鈦（Titanium）

鈦（Titanium）
高雄市立女子高級中學化學科洪瑞和老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

鈦是英國業餘地質學家格雷哥爾（William Gregor）在1791年研究鈦鐵礦和金紅石時發現的；之後德國化學家克拉普羅斯（Martin Heinrich Klaproth）在分析金紅石時也發現了這種元素（其氧化物）。他引用希臘神話中眾神的稱呼”Titans”，將此新元素命名為Titanium，中文翻譯為鈦，元素符號Ti。

但格雷哥爾和克拉普羅斯當時所發現的鈦是粉末狀的二氧化鈦，而不是金屬鈦。因為鈦的氧化物相當穩定，且金屬鈦在高溫時才能與氧、氮、氫、碳等元素起激烈反應，因此純鈦很難製備，直至1910年才由美國化學家亨特（Matthew A. Hunter）第一次製得高純度的金屬鈦。

鈦的製備
由於鈦在高溫下化合能力極強，可與氧、碳、氮以及其他多種元素化合，因此鈦的最大缺點是難以提煉。現在製備金屬鈦常用的方法是在800℃（1070K）左右，由氬氣氛中，用熔融的金屬鎂還原四氯化鈦蒸氣的克洛耳製程（Kroll process），除了用鎂作還原劑外，還可以使用金屬鈉為還原劑。
以四氯化鈦製備金屬鈦的反應方程式如下：
TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂；
TiCl₄ + 4Na → Ti + 4NaCl。

鈦的性質（Physical and chemical characteristics）
純鈦具有銀白色金屬光澤，具良好可塑性。金屬鈦是一種新興的結構材料，具最佳的強度/重量比。它的密度4.5１g/cm³，比鋼輕，但機械強度卻與鋼近似。鈦兼具鋁質輕與鋼強度夠的優點，加上熔點高，可用於製作飛機、火箭、太空梭的材料。

常溫下鈦不活潑，具相當良好的抗腐蝕性，但高溫時能與許多金屬或非金屬反應（如：氧、氮）。在酸性溶液中，鈦是還原性很強的金屬，但因在鈦的表面容易生成緻密的氧化物薄膜，使鈦具良好的抗腐蝕性，特別是對海水的抗腐蝕性很強，在海水中不會生銹。

鈦能溶於熱的鹽酸與熱硝酸中，而溶解效果最好的是氫氟酸或含有氟離子的酸，因為氟離子與鈦會生成錯合物[TiF₆“>^2-而增加了鈦的溶解度。

鈦的用途（applications）
因為鈦的高強度、耐腐蝕性，鈦合金常用於飛機、太空船、船舶材料。鈦應用在醫學上有其獨特之處，因其具有優良的生物相容性（biocompatibility），無毒且不會被身體排斥，故可以用它來製造人工關節和支架，以代替受損的骨骼和關節。

鈦的化合物（compounds）

二氧化鈦（Titanium dioxide）：
天然的二氧化鈦結晶有金紅石（rutile），是一種桃紅色的晶體，會因含有微量的Fe, Nb, Sn, V, Cr等雜質而呈黑色；另外還有板鈦礦（brookite）、銳鈦礦（anatase）。經過化學處理純化後的二氧化鈦是雪白色的粉末，俗稱鈦白。

鈦白是一種重要的白色顏料，廣泛用於油漆、造紙等。又因二氧化鈦熔點高（1800℃）因此常被用來製造耐火玻璃和耐高溫的實驗器皿。
二氧化鈦不溶於水或稀酸，但能溶於氫氟酸和熱的濃硫酸中：
TiO₂ + 6HF → H₂[TiF₆“> + 2H₂O；
TiO₂ + H₂SO₄ → TiOSO₄ + H₂O。

鈦白是重要的化工原料，製取鈦白的方法主要有：
（1）用乾燥的氧氣與四氯化鈦在650℃~750℃進行氣相反應製取：
TiCl₄ + O₂ → TiO₂ + 2Cl₂。

（2）硫酸法：將磨細的鈦鐵礦FeTiO₃與濃硫酸在70℃~80℃反應製得可溶性硫酸鹽，再降溫至0℃以下，使FeSO₄∙7H₂O 結晶析出，TiOSO₄水解即可析出白色的偏鈦酸（二氧化鈦水合物）沉澱，煅燒後即可得二氧化鈦：
FeTiO₃ + 2H₂SO₄ → TiOSO₄ + FeSO₄ + 2H₂O；
TiOSO₄ +2H₂O → H₂TiO₃ + H₂SO₄；
H₂TiO₃ → TiO₂ + H₂O。

二氧化鈦的應用（applications）：
因二氧化鈦具有很強的遮蓋能力及高反射性，故廣泛地用作白色顏料；又因其具有極強的紫外線阻絕特性，也用於塑膠及化妝品及相關產品。
銳鈦礦晶型的二氧化鈦在紫外線照射下可作光觸媒（photocatalyst），將水、有機物氧化，此光催化特性最先是由藤島（Akira Fujishima）於1967年發表，發展到現在，已有許多相關的應用。

參考資料：
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Titanium
2. 車雲霞、申泮文，2005年，化學元素周期系（Huaxue Yuansu Zhouqi Xi），南開大學出版社。
3. Geoff Rayner-Canham, Tina Overton, 2006, Descriptive Inorganic Chemistry, 4th ed., Freeman.