鈦

1791年，英國牧師W.Gregor在黑磁鐵礦中發現了一種新的金屬元素。 ^[2] 

1795年，德國化學家M.H.Klaproth在研究金紅石時也發現了該元素，並以希臘神Titans命名之。 ^[2] 

1910年，美國科學家M.A.Hunter首次用鈉還原TiCI4製取了純鈦。 ^[2] 

1940年，盧森堡科學家W.J.Kroll用鎂還原TiCl4製得了純鈦。從此，鎂還原法（又稱為克勞爾法）和鈉還原法（又稱為亨特法）成為生產海綿鈦的工業方法。 ^[2] 

1948年，美國用鎂還原法制出2t海綿鈦，從此開始了鈦的工業化生產。 ^[2] 

鈦的原子序數為22，核外電子數共有22個，其電子構型為1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d²4s²（[Ar]3d²4s²）。鈦單質有兩種同素異構體：α-Ti和β-Ti。α-Ti是六方晶系，原子堆積方式為六方密堆積，原子空間利用率為74%。β-Ti為立方晶格，原子堆積方式為體心立方密堆積，原子空間利用率為68%。另外，當鈦晶體中出現少量的缺陷時會影響晶體的性質，如機械強度、導電性等。 ^[3] 

鈦相對密度為4.506，熔點1668℃，沸點3287℃。電阻率42x10⁻⁸Ω·m（20℃）。因表面有致密氧化物而抗腐蝕，常温下不和氧氣、鹵素及水反應，紅熱時和氧反應生成二氧化鈦。不與硝酸、稀硫酸和鹼反應，但可溶於濃硫酸、氫氟酸和王水等。 ^[1] 

鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達50—60%，斷面收縮率可達70—80%，但強度低，不宜作結構材料。鈦中雜質的存在，對其機械性能影響極大，特別是間隙雜質（氧、氮、碳）可大大提高鈦的強度，顯著降低其塑性。鈦作為結構材料所具有的良好機械性能，就是通過嚴格控制其中適當的雜質含量和添加合金元素而達到的。

鈦一旦在空氣中開始燃燒，就會發出極為明亮的白色火焰，生成二氧化鈦（TiO₂）和氮化鈦（TiN）。金屬鈦甚至可以在純淨的氮氣中燃燒生成氮化鈦。 ^[4] 

金屬鈦會與水蒸氣發生反應而生成氧化鈦（Ⅳ）（TiO₂）和氫氣（H₂）。 ^[4] 

鈦在加熱時會與鹵素單質發生反應，並生成鹵化鈦（Ⅳ）。與氟的反應大約發生於200℃。鈦與氟氣（F₂）、氯氣（Cl₂）、溴單質（Br₂）、碘單質（I₂）反應分別生成氟化鈦（Ⅳ）（TiF₄）、氯化鈦（Ⅳ）（TiCl₄）、溴化鈦（Ⅳ）（TiBr₄）和碘化鈦（Ⅳ）（TiI₄）。 ^[4] 

稀的氫氟酸水溶液與鈦反應生成絡合離子和氫氣（H₂）：

金屬鈦不能在室温下與無機酸發生反應，但是能與熱的鹽酸反應生成鈦（Ⅲ）的配合物。 ^[4] 

冶煉鈦時，要經過複雜的步驟。把鈦鐵礦變成四氯化鈦，再放到密封的不鏽鋼罐中，充以氬氣，使它們與金屬鎂反應，就得到海綿鈦。海綿鈦是不能直接使用的，還必須把海綿鈦在電爐中融化成液體，才能鑄成鈦錠。但這種電爐要很高的技術，除了電爐的空氣必須抽乾淨外，更傷腦筋的是，簡直找不到盛裝液態鈦的坩堝，因為一般耐火材料都含有氧化物，而其中的氧就會被液態鈦奪走。後來，人們終於發明了一種“水冷銅坩堝”的電爐。這種電爐只有中央一部分區域很熱，其餘部分都是冷的，鈦在電爐中熔化後，流到用水冷卻的銅坩堝壁上，馬上凝成鈦錠。

