各种氧化钛的性质及其化学反应的区别，你知道吗？

时间：2022-07-02 12:05:08来源：网络整理

各种钛氧化物的性质及化学反应

TiO在Ti-O体系中形成固溶体，在TiO0.8～TiO1.22的组成范围内稳定。

A．物理性质

TiO，一种具有金属光泽的金黄色物质，存在两种变体（α，β），转变温度为991℃±5℃，转变热为53.4 J/ G。当温度低于991℃时，稳定的α-TiO为面心立方，晶格常数a =0.417 nm±0. 0005 nm；当温度高于991℃时，稳定的β-TiO也为面心立方。晶系，晶格常数a =0.4162 nm±0. 018 nm。 0℃时密度4.93g/cm 3 ，25℃时4.88g/cm 3 。莫氏硬度6，熔点1760℃，液蒸气压计算为：

lg(p /Pa) = 1387－3.91×106T－1＋7.75×10－2T (1）

沸点3227℃，20℃时电导率0.249μS/m。电导率随温度升高而降低，这是由于金的存在

特性的一个特征，20℃时磁化率1.38×10-6。

B．化学性质

Ti在TiO中的氧化态为+2，处于Ti的低氧化态，容易被氧化。是一种强还原剂，能与卤素反应生成卤化钛或卤氧化钛，如：

2TiO +4F 2=2TiF 4+O 2

TiO +Cl 2 =TiOCl 2

在空气中加热到400℃时，TiO开始逐渐氧化，当达到800℃时，氧化成TiO 2 ：

2TiO + O 2 = 2TiO 2

二氧化钛是一种碱性氧化物，溶于稀盐酸和稀硫酸，放出氢气：

2TiO +6HCl =2TiC13+2H 2O +H 2

2TiO +3H 2SO 4=Ti 2(SO 4)3+2H 2O +H 2

反应的本质不仅是一般的酸碱中和，还有氧化还原反应，反应过程中生成的Ti 2

+ 像活性金属一样置换这些酸中的氢。可见，Ti 2+ 在水溶液中极不稳定。

上述反应表明，TiO具有金属性质，在酸性溶液中能解离金属阳离子。以上两个反应都可以用

简化为离子式：2TiO +6H +=2Ti 3++ 2H 2O +H 2. TiO 在沸腾的硝酸中被氧化：

TiO +2HNO 3=TiO 2+2NO 2+H 2O

C．制备方法

TiO 2 可以通过用各种还原剂还原TiO 2 来制备。例如用镁还原时，反应如下：

1500TiO ＋MgTiO 3

TiO 2 也可以通过用还原剂如氢气、金属钛和碳还原TiO 2 来制备。反应进行如下：

TiO 2 + H 2 = TiO + H 2O (2000℃, 13～15MPa)

TiO 2＋Ti = 2TiO（高温）

TiO 2 + C =TiO + CO（高温）

在氯化钙或氟化物熔盐中电解二氧化钛时，二氧化钛也可以在阴极上析出。

2.二氧化钛

A.晶体结构

TiO2在自然界中具有三种同素异形体，即金红石、锐钛矿和板钛矿，它们的性质各不相同。其中，金红石型 TiO2 是三种变体中最稳定的，即使在高温下也不会发生转变和分解。金红石型TiO2的晶型属于四方晶系（见图1），晶格中心有一个钛原子，周围有六个氧原子，这些氧原子位于四角正八面体的结构。六配位的 Ti 和 3 配位的 O 共享 (TiO6）八面体的两个边缘平行于 c 轴的链。两个 TiO2 分子形成一个晶胞。它的晶格常数为a=0.@ >4584nm，c=0.2953nm。

锐钛型TiO2的晶型也属于四方晶系，由四个TiO2分子组成一个晶胞，其晶格常数a=0.3776nm，c=0.9486nm。锐钛型二氧化钛仅在低温下稳定，当温度达到610℃时开始缓慢转变为金红石。在730℃时，这种转变速度很快，在915℃时，可以完全转化为金红石。

