チタンは高溫で多くの元素や化合物と反応することができます。さまざまな元素は、チタンとの反応の違いに応じて 4 つのカテゴリに分類できます。
最初のカテゴリ: ハロゲンおよび酸素グループ元素とチタンは、共有結(jié)合およびイオン結(jié)合化合物を形成します。
2 番目のカテゴリー: 遷移元素、水素、ベリリウム、ホウ素、炭素、窒素元素は、チタンと金屬間化合物および有限固溶體を形成します。
3 番目のカテゴリー: ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、クロム、スカンジウム、チタンは無限の固溶體を形成します。
4番目のカテゴリー：不活性ガス、アルカリ金屬、アルカリ土類金屬、希土類元素（スカンジウムを除く）、アクチニウム、トリウムなどはチタンとは反応しません、または基本的に反応しません。加熱すると化合物HFおよびフッ化水素フッ化ガスと反応してTiF4を生成します。反応式は
Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0kcal
非水性フッ化水素液はチタン表面に緻密な四フッ化チタン膜を形成し、HF がチタンに浸入するのを防ぎます。フッ化水素酸はチタンにとって最も強(qiáng)力な溶媒です。濃度 1% のフッ化水素酸でもチタンと激しく反応する可能性があります。
2Ti+6HF=2TiF3+3H2
無水フッ化物およびその水溶液は、低溫ではチタンと反応せず、高溫で溶けるフッ化物のみがチタンと顕著に反応します。HCl および塩化水素ガスは金屬チタンを腐食する可能性があり、乾燥塩化水素は 300℃以上でチタンと反応して TiCl4 を形成します。
Ti+4HCl=TiCl4+2H2+94.75kcal
5% 未満の濃度の塩酸は室溫ではチタンと反応しませんが、20% の塩酸は室溫でチタンと反応して紫色の TiCl3 を生成します。
2Ti+6HCl=2TiCl3+3H2
高溫の場合は希塩酸でもチタンを腐食させます。マグネシウム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、水銀、スズ、カルシウム、ナトリウム、バリウム、NH4+ イオンおよびそれらの水溶液などのさまざまな無水塩化物は、チタンと反応しません。 高純度チタン これらの塩化物中に含まれており、安定性が良好です。硫酸と硫化水素チタンは 5% 硫酸で明らかな反応を起こします。室溫では、約 40% の硫酸がチタンに対して最も速い腐食速度を示します。濃度が40%を超えると腐食速度は遅くなり、濃度が60%、80%に達(dá)すると最も速くなります。希酸または 50% 濃硫酸を加熱すると、チタンと反応して硫酸チタンが形成されます。
Ti+H2SO4=TiSO4+H2
2Ti+3H2SO4=Ti2(SO4)3+3H2
加熱された濃硫酸はチタンによって還元されて SO2 を生成します。
2Ti+6H2SO4=Ti2(SO4)3+3SO2+6H2O+202kcal
チタンは室溫で硫化水素と反応して表面に保護(hù)膜を形成し、硫化水素とチタンのさらなる反応を防ぐことができます。しかし、高溫では硫化水素がチタンと反応して水素を生成します。
Ti+H2S=TiS+H2+70kcal
粉末チタンは600℃で硫化水素と反応して硫化チタンを形成します。反応生成物は、900℃では主に TiS、1200℃では Ti2S3 になります。硝酸と王水チタンの緻密で滑らかな表面は硝酸に対する安定性が良好です。これは、硝酸によりチタンの表面に強(qiáng)力な酸化膜が急速に形成されるためですが、特にスポンジチタンや粉末チタンの表面は粗くなります。第二に、熱希硝酸は次のように反応します。
3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO
3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO
70℃以上の濃硝酸もチタンと反応する可能性があります。
Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O
