钒钛的基本性质课件

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1、钒钛材料,攀枝花学院材料工程学院 2011年3月,课前复习,前言 第 一 章 绪论（钒钛材料概况） 第一节 钒矿物种类 第二节 钒材料的分类 第三节 钒材料的用途 第四节 钒材料的发展史 第五节 钛矿物种类 第六节 钛材料分类 第七节 钛材料的用途 第八节 钛的发展史 第九节 钒钛材料今后的发展趋势,本次课内容提要,第 二 章 钒钛基本性质 第一节 金属钒的性质 第二节 V-O系相图 第三节 V2O3的性质 第四节 VO2的性质 第五节 V2O5的性质 第六节 偏钒酸铵的性质 第七节 钒的某些二元非金属化合物 第八节 钒铁性质,第九节 钒铝性质 第十节 钒的毒性 第十一节 金属钛的性质 第十二

2、节 TiO2（钛白）的性质 第十三节 低价钛（Ti2O3、Ti3O5）性质 第十四节 偏钛酸的性质 第十五节 四氯化钛（TiCl4）的性质 第十六节 碳化钛（TiC）的性质 第十七节 正硫酸钛Ti(SO4)2和硫酸氧钛 （TiOSO4）的性质 第十八节 钛的毒性,第 二 章 钒钛基本性质,第一节 金属钒的性质,钒是一种高熔点难熔金属，常温下为固态，呈银灰色，具有体心立方晶格，原子序数23。 纯钒具有良好的延展性和可锻性，在常温下可制成片、丝和箔。 钒呈弱顺磁性，是电的不良导体。 钒的力学性能取决于它的纯度。 常温下钒的化学性质较稳定，但在高温下能与碳、硅、氮、氧、硫、氯、溴等大部分非金属元素生

3、成化合物。,钒具有较好的耐腐蚀性能，能耐淡水和海水的侵蚀，亦能耐氢氟酸以外的非氧化性酸(如盐酸、稀硫酸)和碱溶液的侵蚀，但能被氧化性酸(浓硫酸、浓氯酸、硝酸和王水)溶解。 金属钒的物理性质如下表所示：,表 金属钒的物理性质,第二节 V-O系相图,O(原子分数)%, 由氧-钒二元相图可知，钒有多种氧化物。 在V2O3和V2O4 之间，存在着可用通式VnO2n-1 (3n9)表示的同族氧化物。 在V2O4到V2O5之间，已知有V3O5、V3O7、V4O7、V4O9、V5O9、V6O11、V6O13等。 工业上钒氧化物主要是以五氧化二钒、四氧化二钒和三氧化二钒，特别是五氧化二钒的生产尤为重要。它们的

4、主要性质列于下表。,表 钒氧化物的性质,第三节 V2O3的性质,V2O3是灰黑色有光泽的结晶粉末；不溶于水及碱；是强还原剂。 熔点很高(2070)。 具有导电性。,常温下暴露于空气中数月后，被氧化变成靓青蓝色的VO2。 工业上制取方法：是用氢气、一氧化碳、氨气、天然气、煤气等气体还原V2O5或钒酸铵制取。,第四节 VO2的性质,二氧化钒是深兰色晶体粉末，温度超过128时为金红石型结构。 VO2是两性氧化物，溶于酸和碱。,VO2是钒氧化物中研究最多的一种，原因在于有金属非金属转变的性质。 由于VO2的薄膜形态不易因反复相变而受到损坏，因此，其薄膜形态受到了比其它粉体、块体更为广泛的研究。,提拉法

5、制备VO2薄膜,第五节 V2O5的性质,V2O5是一种无味、无嗅、有毒的橙黄色或红棕色的粉末，微溶于水(约0.07g/L)，溶液呈微黄色。 V2O5大约670熔融，冷却时结晶成黑紫色正交晶系的针状晶体。,片状五氧化二钒,粉状五氧化二钒,V2O5是两性氧化物，与Na2CO3一起共熔得到不同的可溶性钒酸钠。 V2O5+3Na2CO32Na3VO4+3CO2 V2O5+2Na2CO32Na4V2O7+2CO2 V2O5+Na2CO32NaVO3+CO2,因为在V2O5晶格中比较稳定地存在着脱除氧原子而得的阴离子空穴，因此在7001125范围内，可逆地失去氧，这种现象可解释为V2O5的催化性质。,2V