片状钛TiO2的晶型属于斜方晶系，六个TiO2分子组成一个晶胞，晶格常数a=0.545nm，b=0.918nm，c=0. @>918 纳米。 Brookite型TiO2是一种不稳定的化合物，加热到650℃以上会转变为金红石型。

B.物理性质

TiO2为白色粉末，主要物理性质如下。

密度（g/cm3)：金红石型4.261（0℃），4.216（25℃）；锐钛矿型3.881（0℃） ), 3. 849 (25℃);板钛型4.135（0℃），4.105（25℃）。莫氏硬度：金红石型7～7.5，锐钛型5.5～6，板钛型5.5～6。熔点：金红石型1842℃±6℃，熔化热811J/g。沸点：金红石型2670℃±30℃，汽化热（3762±313) J/g。蒸气压：固体lg(p/Pa) = 2007－4. 03×106T－1 ; 液体 lg(p/Pa)= 1094－2.09×106T－1.

介电常数：金红石型粉末110-117；锐钛型粉末48；板钛型天然水晶78；金红石右单晶，a轴170，c轴86。电导率（S/m）：金红石单晶在30°C时a轴10-10，c轴10-13；在 227°C a 轴 10-7，c 轴 10-6。磁化率：(7.8～8.9)×10－8。折射率：金红石型2.71，锐钛型2.52。摩尔热容(200～1000℃，J/(mol·K))：金红石型55.2，锐钛矿型54.2。

C.化学性质

TiO2是一种化学性质非常稳定的弱两性氧化物，其碱性略强于酸性。 TiO2是一种非常稳定的化合物，它在许多无机和有机介质中都具有良好的稳定性。它不溶于水和许多其他溶剂。

金红石型二氧化钛仅在极高温度下分解，在常温下几乎不与其他元素和化合物发生反应。氧气、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等气体对TiO2没有影响，氯气很难与TiO2直接反应。 TiO2不溶于水、脂肪酸、其他有机酸和稀无机酸（氢氟酸除外）。

一个。减少

在高温下，TiO 2 可以被多种还原剂还原。还原产物取决于还原剂的类型和还原条件。一般为低价氧化钛。只有少数强还原剂可以将其还原为金属钛。

干燥的氢气流在750～1000℃缓慢通过TiO 2 ，还原形成Ti 2O 3 ：

2TiO 2+H 2=Ti 2O 3+H 2O

在2000°C和13-15MPa的温度下，在氢气中还原成TiO：TiO 2 + H 2 =TiO +H 2O 。加热后的二氧化钛可通过钠蒸气和锌蒸气还原为亚价氧化钛：

4TiO 2+4Na =Ti 2O 3+TiO + Na 4TiO 4

TiO 2+Zn =TiO +ZnO

铝、镁、钙可以在高温下将TiO 2 还原为低价氧化钛，也可以在高真空下还原为金属钛，如：3TiO 2+4Al = 2Al 2O 3+3Ti 。然而，通过TiO2还原得到的钛金属通常具有较高的氧含量。金属钛在高温下可将TiO 2 还原为低价氧化钛：

3TiO 2＋Ti =2Ti 2O 3

TiO 2＋Ti =2TiO

Cu相钼在加热到1000℃以上也能还原TiO 2 。高温下碳可以将TiO 2 还原为低价氧化钛和碳化钛：

TiO 2+C =TiO +CO

TiO 2＋3C ??

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1800TiC + 2CO TiO 2 与CaH 2 反应生成钛氢化物：TiO 2 + 2CaH 2 = TiH 2 + 2CaO +H 2 反应生成的TiH 2 可在高温真空下脱氢得到金属钛.

b.与卤素和卤化物的反应

TiO 2 易与F 2 反应生成TiF 4 ，放出氧气：TiO 2+2F 2=TiF 4+O 2 。TiO 2 难以与Cl 2 反应，即使在1000℃反应也不完全℃：TiO 2+2Cl 2=TiCl 4+O 2 在碳还原剂存在下，TiO 2 可与热氯气流反应，反应同时生成CO和CO 2 。反应式为：

