釩鈦基本性質(zhì)(2)

1、課前復(fù)習(xí) 前言 第第 一一 章章 緒論（釩鈦材料概況）緒論（釩鈦材料概況） 第一節(jié)第一節(jié) 釩礦物種類釩礦物種類 第二節(jié)第二節(jié) 釩材料的分類釩材料的分類 第三節(jié)第三節(jié) 釩材料的用途釩材料的用途 第四節(jié)第四節(jié) 釩材料的發(fā)展史釩材料的發(fā)展史 第五節(jié)第五節(jié) 鈦礦物種類鈦礦物種類 第六節(jié)第六節(jié) 鈦材料分類鈦材料分類 第七節(jié)第七節(jié) 鈦材料的用途鈦材料的用途 第八節(jié)第八節(jié) 鈦的發(fā)展史鈦的發(fā)展史 第九節(jié)第九節(jié) 釩鈦材料今后的發(fā)展趨勢釩鈦材料今后的發(fā)展趨勢本次課內(nèi)容提要本次課內(nèi)容提要 第第 二二 章章 釩鈦基本性質(zhì)釩鈦基本性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 金屬釩的性質(zhì)金屬釩的性質(zhì) 第二節(jié)第二節(jié) V-O系相圖系相圖 第三節(jié)第三

2、節(jié) V2O3的性質(zhì)的性質(zhì) 第四節(jié)第四節(jié) VO2的性質(zhì)的性質(zhì) 第五節(jié)第五節(jié) V2O5的性質(zhì)的性質(zhì) 第六節(jié)第六節(jié) 偏釩酸銨的性質(zhì)偏釩酸銨的性質(zhì) 第七節(jié)第七節(jié) 釩的某些二元非金屬化合物釩的某些二元非金屬化合物 第八節(jié)第八節(jié) 釩鐵性質(zhì)釩鐵性質(zhì) 第九節(jié)第九節(jié) 釩鋁性質(zhì)釩鋁性質(zhì)第十節(jié)第十節(jié) 釩的毒性釩的毒性 第十一節(jié)第十一節(jié) 金屬鈦的性質(zhì)金屬鈦的性質(zhì) 第十二節(jié)第十二節(jié) TiO2（鈦白）的性質(zhì)（鈦白）的性質(zhì) 第十三節(jié)第十三節(jié) 低價鈦（低價鈦（Ti2O3、Ti3O5）性質(zhì)）性質(zhì)第十四節(jié)第十四節(jié) 偏鈦酸的性質(zhì)偏鈦酸的性質(zhì) 第十五節(jié)第十五節(jié) 四氯化鈦（四氯化鈦（TiCl4）的性質(zhì)）的性質(zhì) 第十六節(jié)第十六節(jié) 碳化鈦

3、（碳化鈦（TiC）的性質(zhì)）的性質(zhì) 第十七節(jié)第十七節(jié) 正硫酸鈦正硫酸鈦Ti(SO4)2和硫酸氧鈦和硫酸氧鈦- （TiOSO4）的性質(zhì)）的性質(zhì) 第十八節(jié)第十八節(jié) 鈦的毒性鈦的毒性 第第 二二 章章 釩鈦基本性質(zhì)釩鈦基本性質(zhì) 第一節(jié)第一節(jié) 金屬釩的性金屬釩的性質(zhì)質(zhì) 釩是一種高熔點難熔金屬，常溫下為固態(tài)，呈銀灰色，具有體心立方晶格，原子序數(shù)23。 純釩具有良好的延展性和可鍛性，在常溫下可制成片、絲和箔。 釩呈弱順磁性，是電的不良導(dǎo)體。 釩的力學(xué)性能取決于它的純度。 常溫下釩的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，但在高溫下能與碳、硅、氮、氧、硫、氯、溴等大部分非金屬元素生成化合物。 釩具有較好的耐腐蝕性能，能耐淡水和海水的