6、2O52V2O4+O2,V2O5可用偏钒酸铵在空气中于500左右分解制得。 V2O5是最重要的钒氧化物，工业上用量最大。工业五氧化二钒的生产，用含钒矿石、钒渣、含碳的油灰渣等提取，制得粉状或片状五氧化二钒。它大量作为制取钒合金的原料，少量作为催化剂。,第六节 偏钒酸铵的性质,偏钒酸铵(NH4VO3)是白色或带淡黄色的结晶粉末，在水中的溶解度较小。 偏钒酸铵是工业上生产V2O5的中间产物。 偏钒酸铵在真空中加热到135开始分解，超过210时分解生成V2O4和V2O5。,表 偏钒酸铵热分解条件及产物,除了偏钒酸铵外，五价钒(V5+)的铵盐还有很 多种，如： (NH4)2V4O11、(NH4)2V6

7、O16、(NH4)4V6O17、(NH4)4V10O27、(NH4)6V10O33、(NH4)2V12O31、(NH4)6V14O38、(NH4)10V18O40、(NH4)6V20O53、(NH4)8V26O69等。,工业生产五氧化二钒时，采用酸性铵盐沉钒时，在不同钒浓度和pH值等沉钒条件下，可以得到上述的钒酸铵沉淀，通常称之为多钒酸铵(英文缩写为APV)，是制取V2O5的中间产品，多为橙红色或橘黄色，也称为”黄饼”。 APV在水中的溶解度较小，随着温度升高，溶解度降低。 APV在空气中煅烧脱氨后，得到工业五氧化二钒。,第七节 钒的某些二元非金属化合物,钒的主要二元非金属化合物性质列于下表中

8、。,氮化钒合金,第八节 钒铁性质,V-Fe常温下为灰黑色金属。 V-Fe化合物为正方晶系，晶格常数a=0.895nm，c=0.462nm，c:a=0.516。 钒和铁之间可形成连续的固溶体；最低共熔点为1468（含V31%）。,第九节 钒铝性质,VAl 合金常温下为银灰色金属。 VAl化合物有不同的晶系：,(1)VAl3：正方晶格， 晶格常数a=0.5345nm，c=0.8322nm，c:a=1.577。 (2)VAl11：面心立方晶格，晶格常数a=1.4586nm。 (3)VAl6：六方晶格，晶格常数a=0.7718nm，c=1.715nm。 (4)V5Al8：体心立方晶格，晶格常数a=0.

9、9270nm。,钒铝合金,两种钒合金的密度及熔化温度见表。,表 钒合金的密度及熔化温度,第十节 钒的毒性 钒作为一种微量元素存在于所有的动植物的组织中，钒是人体内必需的微量元素之一，对人体的正常代谢有促进作用。 钒及其化合物通常具有毒性，随化合物价态升高而毒性增大，其中五价钒()的化合物毒性最大。 一般从事钒工艺生产的工作人员，并未发现致癌和致畸变的记载。,第十一节 金属钛的性质,原子结构 ：钛位于元素周期表中B族，原子序数为22，原子核由22个质子和20-32个中子组成。,物理性质： 金属钛（海绵钛）为银灰色金属。 钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20）。 熔点16684，熔化

10、潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点326020，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350，临界压力1130大气压。,钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。 在25时，钛的热容为0.126卡/克原子度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子度。 金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。 钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。,化学性质： 钛在较

11、高的温度下， 可与许多元素和化合物发生反应。 HF和氟化物 HCl和氯化物 硫酸和硫化氢 硝酸和王水,第十二节 TiO2（钛白）的性质,TiO2（钛白）是一种白色粉末。 主要物理性能如下：,密度(g/cm3)： 金红石型4.261(0)，4.216(25)； 锐钛型3.881(0)，3.894(25)； 板钛型4.135(0)，4.105(25)。,熔点：金红石型18426，熔化热811J/g。 沸点：金红石型26706，气化热(3762313)J/g。 TiO2是两性化合物，是一种十分稳定的化合物，它在许多无机和有机介质中都有很好的稳定性，它不溶于水和许多其他溶剂。 TiO2不溶于水，可溶于

