 在25℃时 即便增长温度也无济于事， 由于它是一个熵减反应， 假如把反应
C(s) + O2 (g) = CO2 (g)
耦合到上述反应中，可得：
TiO2 (s) + 2C (s) +2Cl2 (g) = TiCl4 (l) + CO2 (g)
本来不能进行反应就能进行了。
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