TiO 2+C +2Cl 2=TiCl 4+CO 2

TiO 2+2C +2Cl 2=TiCl 4+2CO

该特性用于TiCl4的工业生产。

TiO 2 与氟化氢反应生成水溶性氟氧钛酸。 TiO 2 还可与气态氯化氢或液态氯化氢反应生成二氯二氧钛酸：

TiO 2+4HF =H 2[TiOF 4]+H 2O

TiO 2＋2HCl =H 2[TiO 2Cl 2]

TiCl 4 是由 TiO 2 与氯化氢在 800℃以上的温度下发生碳化反应生成的。

TiO 2+2C +4HCl =TiCl 4+2CO +2H 2

在高温下，TiO 2 可以与其他氯化物反应生成TiCl 4 ，例如：TiO 2+2SOCl 2=TiCl 4+2SO 2 。在高温下，TiO 2 可以与多种金属卤化物反应生成钛酸盐，如：2TiO 2+2KF =K 2TiO 3+K 2[TiOF 4] 。

c。与氮和氨化合物反应

TiO 2 在正常条件下不与氮反应，但加热时可与氮和氢的混合物反应生成氮化钛：

TiO 2+N 2+2H 2=TiN 2+2H 2O

在高温下，TiO2与氨反应生成氮化钛：6TiO2+8NH3=6TiN+12H2O+N2。

d。与无机酸、碱和盐的反应

TiO 2 不溶于水，但能与过氧化氢反应生成过氧偏钛酸。除氢氟酸外，TiO 2 不溶于其他稀无机酸，不同浓度的氢氟酸可溶解TiO 2 生成氧氟钛酸。 TiO2可溶于热浓硫酸、硝酸和苛性碱，也能很好地溶解在饱和碳酸氢钾溶液中。金红石型TiO2难溶于浓硫酸。

TiO 2+H 2SO 4=TiOSO 4+H 2O

在低于235℃的温度下加热，或加入双氧水、硫酸铵或碱金属硫酸盐时，可加速金红石型TiO2在浓硫酸中的溶解。与酸性硫酸盐反应表明TiO 2 在微观上呈弱碱性：

TiO 2+4KHS04=Ti(S04)2+2K 2S04+2H 2O

此属性用于分析化学。与熔融状态的碳酸钠或碳酸钡反应，表明TiO 2 呈微酸性：TiO 2 + BaCO 3 = BaTiO 3 + CO 2 。

e。与有机化合物的反应

TiO 2 不溶于大多数有机化合物，在低温下也不与它们反应，而只能在高温下与有机化合物反应，如：

4TiO 2＋CH 4??

→?℃10004TiO ＋CO 2＋2H 2O TiO 2＋CCl 4 ??

→?>℃300TiCl 4＋CO 2 TiO 2＋C 6H 4(CCl 3)2??

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?→?℃270~220TiCl 4+C 6H 4(COCl) 2 在高温下，TiO 2 可被乙醇和丙醇还原为TiO，甚至可以还原为金属钛：

TiO 2+C 2H 5OH =TiO +C 2H 4O +H 2O

TiO 2+2C 2H 5OH =Ti +2C 2H 4O +2H 2O

TiO 2 作为涂料用二氧化钛，为白色粉末，如图1-8所示。主要物理性质如下：

密度(g/cm3)：金红石型4.261(0℃)，4.216(25℃)；锐钛矿型3.881(0℃) ), 3.894(25℃);板钛型4.135(0℃)，4.105(25℃)。熔点：金红石型1842±6℃，熔化热811J/g。沸点：金红石型2670±6℃，汽化热（3762±313)J/g.

TiO 2 是一种两性化合物，非常稳定的化合物，在许多无机和有机介质中具有良好的稳定性，不溶于水和许多其他溶剂。 TiO2不溶于水，溶于热浓硫酸、硝酸和苛性碱。

TiO 2 在自然界中以三种同素异形体形式存在，即金红石、锐钛矿和板钛矿。晶型如图1-9所示。在工业上，TiO 2 多采用偏钛酸煅烧：H 2TiO 3==TiO 2+H 2O 。