4、侵蝕，亦能耐氫氟酸以外的非氧化性酸(如鹽酸、稀硫酸)和堿溶液的侵蝕，但能被氧化性酸(濃硫酸、濃氯酸、硝酸和王水)溶解。 金屬釩的物理性質(zhì)如下表所示： 表 金屬釩的物理性質(zhì) 性質(zhì)數(shù)據(jù)原子量50.9451熔點/189010沸點/3380密度/g/cm36.11比熱容(20)/J(kgK)-1533.72熱導(dǎo)率(20)/w(mK)-130.98超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度/K5.13線膨脹系數(shù)(0100)，-18.310-6電阻率(20)/cm24.826.0電阻溫度系數(shù)/cm-12.182.7610-8熱焓(0100)/ Jmol-124.62再結(jié)晶溫度/8001000晶型立方第二節(jié)第二節(jié) V-O系相圖系相圖O(

5、原子分?jǐn)?shù))% 由氧-釩二元相圖可知，釩有多種氧化物。 在V2O3和V2O4 之間，存在著可用通式VnO2n-1 (3n9)表示的同族氧化物。 在V2O4到V2O5之間，已知有V3O5、V3O7、V4O7、V4O9、V5O9、V6O11、V6O13等。 工業(yè)上釩氧化物主要是以五氧化二釩、四氧化二釩和三氧化二釩，特別是五氧化二釩的生產(chǎn)尤為重要。它們的主要性質(zhì)列于下表。 表 釩氧化物的性質(zhì)氧化物晶系，顏色比重熔點/溶解性V2O2等軸 ，淺灰5.761790不溶水、 溶于酸V2O3菱形， 黑4.8719702070不溶水、 溶于HF及HNO3V2O4正方 ，蘭黑4.24.415451967微溶水、溶于

6、酸及堿、不溶乙醇V2O5斜方， 橙黃3.357650690微溶水、溶于酸及堿、不溶乙醇第三節(jié)第三節(jié) V2O3的性質(zhì)的性質(zhì) V2O3是灰黑色有光澤的結(jié)晶粉末；不溶于水及堿；是強還原劑。 熔點很高(2070)。 具有導(dǎo)電性。 常溫下暴露于空氣中數(shù)月后，被氧化變成靚青藍(lán)色的VO2。 工業(yè)上制取方法：是用氫氣、一氧化碳、氨氨氣、天然氣、煤氣等氣體還原氣、天然氣、煤氣等氣體還原V2O5或釩酸銨制取。第四節(jié)第四節(jié) VO2的性質(zhì)的性質(zhì) 二氧化釩是深蘭色晶體粉末，溫度超過128時為金紅石型結(jié)構(gòu)。 VO2是兩性氧化物，溶于酸和堿。 VO2是釩氧化物中研究最多的一種，原因在于有金屬非金屬轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。 由于VO2的

7、薄膜形態(tài)不易因反復(fù)相變而受到損壞，因此，其薄膜形態(tài)受到了比其它粉體、塊體更為廣泛的研究。提拉法制備VO2薄膜第五節(jié)第五節(jié) V2O5的性質(zhì)的性質(zhì) V2O5是一種無味、無嗅、有毒的橙黃色或紅棕色的粉末，微溶于水(約0.07g/L)，溶液呈微黃色。 V2O5大約670熔融，冷卻時結(jié)晶成黑紫色正交晶系的針狀晶體。片狀五氧化二釩 粉狀五氧化二釩 V2O5是兩性氧化物，與Na2CO3一起共熔得到不同的可溶性釩酸鈉。V2O5+3Na2CO32Na3VO4+3CO2V2O5+2Na2CO32Na4V2O7+2CO2V2O5+Na2CO32NaVO3+CO2 因為在V2O5晶格中比較穩(wěn)定地存在著脫除氧原子而得的

