钛（化学符号 Ti，原子序数 22）是一种具有优异综合性能的过渡金属，其化合物在工业、医疗、航空航天等领域应用广泛。以下从钛单质、重要化合物、核心特性及应用场景四个维度展开详细介绍。

一、钛单质（Ti）：轻量与高强度的 “金属明星”

钛单质是目前工业中极具价值的结构金属，核心特性源于其独特的原子结构（电子排布：[Ar] 3d²4s²），使其兼具金属的强度与非金属的耐腐蚀性。

1. 物理特性

密度低、强度高：密度仅为 4.506 g/cm³（约为钢的 60%），但常温下抗拉强度可达 600-1000 MPa，且在 - 253℃（低温）至 600℃（中温）范围内强度保持稳定，是航空航天领域 “轻量化 + 高强度” 需求的核心材料。

熔点高：熔点约 1668℃，远高于铝（660℃）和钢（约 1538℃），可在高温工况下长期服役。

导热 / 导电率低：常温下导热率仅为 15.24 W/(m・K)（约为铜的 1/25），导电率约为铜的 3.1%，适合作为隔热、绝缘相关的结构部件。

2. 化学特性

常温稳定，高温活泼：

常温下钛表面会快速形成一层致密的氧化膜（TiO₂，厚度约 5-10 nm），这层膜能阻止内部金属进一步反应，因此钛在空气、淡水、海水及多数非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸）中耐腐蚀性优于不锈钢；但高温下（>600℃）会与 O₂、N₂、H₂等反应，生成 TiO₂、TiN、TiH₂，因此钛的冶炼需在惰性气体（如 Ar）保护下进行。

特殊反应性：能与浓硝酸、氢氟酸反应（氢氟酸会破坏氧化膜，生成 TiF₆²⁻络离子），也能与强碱缓慢反应生成钛酸盐。

3. 主要制备工艺

钛的冶炼采用 “克罗尔法（Kroll Process）”，核心步骤为：

钛铁矿（FeTiO₃）或金红石（TiO₂）与碳、氯气反应，生成四氯化钛（TiCl₄，液态，易提纯）；

在 800-900℃下，用镁（Mg）或钠（Na）还原 TiCl₄，得到 “海绵钛”；

海绵钛经真空电弧炉熔炼成钛锭，再加工成板材、管材、锻件等。

二、钛的重要化合物：从基础氧化物到功能性盐类

钛的常见化合价为 + 4（最稳定），少数情况下为 + 3、+2，不同化合物的结构与性能差异显著，应用场景各有侧重。

1. 二氧化钛（TiO₂）：“万能” 的白色功能材料

TiO₂是钛最常见、应用最广的化合物，天然存在于金红石、锐钛矿、板钛矿三种晶体结构中，其中金红石型稳定性最好，工业应用最广。

核心特性与应用

光学特性：折射率高（金红石型约 2.76）、遮盖力强（是立德粉的 2 倍、锌白的 3 倍），且无毒，是涂料、塑料、造纸行业的核心白色颜料（占全球白色颜料用量的 60% 以上），商品名 “钛白”。

光催化活性：在紫外线照射下，TiO₂表面会产生羟基自由基（・OH）和超氧阴离子（O₂⁻），具有强氧化能力，可分解有机污染物（如甲醛、苯）、杀菌（灭活细菌、病毒），因此被用于空气净化器滤网、自清洁玻璃（雨水冲刷可去除表面污渍）、污水处理催化剂。

光电特性：可作为染料敏化太阳能电池（DSSC）的光阳极材料，将光能转化为电能，是低成本太阳能利用的重要方向。

2. 四氯化钛（TiCl₄）：钛工业的 “桥梁化合物”

TiCl₄是一种无色（纯品）或淡黄色（含杂质）的液体，熔点 - 25℃，沸点 136.4℃，易水解、易挥发，是连接钛矿与钛单质 / 钛化合物的关键中间体。

主要用途

制备钛单质：如 “克罗尔法” 中，TiCl₄是镁还原制备海绵钛的核心原料；

制备 TiO₂：通过 “气相法”（TiCl₄与 O₂在高温下反应）生产纳米级 TiO₂，用于高端涂料、化妆品（防晒剂，可反射紫外线）；

其他领域：作为有机合成中的路易斯酸催化剂（如催化烯烃聚合），或用于烟幕弹（TiCl₄遇空气中的水蒸气水解生成 TiO₂白色烟雾，遮蔽视线）。

3. 钛酸盐与钛的络合物：功能性材料的 “潜力股”

钛酸盐：如钛酸钡（BaTiO₃）具有铁电特性（居里点约 120℃），是陶瓷电容器的核心材料（介电常数高，可实现电容器小型化）；钛酸锶（SrTiO₃）是高温超导材料的基底材料。

钛的络合物：如四异丙醇钛（Ti (OiPr)₄）是溶胶 - 凝胶法制备 TiO₂薄膜的前驱体，广泛用于微电子、光学涂层领域；钛的有机络合物（如二茂钛衍生物）还具有抗肿瘤活性，是潜在的抗癌药物研发方向。

三、钛及其化合物的核心应用领域

基于 “轻、强、耐腐、功能化” 的特性，钛及其化合物已渗透到多个关键行业：

四、注意事项

钛的加工难度：钛的弹性模量低（约 110 GPa，为钢的 1/2），加工时易变形，且高温下易与刀具反应，需采用专用刀具和工艺（如低温切削、惰性气体保护），导致加工成本较高；

TiCl₄的危险性：TiCl₄水解会生成盐酸（TiCl₄ + 2H₂O = TiO₂↓ + 4HCl），具有强腐蚀性，接触皮肤或黏膜会造成灼伤，操作时需穿戴防护装备；

钛合金的合金化：纯钛强度虽高，但低温韧性和高温强度仍需提升，工业中常加入 Al（提升强度）、V（改善韧性）、Mo（提升高温耐蚀性）等元素，形成 Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 等常用合金。