12、热的浓硫酸、硝酸和苛性碱中。,TiO2在自然界中存在三种同素异形体，即金红石型、锐钛型和板钛型三种。 工业上TiO2多数由偏钛酸煅烧而成： H2TiO3=TiO2+H2O 工业上生产钛白的方法：硫酸法和氯化法。,第十三节 低价钛（Ti2O3、Ti3O5）的性质,Ti2O3和Ti3O5均由TiO2在高温下还原而获得。 Ti2O3是一种紫黑色粉末。 在高钛渣中存在的Ti3O5是一种黑色粉末。 Ti2O3密度为4.60g/cm3，25为4.53g/cm3。熔点1889，熔化热为6.35kJ/g。 -Ti3O5密度为4.57g/cm3，-Ti3O5密度为4.29g/cm3。,在工业上生产高钛渣时，少量

13、的TiO2将被过还原为Ti2O3和Ti3O5两种低价钛。,第十四节 偏钛酸的性质,偏钛酸（H2TiO3）是一种白色粉末，是钛白生产中的中间产物，加热时变黄。 25时密度为4.3g/cm3。 偏钛酸不导电。,钛白生产过程中，Ti(SO4)2和TiOSO4的酸性溶液在沸水中水解生成偏钛酸沉淀。 偏钛酸不溶于水，也不溶于稀酸和碱溶液中，却溶于热浓硫酸。 偏钛酸是不稳定化合物，在煅烧时发生分解，生成TiO2。,第十五节 四氯化钛（TiCl4）的性质,常温下四氯化钛是无色透明液体，在空气中冒白烟，具有强烈的刺激性气味。,主要物理参数为：熔点：-23.2，沸点135.9；液体蒸发热(kJ/mol)=54.

14、50.048T。 镁 、钠和钙在高温下都能把TiCl4还原为金属钛。 在约1000下可还原为金属钛：,3TiCl4 +4Al=3Ti+ 4AlCl3 与氧在550开始反应生成： TiCl4+O2=TiO2+2Cl2,在工业生产中，均采用氯化金红石和高钛渣等富钛物料的方法来制取TiCl4。 四氯化钛是钛及其化合物生产过程的重要中间产品，为钛工业生产的重要原料，并有着广泛的用途。,TiCl4在工业中的主要用途有：生产金属钛的原料；生产钛白的原料；生产三氯化钛的原料；生产钛酸酯及其衍生物等钛有机化合物的原料；生产聚乙烯和三聚乙醛的催化剂，也是生产聚丙烯及其它烯烃聚合催化剂的原料；作发烟剂。,第十六节

15、 碳化钛（TiC）的性质,TiC是一种具有金属光泽的铜灰色结晶体，晶型构造为正方晶系。 20时密度为4.91g/cm3。,TiC具有很高的熔点和硬度，熔点为315010，沸点4300，升华热为10.1kJ/g，莫式硬度为9.5，显微硬度为2.795GPa，它的硬度仅次于金刚石。 TiC具有良好的传热性能和导电性能，随着温度升高其导电性降低，这说明TiC具有金属性质。 TiC不溶于盐酸，也不溶于沸腾的碱，但能溶于硝酸和王水中。 熔化的金属钛(18002400)直接与碳反应生成TiC。一般在高温(1800以上)真空下用碳还原TiO2制取TiC。,碳化钛刀具,碳化钛是已知的最硬的碳化物，是生产硬质合

16、金的重要原料。,TiC还具有热硬度高、摩擦系数小、热导率低等特点，因此含有TiC的刀具比WC及其它材料的刀具具有更高的切削速度和更长的使用寿命。如果在其他材料(如WC)的刀具表面上沉积一层TiC薄层时，则可大大提高刀具的性能。,第十七节 硫酸钛Ti(SO4)2 和 硫酸氧钛（TiOSO4）的性质,硫酸钛是一种白色易吸湿粉末。 在硫酸法钛白生产过程中，钛矿与硫酸反应可生成硫酸钛，是一种中间产物。 在加热高于150时开始分解：,Ti(SO4)2=TiOSO4+SO3,TiOSO4是白色结晶，通常是以无定型粉末形式存在。 TiOSO4能溶于冷水中，生成硫酸基钛酸，被热水水解时生成偏钛酸。,TiOSO4+2H2O,H2TiO3+H2SO4,在硫酸法钛白生产过程中，钛矿与硫酸反应可生成硫酸氧钛，是一种中间产物。,FeTiO3+2H2S04,TiOSO4+FeSO4+2H2 O,第十八节 钛的毒性,金属钛和TiO2（钛白）是生物惰性物质，无毒。 氢化钛、碳化钛、氮化钛等不溶性化合物毒性很低，可使动物肺部轻微纤维化。 TiCl4能引起皮肤灼伤，是眼睛的强刺激物，有明显的毒