8、陰離子空穴，因此在7001125范圍內(nèi)，可逆地失去氧，這種現(xiàn)象可解釋為V2O5的催化性質(zhì)。2V2O52V2O4+O2 V2O5可用偏釩酸銨在空氣中于500左右分解制得。 V2O5是最重要的釩氧化物，工業(yè)上用量最大。工業(yè)五氧化二釩的生產(chǎn)，用含釩礦石、釩渣、含碳的油灰渣等提取，制得粉狀或片狀五氧化二釩。它大量作為制取釩合金的原料，少量作為催化劑。第六節(jié)第六節(jié) 偏釩酸銨的性質(zhì)偏釩酸銨的性質(zhì) 偏釩酸銨(NH4VO3)是白色或帶淡黃色的結(jié)晶粉末，在水中的溶解度較小。 偏釩酸銨是工業(yè)上生產(chǎn)V2O5的中間產(chǎn)物。 偏釩酸銨在真空中加熱到135開始分解，超過210時分解生成V2O4和V2O5。表 偏釩酸銨熱分解

9、條件及產(chǎn)物 溫度溫度/氣氛氣氛分解產(chǎn)物分解產(chǎn)物250空氣和氧氣空氣和氧氣NH3V2O5250空氣空氣(NH4)2O3V2O5340空氣空氣(NH4)2OV2O45V2O5420440空氣空氣NH3，V2O5310325氧氣氧氣V2O5約約200氫氣氫氣約約320氫氣氫氣(NH4)2O3V2O5約約400氫氣氫氣(NH4)2OV2O45V2O5約約1000氫氣氫氣V6O13，V2O3，V2O4350二氧化碳、氮或二氧化碳、氮或氬氬(NH4)2OV2O45V2O5400500二氧化碳、氮或二氧化碳、氮或氬氬V6O13200240氮氣和氫氣氮氣和氫氣(NH4)2O3V2O5320氮氣和氫氣氮氣和氫氣

10、(NH4)2OV2O45V2O5400氮氣和氫氣氮氣和氫氣V6O13225水蒸氣水蒸氣(NH4)2O3V2O5 除了偏釩酸銨外，五價釩(V5+)的銨鹽還有很 多種，如： (NH4)2V4O11、(NH4)2V6O16、(NH4)4V6O17、(NH4)4V10O27、(NH4)6V10O33、(NH4)2V12O31、(NH4)6V14O38、(NH4)10V18O40、(NH4)6V20O53、(NH4)8V26O69等。 工業(yè)生產(chǎn)五氧化二釩時，采用酸性銨鹽沉釩時，在不同釩濃度和pH值等沉釩條件下，可以得到上述的釩酸銨沉淀，通常稱之為多釩酸銨(英文縮寫為APV)，是制取V2O5的中間產(chǎn)品，多

11、為橙紅色或橘黃色，也稱為”黃餅”。 APV在水中的溶解度較小，隨著溫度升高，溶解度降低。 APV在空氣中煅燒脫氨后，得到工業(yè)五氧化二釩。第七節(jié)第七節(jié) 釩的某些二元非金屬化合物釩的某些二元非金屬化合物釩的主要二元非金屬化合物性質(zhì)列于下表中。名稱分子式顏色熔點，密度，g/cm3結(jié)構(gòu)碳化物V2CVC暗黑暗黑220028305.6655.649立方立方氮化物氮化物VN灰紫灰紫20506.04立方立方硅化物V3SiV5Si3VSi21350215017505.674.84.7立方六方六方氮化釩合金第八節(jié)第八節(jié) 釩鐵性質(zhì)釩鐵性質(zhì) V-Fe常溫下為灰黑色金屬。 V-Fe化合物為正方晶系，晶格常數(shù)a=0.89

12、5nm，c=0.462nm，c:a=0.516。 釩和鐵之間可形成連續(xù)的固溶體；最低共熔點為1468（含V31%）。第九節(jié)第九節(jié) 釩鋁性質(zhì)釩鋁性質(zhì) VAl 合金常溫下為銀灰色金屬。 VAl化合物有不同的晶系：(1)VAl3：正方晶格， 晶格常數(shù)a=0.5345nm，c=0.8322nm，c:a=1.577。(2)VAl11：面心立方晶格，晶格常數(shù)a=1.4586nm。(3)VAl6：六方晶格，晶格常數(shù)a=0.7718nm，c=1.715nm。(4)V5Al8：體心立方晶格，晶格常數(shù)a=0.9270nm。釩鋁合金兩種釩合金的密度及熔化溫度見表。 表 釩合金的密度及熔化溫度 合金合金主要成份，主要