室溫ではチタンは王水と反応しません。溫度が高い場合、チタンは王水と反応して TiCl2 を生成します。Ti+8HNO3=Ti(NO3)4+4NO2+4H2O ⑾ まとめると、チタンの性質(zhì)は溫度、存在形態(tài)、純度と密接に関係しています。高密度の金屬チタンは本質(zhì)的に非常に安定していますが、粉末チタンは空気中で自然発火を引き起こす可能性があります。チタン中の不純物の存在は、チタンの物理的、化學(xué)的、機(jī)械的、耐食性に大きく影響します。特に、一部の格子間不純物はチタン格子を歪め、チタンのさまざまな特性に影響を與える可能性があります。チタンの化學(xué)活性は室溫では非常に小さく、フッ化水素酸などの少數(shù)の物質(zhì)と反応しますが、溫度が上昇すると活性が急激に高まり、特に高溫では多くの物質(zhì)と激しく反応します。チタンの精錬プロセスは一般に 800°C を超える高溫で行われるため、真空中または不活性雰囲気の保護(hù)下で操作する必要があります。金屬チタンの物理的性質(zhì) チタン (Ti) は灰色の金屬です。原子番號(hào)は 22、相対原子質(zhì)量は 47.87 です。副層內(nèi)の核外電子の配置は、1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d2 4S2 です。金屬の移動(dòng)度はマグネシウムとアルミニウムの間であり、室溫では安定しません。したがって、自然界には化學(xué)的な狀態(tài)でのみ存在します。一般的なチタン化合物には、イルメナイト (FeTiO3) およびルチル (TiO2) が含まれます。チタンは地殻中での含有量が比較的多く、第9位で5600ppm、割合に換算すると0.56%に達(dá)します。純チタンの密度は4.54×103kg/m3、モル體積は10.54cm3/mol、硬度は低く、モース硬度は4程度しかないため、延性が良好です。チタンは熱安定性に優(yōu)れており、融點(diǎn)は 1660±10°C、沸點(diǎn)は 3287°C です。金屬チタンの化學(xué)的性質(zhì) 金屬チタンは高溫環(huán)境下での還元能力が極めて強(qiáng)いです。酸素、炭素、窒素、その他多くの元素と結(jié)合する可能性があり、また一部の金屬酸化物 (アルミナなど) から酸素を奪うこともあります。チタンは室溫で酸素と結(jié)合して、非常に薄く緻密な酸化膜を形成します。この酸化皮膜は室溫では硝酸、希硫酸、希塩酸、酸の王様王水とは反応しません。フッ酸、濃塩酸、濃硫酸と反応します。
チタンは耐食性に優(yōu)れているため、化學(xué)工業(yè)でよく使用されます。かつて、化學(xué)反応器內(nèi)の熱硝酸を含む部品にはステンレス鋼が使用されていました。ステンレスも腐食性の強(qiáng)い高溫硝酸を恐れます。この種の部品は 6 か月ごとに交換する必要があります。これらの部品にはチタンが使用されており、ステンレス製の部品よりもコストは高くなりますが、5年間継続して使用できるため、計(jì)算するとはるかに費(fèi)用対効果が高くなります。
電気化學(xué)において、チタンは非常に負(fù)の電位を持つ一方向バルブ金屬であり、チタンを分解用の陽極として使用することは通常不可能です。
チタンの最大の欠點(diǎn)は抽出が難しいことです。その主な理由は、チタンが高溫で酸素、炭素、窒素、その他多くの元素と結(jié)合する強(qiáng)い能力を持っているためです。したがって、製錬でも鋳造でも、これらの元素がチタンに「侵入」しないように注意が払われます。チタンを精錬する際には、當(dāng)然ながら空気や水の接近は厳禁です。冶金學(xué)で一般的に使用されるアルミナるつぼも、チタンはアルミナから酸素を奪うため、使用が禁止されています。チタンを精製するには、不活性ガスであるヘリウムまたはアルゴン中でマグネシウムと四塩化チタンを反応させます。
人々は、高溫におけるチタンの非常に強(qiáng)力な化學(xué)的能力を利用します。製鋼中、窒素は溶鋼中に容易に溶解します。鋼塊が冷卻されると鋼塊中に気泡が発生し、鋼の品質(zhì)に影響を與えます。したがって、製鉄労働者は溶鋼に金屬チタンを加えて窒化処理を行い、スラグ窒化チタンとなり溶鋼の表面に浮遊するため、鋼塊は比較的純粋になります。
超音速航空機(jī)が飛行しているとき、翼の溫度は 500°C に達(dá)することがあります。比較的耐熱性の高いアルミニウム合金を使って翼を作ると、100度から200度、300度では圧倒されてしまいます。アルミニウム合金に代わるには、軽くて丈夫で高溫に強(qiáng)い材料が必要ですが、チタンはこれらの要件を満たすことができます。チタンは零下100度以上の試験に耐えることができます。この低溫でも、チタンは脆くなることなく良好な靭性を維持します。
チタンやジルコニウムの強(qiáng)力な空気吸著力を利用して、空気を抜き真空狀態(tài)を作ります。たとえば、チタン製の真空ポンプは、10兆分の1までしか空気を送り込むことができません。