能上天能入海，還能修補(bǔ)骨骼“鈦”厲害了，它的本事你都想不到

□文/魯超

銀光閃閃的純鈦

它是被稱(chēng)為“太空元素”的第22號(hào)元素，是制造大型航空、航天、潛水裝備的優(yōu)質(zhì)原料。在生活中，它可以用于制造飾品、運(yùn)動(dòng)器材等，還可以用于修復(fù)骨骼損傷。正因?yàn)橛猛緩V泛，它還被稱(chēng)為“21世紀(jì)的金屬”。

它的真面目究竟是什么？它到底有著什么樣的優(yōu)點(diǎn)，值得世人對(duì)它如此贊賞？一起來(lái)看一下吧。

隱身許久的新元素

1791年，英國(guó)一位熱愛(ài)地質(zhì)學(xué)的牧師格雷戈?duì)栐谟⒏裉m西部康沃爾發(fā)現(xiàn)了一種黑砂礦，一開(kāi)始他以為這是磁鐵礦，因?yàn)檫@種礦石可以被磁鐵吸引。他仔細(xì)分析后，發(fā)現(xiàn)其中有相當(dāng)多的氧化鐵，但還剩下45.25%的成分是一種白色氧化物。他無(wú)法確定這是什么物質(zhì)，因?yàn)檫@種白色氧化物和當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的所有物質(zhì)的性質(zhì)都無(wú)法匹配。他猜想這其中可能有一種跟鐵類(lèi)似的新金屬元素，于是提交了關(guān)于這一發(fā)現(xiàn)的報(bào)告。

1795年，德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特研究了金紅石（較純凈的二氧化鈦），認(rèn)為其中有一種新元素。因?yàn)檫@種新元素是從土里提煉出來(lái)的，所以他引用古希臘神話里泰坦巨人的名字，將它命名為“Titanium”，翻譯成中文就是“鈦”。他聽(tīng)說(shuō)格雷戈?duì)柕陌l(fā)現(xiàn)后，確認(rèn)他們發(fā)現(xiàn)的是同一種元素。他發(fā)揚(yáng)了風(fēng)格，并沒(méi)有跟格雷戈?duì)柸?zhēng)奪“鈦的發(fā)現(xiàn)者”的名號(hào)，而他給鈦元素的命名則被廣為接受。

鈦被確認(rèn)為元素以后，仍然隱身了很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)樘崛〕鰜?lái)的二氧化鈦的性質(zhì)穩(wěn)定，很難分解，即使在高溫下用電將鈦分解出來(lái)，它也會(huì)馬上和周?chē)难?、氮等劇烈化合，單質(zhì)的鈦太難制取了。

一直到1910年，美國(guó)化學(xué)家亨特在700～800℃高溫下用鈉還原四氯化鈦，終于得到了純度99.9%的金屬鈦。這種方法被稱(chēng)為“亨特法”。

亨特法使用的還原劑是昂貴的鈉，仍然不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要。1932年，來(lái)自盧森堡的美國(guó)科學(xué)家克羅爾用相對(duì)便宜的鈣在高溫下還原四氯化鈦獲得成功。1940年，他又在氬氣的保護(hù)下用更加易于保存的鎂代替鈣還原四氯化鈦來(lái)制備純鈦，這種方法一直沿用至今，被稱(chēng)為“克羅爾法”。

千萬(wàn)不要以為克羅爾法生產(chǎn)出來(lái)的就是閃閃發(fā)亮的鈦金屬了，事實(shí)上，從反應(yīng)釜里出來(lái)的是一種多孔的、看起來(lái)像海綿的灰色物質(zhì)，被稱(chēng)為“海綿鈦”。把它們放到電爐中熔化成液體，才能鑄成鈦錠。

21世紀(jì)的金屬

鈦是一種銀白色的金屬，密度是4.5克/立方厘米，這一密度雖然比鋁大一點(diǎn)，卻比銅、鐵小很多；它的強(qiáng)度雖然不如鋼，但如果考慮到它的密度，它的比強(qiáng)度（強(qiáng)度和表現(xiàn)密度的比值）位于金屬之首，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼鐵；它的熔點(diǎn)高達(dá)1 668℃，比鐵、銅都要高，鎂、鋁就更不用提了。在常溫下，它會(huì)與氧氣化合生成一層致密的氧化薄膜，不管是硫酸、鹽酸、硝酸還是燒堿，只要是稀溶液，都不能傷它分毫，甚至稀王水也奈何不了它，這說(shuō)明它具有極強(qiáng)的耐腐蝕性。有好事者做過(guò)實(shí)驗(yàn)，將一塊純鈦沉入海底，5年后撈上來(lái)，發(fā)現(xiàn)上面附著了很多海藻和浮游生物，把表面擦拭干凈以后，鈦仍然是銀光閃閃，一點(diǎn)兒都沒(méi)有被腐蝕。