13、成份，%密度密度g/cm3熔化溫度熔化溫度VAlSiCFeV4045-554.02.00.26.71450FeV6050-652.01.50.157.01450-1600FeV8078-821.51.50.156.41680-1800V99990.010.10.066.11910V80Al75-8515-200.40.055.21850-1870V40Al40-4555-60.0.30.13.81500-1600 第十節(jié)第十節(jié) 釩的毒性釩的毒性 釩作為一種微量元素存在于所有的動植物的組織中，釩是人體內(nèi)必需的微量元素之一，對人體的正常代謝有促進(jìn)作用。 釩及其化合物通常具有毒性釩及其化合物通常具有

14、毒性，隨化合物價態(tài)升高而毒性增大，其中五價釩()的化合物毒性最大。 一般從事釩工藝生產(chǎn)的工作人員，并未發(fā)現(xiàn)致癌和并未發(fā)現(xiàn)致癌和致畸致畸變的記載。 第十一節(jié)第十一節(jié) 金屬鈦的性質(zhì)金屬鈦的性質(zhì) 原子結(jié)構(gòu) ：鈦位于元素周期表中B族，原子序數(shù)為22，原子核由22個質(zhì)子和20-32個中子組成。 物理性質(zhì)： 金屬鈦（海綿鈦）為銀灰色金屬。 鈦的密度為4.506-4.516克/立方厘米（20）。 熔點16684，熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子，沸點326020，汽化潛熱102.5-112.5千卡/克原子，臨界溫度4350，臨界壓力1130大氣壓。 鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導(dǎo)

15、性，純鈦的超導(dǎo)臨界溫度為 0.38-0.4K。 在25時，鈦的熱容為0.126卡/克原子度，熱焓1149卡/克原子，熵為7.33卡/克原子度。 金屬鈦是順磁性物質(zhì)，導(dǎo)磁率為1.00004。 鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達(dá)50-60%，斷面收縮率可達(dá)70-80%，但強度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。 鈦作為結(jié)構(gòu)材料所具有的良好機械性能，就是通過嚴(yán)格控制其中適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)含量和添加合金元素而達(dá)到的。 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)： 鈦在較高的溫度下， 可與許多元素和化合物發(fā)生反應(yīng)。 HF和氟化物 HCl和氯化物 硫酸和硫化氫 硝酸和王水第十二節(jié)第十二節(jié) TiO2（鈦白）的性質(zhì)（鈦白）的性質(zhì) TiO2（鈦白）是一種白色粉末

16、。主要物理性能如下： 密度(g/cm3)：金紅石型金紅石型4.261(0)，4.216(25)；銳鈦型銳鈦型3.881(0)，3.894(25)；板鈦型板鈦型4.135(0)，4.105(25)。 熔點：金紅石型熔點：金紅石型18426，熔化熱811J/g。 沸點：金紅石型26706，氣化熱(3762313)J/g。 TiO2是兩性化合物，是一種十分穩(wěn)定的化合物，它在許多無機和有機介質(zhì)中都有很好的穩(wěn)定性，它不溶于水和許多其他溶劑。 TiO2不溶于水，可溶于熱的濃硫酸、硝酸和苛性堿中。 TiO2在自然界中存在三種同素異形體，即金紅石型、銳鈦型和板鈦型三種。 工業(yè)上TiO2多數(shù)由偏鈦酸煅燒而成：

