釩鈦的基本性質(zhì)

釩鈦材料2011年3月1課前復(fù)習(xí)前言第一章緒論（釩鈦材料概況）第一節(jié)釩礦物種類

第二節(jié)釩材料的分類

第三節(jié)釩材料的用途

第四節(jié)釩材料的發(fā)展史

第五節(jié)鈦礦物種類

第六節(jié)鈦材料分類第七節(jié)鈦材料的用途第八節(jié)鈦的發(fā)展史

第九節(jié)釩鈦材料今后的發(fā)展趨勢2本次課內(nèi)容提要

第二章釩鈦基本性質(zhì)

第一節(jié)金屬釩的性質(zhì)

第二節(jié)V-O系相圖

第三節(jié)V2O3的性質(zhì)

第四節(jié)VO2的性質(zhì)

第五節(jié)V2O5的性質(zhì)

第六節(jié)偏釩酸銨的性質(zhì)

第七節(jié)釩的某些二元非金屬化合物

第八節(jié)釩鐵性質(zhì)

3第九節(jié)釩鋁性質(zhì)第十節(jié)釩的毒性

第十一節(jié)金屬鈦的性質(zhì)

第十二節(jié)TiO2（鈦白）的性質(zhì)

第十三節(jié)低價(jià)鈦（Ti2O3、Ti3O5）性質(zhì)第十四節(jié)偏鈦酸的性質(zhì)

第十五節(jié)四氯化鈦（TiCl4）的性質(zhì)

第十六節(jié)碳化鈦（TiC）的性質(zhì)

第十七節(jié)正硫酸鈦Ti(SO4)2和硫酸氧鈦-（TiOSO4）的性質(zhì)

第十八節(jié)鈦的毒性

4第二章釩鈦基本性質(zhì)

第一節(jié)金屬釩的性質(zhì)釩是一種高熔點(diǎn)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。5釩具有較好的耐腐蝕性能，能耐淡水和海水的侵蝕，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：

6表金屬釩的物理性質(zhì)

性質(zhì)數(shù)據(jù)原子量50.9451熔點(diǎn)/℃1890±10沸點(diǎn)/℃3380密度/g/cm36.11比熱容(20℃)/J·(kg·K)-1533.72熱導(dǎo)率(20℃)/w·(m·K)-130.98超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度/K5.13線膨脹系數(shù)(0～100℃)，℃-18.3×10-6電阻率(20℃)/μΩ·cm24.8～26.0電阻溫度系數(shù)/Ω·cm·℃-12.18～2.76×10-8熱焓(0～100℃)/J·mol-124.62再結(jié)晶溫度/℃800～1000晶型立方7第二節(jié)V-O系相圖O(原子分?jǐn)?shù))%8

★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(3≤n≤9)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。9表釩氧化物的性質(zhì)氧化物晶系，顏色比重熔點(diǎn)/℃溶解性V2O2等軸，淺灰5.761790不溶水、溶于酸V2O3菱形，黑4.871970～2070不溶水、溶于HF及HNO3V2O4正方，蘭黑4.2～4.41545～1967微溶水、溶于酸及堿、不溶乙醇V2O5斜方，橙黃3.357650～690微溶水、溶于酸及堿、不溶乙醇10第三節(jié)V2O3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(qiáng)還原劑。熔點(diǎn)很高(2070℃)。具有導(dǎo)電性。11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、氨氣、天然氣、煤氣等氣體還原V2O5或釩酸銨制取。第四節(jié)VO2的性質(zhì)

二氧化釩是深蘭色晶體粉末，溫度超過128℃時(shí)為金紅石型結(jié)構(gòu)。VO2是兩性氧化物，溶于酸和堿。12VO2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。13提拉法制備VO2薄膜14第五節(jié)V2O5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(shí)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

15V2O5是兩性氧化物，與Na2CO3一起共熔得到不同的可溶性釩酸鈉。V2O5+3Na2CO3→2Na3VO4+3CO2V2O5+2Na2CO3→2Na4V2O7+2CO2V2O5+Na2CO3→2NaVO3+CO2

因?yàn)樵赩2O5晶格中比較穩(wěn)定地存在著脫除氧原子而得的陰離子空穴，因此在700～1125℃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)。162V2O52V2O4+O2V2O5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。17第六節(jié)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(shí)分解生成V2O4和V2O5。18表偏釩酸銨熱分解條件及產(chǎn)物