工業上大量生產鈦的方法是克洛爾法：首先用氯氣和碳作用於鈦鐵礦（TiFeO₃）或金紅石（TiO₂）來生產金屬鈦。然後通過蒸餾，將所得到的四氯化鈦（TiCl₄）同三氯化鐵（FeCl₃）分離。最後，用金屬鎂（Mg）還原四氯化鈦，得到金屬鈦。生產過程中應該排除空氣，以避免鈦同氧氣或氮氣發生反應，生成雜質。 ^[4] 

鈦具有十分優異的性能，因而得到了廣泛應用。其應用領域主要有：航空航天、艦船製造、化工石化、交通運輸、兵器、海洋、電力、建築、冶金、醫療、運動器械、生活用品和輕工業等。美國和俄羅斯的大部分鈦加工材是應用在航空航天領域，約佔80%左右，與之相反的是，日本和中國則是將80%應用於化工、一般民用工業及民生用品領域。從世界用鈦的需求來看，2005年的結構比例是：宇航佔35%，軍用佔12%，工業佔38%，民用和其他佔15%。 ^[2] 

兵器工業中，鈦被應用於：坦克、戰車、導彈、大小炮體、機槍、噴火器、頭盔、防彈衣、防爆手套等。 ^[2] 

冶金工業中，鈦被應用於：耐腐蝕容器、電解槽、反應器、濃縮器、分離器、熱交換器、冷卻器、各種泵和閥、渦輪葉片、連接配管、配件等。 ^[2] 

海洋工程中，鈦被用於：海水淡化、海洋石油鑽探、海洋熱能轉換電站。 ^[2] 

運動器械方面，鈦被用於：高爾夫球杆、球頭、網球拍、擊劍保護面罩、寶劍、短跑鞋釘、登山工具、滑雪板、滑雪鞋、滑雪杖、冰刀、潛水衣、釣具、帳篷杆等。 ^[2] 

生活用品方面，鈦被用於：眼鏡架、手錶、電腦、照相機、遊戲機、手機、天線、樂器、廚房用具、工藝品等。 ^[2] 

航空工業是研製和應用鈦及鈦合金最早的部門，飛機和發動機如果沒有鈦，實際上就不可能製造出Ma2.7的超音速飛機。鈦合金在飛機結構中主要用於骨架、蒙皮、機身隔框、起落架、防火壁、機翼、尾翼、縱梁、艙蓋、倍加器、龍骨、速動制動閘、停機裝置、緊固件、前機輪、拱形架、襟翼滑軌、復板、路標燈和信號板等。 ^[2] 

鈦在航天工業中應用也做到了減輕發射重量、增加射程、節省費用，是航天工業的熱門材料。在火箭、導彈和航天工業中可用作壓力容器、燃料貯箱、火箭發動機殼體、火箭噴嘴套管、人造衞星外殼、載人宇宙飛船船艙（蒙皮及結構骨架）、起落架、登月艙、推進系統等。航天用鈦除了工業純鈦Ti64（ELI）、Ti-5Al-2.5Sn（ELI）外，還使用了Ti-7Al-4Mo，Ti-3Al-2.5V，Ti-13V11Cr-3Al，Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al及Ti/B-Al複合材料。 ^[2] 

鈦及鈦合金廣泛應用於核潛艇、深潛器、原子能破冰船、水翼船、氣墊船、掃雷艇，以及螺旋槳推進器、鞭狀天線、海水管路、冷凝器、熱交換器、聲學裝置、消防設備上，主要合金有工業純鈦、Ti64， Ti64ELI，Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo，Ti-3Al2.5V，IIT-3B，IIT-7M等。 ^[2] 

鈦在汽車上應用很廣泛，主要有：連桿、曲軸、擋圈、氣門、進氣閥、排氣閥、制動壓力管道密封圈、輪圈螺桿、轉向齒條和小齒輪、彈簧、消音器、排氣裝置、車輪的襯套及軸承、各種半軸、緊固件等。汽車產品採用鈦合金製造零部件的最突出的優點是：減輕質量、延長使用壽命、提高可靠性、節省燃油、不含鉛鈷等有害金屬、耐腐蝕、抗高温能力大大提高。 ^[2] 