钛白粉的工业生产方法有：硫酸法和氯化法。

二氧化钛的颜料性能：二氧化钛是当今最好的白色颜料，其光学和颜料性能优于其他白色颜料。

A．百度。白度是指物质对可见光的吸收和反射的比率。相对白度是波长和粒径的函数。晶体结构完善，对可见光有极强的光吸收作用，散射能力强，即晶体在可见光中以相同的幅度散射，故呈白色。 TiO 2 的折射率高于其他物质，因此二氧化钛是各种白色颜料中最白的。

影响白度的主要因素是二氧化钛中杂质的种类和数量、晶型和颗粒形状、粒度和粒度分布。 B. 消色差功率。消色力是指一种颜料与另一种颜料混合后的消色能力。 TiO 2 具有最高的折射率，因此在白色颜料中具有最高的消色力。消色力不仅与颜料的折射率有关，还与其粒径和粒径分布有关。当二氧化钛颗粒的平均粒径在0.2-0.3μm范围内，粒径分布宽度较窄时，对可见光蓝波段的散射能力增强，彩色背景相呈现柔和的蓝色相。

图2 商业二氧化钛图3 金红石TiO 2 晶体结构

C．隐藏力量。遮盖力是指颜料遮盖被涂物体背景颜色的能力。颜料的遮盖力不仅取决于其晶型、折射率和对光的散射能力，还取决于其吸收光的能力。二氧化钛是一种遮盖颜料，由于其明显的晶体结构和优异的光学性能，因此在白色颜料中，二氧化钛的遮盖力最大。

D.吸油。吸油率是表示颜料粉末和载体之间关系的物理值。它不仅描述了颜料粉末与载体之间的混合比、润湿性和分散性能，还涉及涂料的配方和成膜后的各种物理性能。在一些水性涂料和水分散二氧化钛颜料中，吸油率也称为吸水率。

E.分散。二氧化钛的分散性是其极为重要的特性。二氧化钛具有亲水疏油性能，在合成树脂有机体系中的分散性较差，需要进行表面处理以提高其分散性。

为了提高二氧化钛在聚合物介质中的分散性，需要进行有机涂层处理，使其具有有机友好的表面。即在二氧化钛颗粒表面建立聚合物吸附层，形成空间屏障，使颜料颗粒不能相互靠近二氧化钛分解有机物，从而提高其分散性。

F。耐候性。对于钛白粉来说，耐候性是指含有钛白粉颜料的有机介质（如涂膜）暴露在阳光下，抵抗大气作用，避免泛黄、失光和粉化的能力。耐候性主要取决于颜料的光学性质和化学成分，还取决于暴露于自然光的条件（如光强、光谱分布、温度、相对湿度以及大气污染物的性质和数量等）。 .

3.三氧化钛

Ti 2O 3 在Ti-O体系中形成固溶体二氧化钛分解有机物，在TiO 1.46～TiO 1.56的组成范围内稳定。

A．物理性质

Ti 2O 3 是一种紫黑色粉末，存在两种变体（α、β），相变温度为200°C，相变热为6.35J/g。低温稳定态α-Ti 2O 3 属于菱面体，晶格常数a=0.524nm，c=1.361nm，α=56°36'。高温稳定态为β-Ti 2O 3 。Ti2O3在水中的溶解度很小。

Ti 2O 3 10℃时密度4.60g/cm 3 ，25℃时4.53g/cm 3 ，熔点1839℃，熔化热0.78kJ /g 。液态 Ti2O3 在 3200°C 时分解。 Ti 2 O 3 具有P型半导体特性。

B．化学性质

Ti 2O 3 是一种弱碱性氧化物。当Ti 2O 3 蒸发成气态时，发生歧化反应：

Ti 2O 3 =TiO +TiO 2

歧化平衡压力（Pa）可用下式表示：

lg(p p 2TiO TiO )=2879－8.6×106T－1－0.167T (2）

当 Ti2O3 歧化时，TiO2 和 TiO2 的压力如表 1 所示。Ti2O3 只有在非常高的温度下才会在空气中氧化成 TiO2：2Ti2O3+O2=4TiO2。

表1 Ti2O3歧化反应的平衡压力(kPa)