鈦的這些特性立刻被美蘇兩大軍事集團(tuán)盯上。20世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)嘗試用鈦來(lái)建造潛艇，在阿爾法級(jí)和麥克級(jí)潛艇里都能看到鈦的身影。設(shè)計(jì)者正是看上了鈦不僅不會(huì)被腐蝕，而且還沒(méi)有磁性，不會(huì)受到磁性水雷攻擊的特性。

蘇聯(lián)和現(xiàn)在的俄羅斯都很重視鈦工業(yè)，據(jù)2006年的統(tǒng)計(jì)，俄羅斯的VSMPO-AVISMA公司是世界上最大的鈦金屬制造商，全世界30%的鈦金屬都是他們生產(chǎn)的。

美國(guó)則在二戰(zhàn)后開(kāi)始使用鈦來(lái)制造飛機(jī)，當(dāng)時(shí)比較著名的機(jī)型有F100戰(zhàn)斗機(jī)、SR-71偵察機(jī)等。美國(guó)一直將鈦金屬作為國(guó)家戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備，直到蘇聯(lián)解體以后，正逢鈦已經(jīng)大規(guī)模商業(yè)化，美國(guó)才開(kāi)始減少自己的鈦金屬儲(chǔ)備。即便這樣，一直到2000年，冷戰(zhàn)時(shí)期的鈦金屬儲(chǔ)備都沒(méi)用完。

蘇聯(lián)阿爾法級(jí)潛艇

“朱諾號(hào)”探測(cè)器

美國(guó)SR-71偵察機(jī)，別稱(chēng)“黑鳥(niǎo)”

緊隨軍用，民用飛機(jī)也迅速用上了鈦。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年2/3的鈦都被用于制造民用飛機(jī)，一架波音777就要用掉59噸鈦，一架空客380甚至要用掉77噸鈦。

鈦更被人類(lèi)帶入太空，在探索木星的“朱諾號(hào)”探測(cè)器上就使用了鈦。相信在未來(lái)的太空時(shí)代，鈦這種太空元素將會(huì)發(fā)揮更大的作用。

它就在我們身邊

其實(shí)，鈦不光應(yīng)用在高精尖領(lǐng)域，它早已來(lái)到我們身邊。

鈦合金具有特有的銀灰色調(diào)，不論是高拋光、絲光、亞光，都有很好的光澤，因而被珠寶商用來(lái)制造戒指、項(xiàng)鏈等。在一些西方國(guó)家，鈦金已經(jīng)和黃金、鉑金并列。

鈦還是做運(yùn)動(dòng)器械的最好材料。鈦合金的網(wǎng)球拍非常高檔，高爾夫球桿也不例外。

若肢體出了某些問(wèn)題，也可以請(qǐng)鈦來(lái)修補(bǔ)。鈦及鈦合金的密度與人類(lèi)骨骼接近，與體內(nèi)各種有機(jī)物不起化學(xué)反應(yīng)，且親和力強(qiáng)，易為人體所容納，對(duì)任何消毒方式都能適用，是一種理想的醫(yī)用材料。

鈦不易腐蝕的優(yōu)點(diǎn)還讓它成了建筑、雕塑里的亮點(diǎn)。青銅很容易發(fā)綠，鋼鐵也容易被腐蝕，而鈦合金的雕塑可以一直保持原來(lái)的面貌。

鈦的化合物用途就更廣了。鈦的氧化物二氧化鈦，俗稱(chēng)“鈦白粉”，是世界上“最白”的東西，1克鈦白粉就可以把 450平方厘米的面積涂得雪白。每年世界上有幾十萬(wàn)噸二氧化鈦被用作白色顏料。

此外，還可以將鈦白粉當(dāng)成像碳酸鈣一樣的填料，摻入塑料、紙張、牙膏、化妝品里。跟碳酸鈣不同的是，鈦白粉更白，更耐高溫，更適合海洋環(huán)境。但更讓人驚訝的是，鈦白粉的折光率竟然比鉆石還高，這就讓它更耐日曬，將它摻在防曬霜里面，防曬效果倍增。

21世紀(jì)已經(jīng)掀開(kāi)新篇章，希望化學(xué)工作者們?cè)俳釉賲?，讓鈦元素發(fā)揮更大的作用。

用鈦合金來(lái)修復(fù)骨骼

用鈦合金作為結(jié)構(gòu)的建筑，很難被腐蝕