鈦在摩托車上主要用於排氣管、消音器、套筒、懸掛彈簧、鏈輪、傳動鏈條及螺釘等。 ^[2] 

鈦材在化學和石化工業中應用，有電解槽（電極）、反應器、濃縮器、分離器、熱交換器、冷卻器、吸收塔、連接配管、配件（法蘭盤、螺栓、螺母）墊圈、泵、閥等。化學工業用鈦量最大行業是氯鹼製造，佔總用鈦量的50%，從其次是純鹼佔20%，塑料佔17%，有機化工佔10%，無機化工佔3%。在用鈦的各種化工設備中換熱器最多，佔鈦材用量的52%，其次為陽極佔24%、容器、管和泵閥佔19%，其他佔有5%。下面以熱交換器、鈦金屬陽極、濕氯氣冷卻器為例，説明鈦制設備的優點。 ^[2] 

醫療器械方面，鈦被用於：頭顱骨、心臟盒、起搏器、人工關節、牙弓絲、血管支架、假肢、骨髓針、光催化劑等。 ^[2] 

鈦礦主要為釩鈦磁鐵礦中的鈦礦、金紅石礦和鈦鐵礦砂礦等。 ^[11]  全球鈦礦資源儲量豐富，鈦鐵礦儲量/產量佔比最高。鈦在地球上的儲量十分豐富，地殼丰度為0.61%，海水含鈦1×10^-7單位，其含量比常見的銅、鎳、錫、鉛、鋅都要高。根據美國地質勘探局（USGS）數據，2022年全球鈦儲量7億噸，其中鈦鐵礦儲量為6.5億噸，佔比92.86%， 較上一年下降7.14%，主要受澳大利亞老礦山關停影響，金紅石儲量為0.49億噸，佔比7.54%；產量上，鈦鐵礦產量為890萬噸，佔總產量比例為93.68%，金紅石產量為59萬噸，佔比6.21%。 ^[5] 

鈦鐵礦主要分佈在亞洲、大洋洲和歐洲，國內鈦鐵礦儲量居前。儲量前五的國家分別為中國（29.23%）、澳大利亞（24.62%）、印度（13.08%）、巴西（6.62%）和挪威（5.69%），其中中國和澳大利亞兩國的儲量佔比就達到全球儲量的一半以上。金紅石主要分佈在北美洲、非洲和亞洲，澳大利亞儲量佔比達63.27%。儲量前五的國家分別為澳大利亞（63.27%）、印度（15.10%）、南非（13.27%）、烏克蘭（5.10%）和莫桑比克（1.82%）。 ^[5] 

中國鈦釩儲藏量居世界第一，佔全世界70%左右。中國鈦釩礦資源主要分佈在四川、雲南、廣西等西部地區，以攀枝花為主要儲藏地。攀枝花的二氧化鈦保有儲量8.98億噸，其中表內儲量5.978億噸，約佔全國儲量的93%，世界儲量的59%。 ^[11] 

在機械處理金屬鈦過程中也接觸鈦氧化物的煙塵。生產過程中所用四氯化鈦能使人患有慢性支氣管炎、慢性肥厚性鼻炎、咽炎。植物神經系統機能紊亂，腱反射增強、眼瞼和手震顫、多汗。接觸10％四氯化鈦溶液的人出現熱灼傷較難癒合。 ^[6] 

隔離泄漏污染區，限制出入。切斷火源。建議應急處理人員戴防塵面具（全面罩），穿防毒服。不要直接接觸泄漏物。小量泄漏：避免揚塵，用潔淨的鏟子收集於乾燥、潔淨、有蓋的容器中。轉移回收。大量泄漏：用塑料布、帆布覆蓋。使用無火花工具轉移回收。 ^[8] 

金屬鈦、二氧化鈦和碳化鈦屬低毒類。 ^[8] 