平衡压力t/℃

2000

2200 20 3000 3200 p 总计 2.0482×10－2

0.160 0.807 3.471 13.114 37.772 101.880 p 二氧化钛 5.32 ×10－4

8.645×10－3 8.911×10－3 0.611 2.740 12.236 39.235 p 2TiO

1.995×10－2 1.42 0.718

2.873 10.374 25.536 61.845 Ti 2O 3 不溶于水，也不与稀盐酸、稀硫酸反应酸和硝酸。在浓硫酸中形成紫色溶液：

Ti 2O 3＋3H 2SO 4=Ti 2(SO 4)3＋3H 2O

Ti 2O 3 能与氢氟酸和王水反应放热。它还溶于熔融的硫酸氢钾并被氧化：

Ti 2O 3+4KHSO 4=K 2[TiO 2(SO 4)]+K 2[TiO(SO 4)2]+SO 2+2H 2O

Ti 2O 3 与CaO、MgO等金属氧化物熔融时发生反应生成复盐。

C．制备方法

Ti 2O 3 可以通过用各种还原剂还原TiO 2 来制备。例如用镁还原时，反应为：

800~750Ti 2O 3＋Mg

当氢气作为还原剂时，干燥的氢气流缓慢通过TiO 2 并加热到750～1000℃，TiO 2 也被还原为Ti 2 O 3 ：2TiO 2+H 2=Ti 2O 3+H 2O.

钛作为还原剂时，TiO 2 也可以在高温下被还原：3TiO 2+Ti =2Ti 2O 3 。 4.五氧化钛

Ti 3O 5 在Ti-O体系中形成固溶体，在TiO 1.67～TiO 1.79的组成范围内稳定。 Ti 3O 5 具有α、β、γ、δ、λ等多种晶型。

α-Ti 3O 5 属于斜方晶系，其成分可视为TiO 6 ，通过共享边和不动点形成连续的三维骨架。当温度降至 453 K 以下时，金属-绝缘体突然转变为电子有序的 β 相，属于单斜晶系。 γ-Ti 3O 5 只存在于低温下，当温度达到236K时会转变为δ-Ti 3O 5 ，λ是近年来发现的新相，它与β-Ti 3O 5 用固定波长激光照射它可以相互光致相变。由于两相结构具有不同的电导率、反射率、导磁率等，可以满足数据存储开关的功能要求，并通过控制材料颗粒、晶粒尺寸和激光照射参数实现光学的高密度存储。光盘可以实现，在光存储领域有很好的应用前景。这些不同相的Ti 3O 5 会随着温度的变化而具有不同的结构和不同的电性能。

Ti 3O 5 具有良好的导电性，可达630S/cm ，以及耐酸碱和耐腐蚀。与TiO 2 和ZrO 2 材料相比，具有耐温性好的优点。此外，作为非化学计量化合物，Ti 3O 5 含有大量氧空位，其O/Ti原子比在1.66-1.70范围内变化。正是由于含有大量氧空位，Ti 3O 5 含有5 具有较高的准自由电子浓度，其电阻会随着气氛的变化而变化。

在室温下的单斜晶Ti3O5晶体结构中，Ti原子可分为三种占有率，可视为被氧原子包裹的八面体。因此晶体结构可以看成是一个变形的TiO6八面体，通过共享边和不动点形成一个连续的三维骨架。可以看出沿<-103>方向有一排八面体，只有6条边共享。

Ti 3O 5 通常以两种变体形式存在，转变温度为 177°C。高钛渣中的Ti3O5为蓝黑色粉末。 Ti3O5可用作真空镀膜材料。

Ti 2O 3 和Ti 3O 5 都是在高温下还原TiO 2 得到的。 Ti2O3 为紫黑色粉末。高钛渣中的Ti3O5为黑色粉末。

Ti 2O 3 密度4.60g/cm 3 ，25℃时4.53g/cm 3 ，熔点1889℃，熔化热6.35kJ/g。 α-Ti 2O 5 的密度为4.57g/cm 3 ，β-Ti 2O 5 的密度为4.29g/cm 3 。Ti 2O 5 的熔点为2180℃，且晶格常数 (nm) a=0.3747.

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