17、H2TiO3=TiO2+H2O 工業(yè)上生產(chǎn)鈦白的方法：硫酸法和氯化法。第十三節(jié)第十三節(jié) 低價鈦（低價鈦（Ti2O3、Ti3O5）的性質(zhì)）的性質(zhì) Ti2O3和Ti3O5均由TiO2在高溫下還原而獲得。 Ti2O3是一種紫黑色粉末。 在高鈦渣中存在的Ti3O5是一種黑色粉末。 Ti2O3密度為4.60g/cm3，25為4.53g/cm3。熔點1889，熔化熱為6.35kJ/g。 -Ti3O5密度為4.57g/cm3，-Ti3O5密度為4.29g/cm3。 在工業(yè)上生產(chǎn)高鈦渣時，少量的TiO2將被過還原為Ti2O3和Ti3O5兩種低價鈦。第十四節(jié)第十四節(jié) 偏鈦酸的性質(zhì)偏鈦酸的性質(zhì) 偏鈦酸（H2TiO

18、3）是一種白色粉末，是鈦白生產(chǎn)中的中間產(chǎn)物，加熱時變黃。 25時密度為4.3g/cm3。 偏鈦酸不導(dǎo)電。 鈦白生產(chǎn)過程中，Ti(SO4)2和TiOSO4的酸性溶液在沸水中水解生成偏鈦酸沉淀。 偏鈦酸不溶于水，也不溶于稀酸和堿溶液中，卻溶于熱濃硫酸。 偏鈦酸是不穩(wěn)定化合物，在煅燒時發(fā)生分解，生成TiO2。 第十五節(jié)第十五節(jié) 四氯化鈦（四氯化鈦（TiCl4）的性質(zhì)）的性質(zhì) 常溫下四氯化鈦是無色透明液體，在空氣中冒白煙，具有強烈的刺激性氣味。 主要物理參數(shù)為：熔點：-23.2，沸點135.9；液體蒸發(fā)熱(kJ/mol)=54.50.048T。 鎂 、鈉和鈣在高溫下都能把TiCl4還原為金屬鈦。 在約

19、1000下可還原為金屬鈦： 3TiCl4 +4Al=3Ti+ 4AlCl3 與氧在550開始反應(yīng)生成： TiCl4+O2=TiO2+2Cl2 在工業(yè)生產(chǎn)中，均采用氯化金紅石和高鈦渣等富鈦物料的方法來制取TiCl4。 四氯化鈦是鈦及其化合物生產(chǎn)過程的重要中間產(chǎn)品，為鈦工業(yè)生產(chǎn)的重要原料，并有著廣泛的用途。 TiCl4在工業(yè)中的主要用途有：生產(chǎn)金屬鈦的原料；生產(chǎn)鈦白的原料；生產(chǎn)三氯化鈦的原料；生產(chǎn)鈦酸酯及其衍生物等鈦有機化合物的原料；生產(chǎn)聚乙烯和三聚乙醛的催化劑，也是生產(chǎn)聚丙烯及其它烯烴聚合催化劑的原料；作發(fā)煙劑。 第十六節(jié)第十六節(jié) 碳化鈦（碳化鈦（TiC）的性質(zhì)）的性質(zhì) TiC是一種具有金屬光澤

20、的銅灰色結(jié)晶體，晶型構(gòu)造為正方晶系。20時密度為4.91g/cm3。 TiC具有很高的熔點和硬度很高的熔點和硬度，熔點為315010，沸點4300，升華熱為10.1kJ/g，莫式硬度為9.5，顯微硬度為2.795GPa，它的硬度硬度僅次于金剛石僅次于金剛石。 TiC具有良好的傳熱性能和導(dǎo)電性能，隨著溫度升高其導(dǎo)電性降低，這說明TiC具有金屬性質(zhì)。 TiC不溶于鹽酸，也不溶于沸騰的堿，但能溶于硝酸和王水中。 熔化的金屬鈦(18002400)直接與碳反應(yīng)生成TiC。一般在高溫(1800以上)真空下用碳還原TiO2制取TiC。 碳化鈦刀具碳化鈦刀具 碳化鈦是已知的最硬碳化鈦是已知的最硬的碳化物的碳化物，是生產(chǎn)硬質(zhì)合金的重