有人使用納米級和微米級二氧化鈦進行實驗，探究其對小鼠肺部影響，大鼠用乙醚麻醉後，採用非暴露式氣管滴注法，按0.001mL /g染毒，每週2次，連續4周。納米TiO₂32mg/kg組損傷嚴重，40%—50%肺組織肺泡擴張不良或閉塞，肺泡腔內及肺泡間隔、肺泡壁常見吞噬棕黃色異物顆粒的巨噬細胞，常呈團塊狀，也見於小支氣管腔內，部分可能進入淋巴管或毛細血管內，支氣管上皮脱落，肺泡間隔內淋巴細胞、巨噬細胞、纖維細胞增多，間隔增寬，可見淋巴細胞聚集小結。微米TiO₂32mg/kg組出現大量褐色折光性顆粒，分佈於肺泡腔、壁、間隔內，少數散在大鼠呼吸道，結果顯示，納米TiO₂暴露在一定程度上能引起大鼠的肺組織抗氧化平衡失調、病理損傷及超微結構的改變，且同濃度的納米TiO₂比微米TiO₂氧化損傷更嚴重。 ^[9] 

金屬鈦，氧化鈦，碳化鈦等不溶性鈦毒性低，口服吸收量少，不顯示毒性反應。金屬鈦植入機體未見有病理反應。吸入鈦的不溶性化合物，未見肺部有嚴重損害，其致纖維化作用甚微。用含鈦飲水長期飼養動物未見對生長髮育有影響，也未見腫瘤發生。

國際癌症研究機構於2006年將TiO₂列為可疑人類致癌物，其致癌性評估主要依賴於動物實驗結果，缺乏充分的人羣流行病學證據。隨着我國TiO₂生產規模的擴大，應用行業的增加，職業人羣接觸TiO₂的機會劇增。 ^[10] 

鈦是一種相對穩定的金屬，在正常環境下不易發生化學反應。然而，為了確保其質量和性能，在存儲和處理過程中仍需要採取一些措施。儲存時以不少於25%的水潤濕、鈍化。最好存放在相對濕度低於50%的環境中。鈦金屬在長時間暴露於陽光下或紫外線下容易發生氧化反應，因此應儘量避免陽光直射或紫外線照射，以保持其表面的光澤和質量。鈦金屬在與一些金屬接觸時容易發生電化學反應，產生腐蝕，因此應避免與其他金屬接觸，特別是在潮濕環境中。遠離火種、熱源。庫温不超過35℃，保持容器密封，嚴禁與空氣接觸。應與氧化劑、酸類、鹵素等分開存放，切忌混儲。配備相應品種和數量的消防器材。儲區應備有合適的材料收容泄漏物。定期檢查存儲的鈦金屬，確保其外觀沒有明顯變化或腐蝕跡象。如發現有問題，應及時採取措施處理。 ^[8] 

密閉操作，局部排風。操作人員必須經過專門培訓，嚴格遵守操作規程。建議操作人員佩戴自吸過濾式防塵口罩，戴安全防護眼鏡，穿透氣型防毒服，戴防毒物滲透手套。遠離火種、熱源，工作場所嚴禁吸煙。使用防爆型的通風系統和設備。 ^[7]  避免產生粉塵。避免與氧化劑、酸類、鹵素接觸。在氬氣中操作處置。搬運時要輕裝輕卸，防止包裝及容器損壞。配備相應品種和數量的消防器材及泄漏應急處理設備。倒空的容器可能殘留有害物。 ^[8] 

為安全起見，儲存時常以不少於25%的水潤濕、鈍化。儲存於陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫温不超過30℃，相對濕度不超過80%。保持容器密封，嚴禁與空氣接觸。應與氧化劑、酸類、鹵素等分開存放，切忌混儲。配備相應品種和數量的消防器材。儲區應備有合適的材料收容泄漏物。 ^[8] 

運輸時運輸車輛應配備相應品種和數量的消防器材及泄漏應急處理設備。裝運該品的車輛排氣管須有阻火裝置。運輸過程中要確保容器不泄漏、不倒塌、不墜落、不損壞。嚴禁與氧化劑、酸類、鹵素、食用化學品等混裝混運。運輸途中應防曝曬、雨淋，防高温。中途停留時應遠離火種、熱源。車輛運輸完畢應進行徹底清掃。鐵路運輸時要禁止溜放。 ^[8]