19除了偏釩酸銨外，五價(jià)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。20工業(yè)生產(chǎn)五氧化二釩時(shí)，采用酸性銨鹽沉釩時(shí)，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。21第七節(jié)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。22氮化釩合金23第八節(jié)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=0.895nm，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(diǎn)為1468℃（含V31%）。24第九節(jié)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25兩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

合金主要成份，%密度g/cm3熔化溫度℃VAlSiCFeV4045-55﹤4.0﹤2.0﹤0.26.71450FeV6050-652.01.50.157.01450-1600FeV8078-821.51.50.156.41680-1800V99﹥99﹤0.01﹤0.1﹤0.066.11910V80Al75-8515-200.40.055.21850-1870V40Al40-4555-60.0.30.13.81500-160026第十節(jié)釩的毒性釩作為一種微量元素存在于所有的動(dòng)植物的組織中，釩是人體內(nèi)必需的微量元素之一，對(duì)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，隨化合物價(jià)態(tài)升高而毒性增大，其中五價(jià)釩(Ⅴ)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)致癌和致畸變的記載。

27第十一節(jié)金屬鈦的性質(zhì)

原子結(jié)構(gòu)：鈦位于元素周期表中ⅣB族，原子序數(shù)為22，原子核由22個(gè)質(zhì)子和20-32個(gè)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(diǎn)1668±4℃，熔化潛熱3.7-5.0千卡/克原子，沸點(diǎn)3260±20℃，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。

28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)性，純鈦的超導(dǎo)臨界溫度為0.38-0.4K。在25℃時(shí)，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(qiáng)度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦?zhàn)鳛榻Y(jié)構(gòu)材料所具有的良好機(jī)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。29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30第十二節(jié)TiO2（鈦白）的性質(zhì)

TiO2（鈦白）是一種白色粉末。主要物理性能如下：

密度(g/cm3)：金紅石型4.261(0℃)，4.216(25℃)；銳鈦型3.881(0℃)，3.894(25℃)；板鈦型4.135(0℃)，4.105(25℃)。

31熔點(diǎn)：金紅石型1842±6℃，熔化熱811J/g。沸點(diǎn)：金紅石型2670±6℃，氣化熱(3762±313)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(jī)和有機(jī)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。32TiO2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：H2TiO3==TiO2+H2O工業(yè)上生產(chǎn)鈦白的方法：硫酸法和氯化法。33第十三節(jié)低價(jià)鈦（Ti2O3、Ti3O5）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(diǎn)1889℃，熔化熱為6.35kJ/g。α-Ti3O5密度為4.57g/cm3，β-Ti3O5密度為4.29g/cm3。34

在工業(yè)上生產(chǎn)高鈦渣時(shí)，少量的TiO2將被過還原為Ti2O3和Ti3O5兩種低價(jià)鈦。第十四節(jié)偏鈦酸的性質(zhì)

偏鈦酸（H2TiO3）是一種白色粉末，是鈦白生產(chǎn)中的中間產(chǎn)物，加熱時(shí)變黃。25℃時(shí)密度為4.3g/cm3。偏鈦酸不導(dǎo)電。35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(shí)發(fā)生分解，生成TiO2。

第十五節(jié)四氯化鈦（TiCl4）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(qiáng)烈的刺激性氣味。36主要物理參數(shù)為：熔點(diǎn)：-23.2℃，沸點(diǎn)135.9℃；液體蒸發(fā)熱(kJ/mol)=54.5±0.048T。鎂、鈉和鈣在高溫下都能把TiCl4還原為金屬鈦。在約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+2Cl237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(jī)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。38第十六節(jié)碳化鈦（TiC）的性質(zhì)

TiC是一種具有金屬光澤的銅灰色結(jié)晶體，晶型構(gòu)造為正方晶系。20℃時(shí)密度為4.91g/cm3。39TiC具有很高的熔點(diǎn)和硬度，熔點(diǎn)為3150℃±10℃，沸點(diǎn)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(1800～2400)℃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。

40碳化鈦刀具

碳化鈦是已知的最硬的碳化物，是生產(chǎn)硬質(zhì)合金的重要原料。

TiC