鈦的自述
97/06/11
瀏覽次數
28912
蘇明德｜
嘉義大學應用化學系
如果有人問：「飛機是用什麼製造的？」你一定會毫不猶豫地回答：「鋁合金。」不錯，鋁合金在飛機製造業中確實立下了大功，直到現在，還是許多飛行工具的主要材料。不過，隨著飛機飛行速度的加快，由於摩擦生熱使飛機表面溫度不斷升高，這時鋁合金就吃不消了，而用耐熱的不銹鋼又太笨重，這可怎麼辦？別急，我金屬「鈦」和我的合金可以解決這個問題。如果沒有我，就算有製造3倍音速飛機的技術也沒有用。
我是化學周期表的第 22 號元素，符號是 Ti。首先，自我介紹一下我是如何被發現的。其實我的發現相當不尋常，因為發現我的是一位神職人員，是英國業餘礦物學家葛瑞格（R.W. Gregor, 1761−1817年）牧師，地點在英國科沃爾郡（Cornwall）的一個偏遠村莊。
大約兩百年前，葛瑞格牧師分析他在孟納坎（Menaccan）教區附近發現的一粒黑色沙粒，他之所以覺得這粒沙子很奇怪，是因為它會被磁鐵吸住。他盡他的能力去分析，並且推算出它是由兩種金屬氧化物組成的，其中之一是氧化鐵，但他無法知道另一種是什麼。
他的科學素養只能讓他了解到這一定是某種還未被人發現的金屬氧化物，他把這項發現呈報給「皇家地質學會」，另外寫了一篇論文發表在 1791 年的德國科學雜誌 Crell's Ammalen 上。4 年後，由德國化學家克拉普洛斯（M.H. Klaproth, 1743−1817）確認了我，他也替我這個新元素以希臘神話中「泰坦」（Titans）（「泰坦」是希臘神話中曾統治世界的巨人族的成員）的名字命名為「鈦」（Titanium）。
其實，克拉普洛斯確認的只是我的氧化物，一種白色的晶體粉末（即二氧化鈦，TiO2）。葛瑞格和克拉普洛斯都未能活到親眼看到我的純金屬。在自然界中，我並不會以純物質出現，因為我的氧化物極為穩定，而且我的金屬態能和氧、氮、氫、碳等直接激烈地化合，以致純鈦很難從氧化礦石中提煉出來。許多化學家都試圖從我的化合物中分離出純淨的「鈦」，但都宣告失敗，因此我一直被人們認為是一種稀有金屬。
19 世紀時，曾提煉出不純的鈦樣本，一直到了 1910 年，服務於美國通用電氣公司的工程師漢特（M. Hunter）才第一次製得純度達 99.9％ 的金屬鈦。從發現鈦元素到製得純品，歷時一百多年。而我真正被利用、展現真面目，則是 1950 年代以後的事了。
也許大家對我－「鈦」比較生疏。我是個過渡金屬元素，在地殼中的蘊藏居第 10 位，在金屬中次於鋁、鐵、鈣、鈉、鉀和鎂。我的主要礦物有鈦鐵礦（FeTiO3）、金紅石（TiO2）和組成複雜的釩鈦鐵礦，著名的產區是在蘇聯，中國熱河灤平縣也有豐富的蘊藏量，河北省冀東一帶也有礦苗的發現，世界上已探明的鈦儲藏量約有一半分布在中國。
多年前很難得到純粹的「鈦」，近來才因為提煉方法的改善，產量大大地增加，也因而更顯露出我的原有性質。理論上製造純鈦的方法極為簡單。先從不純的氧化物裡分開鐵，用氯處理得到一種揮發性的液體－四氯化鈦。再在密閉的鐵製反應室裡和鎂混合，因為鎂的化學活潑性比較大，便可以把我還原成金屬狀態。從反應過程中得到的純鈦，是一種海綿狀的金屬，熔融後可以鑄造成錠。
雖是如此，實際上在提煉中有其困難度。在加熱時很難控制我，因為在高溫下我的活性特別大，會吸收空氣中的氧和氮。只要有 1％ 的這些氣體，就完全毀壞了我的鍛造性，使我和浮石一樣脆弱。因此在製造過程中的每一個階段，必須和空氣隔離，或者是填以鈍氣（像氦或氬），或者在真空中進行。
此外在使用鎂還原四氯化鈦時，也另有困難。溫度如果不能調節在攝氏 1,600 度以下，我便會溶解反應室的鐵壁。可是溫度的調節是一件麻煩事，因為這個反應會放出巨量的熱，而我是熱的不良導體，除非是用小的反應室，熱才能擴散得比較快。這大概是每次產量限制在 125 公斤的原因，除非採用另一種不同的方法。
用精製過的海綿狀鈦鑄造錠塊，困難度就更高了。因為我在電爐裡熔融的時候，雖然可以用填充鈍氣或真空的方法，讓我不會吸收大氣中的氧和氮，但是無法避免我溶解坩鍋和電爐的內部，且對別種金屬適用的玻璃狀氧化物，像氧化鋁，也對我無效。簡單地說，即使最穩定的這類物質也得把氧讓給我。
另外，最近的研究指出：如果不太在乎有少量的碳在我裡面，精緻的碳質坩鍋勉強可以採用。但是，如果希望會損傷我的延展性的雜質受到嚴格的限制，就必須使我的成分裡不能含有絲毫的碳，那麼就連碳質坩鍋都不能使用了。
一旦我被融鑄成錠，爾後就不需要保持在真空中了，其鍛造、熱輾、冷製、抽絲、推管等提煉過程都沒有困難。雖然在攝氏 1,300 度以上時仍須用鋼包裹，以隔絕和氮、氧的接觸，然而在常溫下，我是可以和其他金屬一樣地處理的。
我的機械性質和不銹鋼相似，可以用同樣的裝置磨削。我在長時間加熱以後，會形成一層黑色極硬的殼，必須用碳化物的工具才能磨掉它。不過在鑽削、切斷方面，我並不比不銹鋼難。雖然如此，我還是不能完全取代鐵、鋁的地位，原因是目前我的生產成本仍比鐵或鋁高。此外在鑄造、提純、加工等方面，也有很多待克服的困難。
在製備我的合金時，主要困難是在加熱到熔點以前要吸收大量的氧和氮，這嚴重影響了合金的塑性。其次是熔融的我能和任何一種已知的製造坩鍋的耐火材料起化學反應，因此需要用特殊方法製備我的合金，現在主要是用粉末冶金法。
雖然很難製造，但花費鉅資提煉我是很值得的。機器和儀器的設計師們老早就盼望著有一種金屬或合金，具備一些重要的性能，如比重小、強度高、耐熱性高和抗腐蝕性強。我的機械強度和鋼相近，密度比鋼小（我的密度是 4.54 g/cm3，鋼的密度是 7.9 g/cm3），可以和多種金屬形成合金。我的抗張強度不亞於不銹鋼和優質鋁合金，我也容易焊接、鍛造和熱處理。純粹的我的強度是每平方公分 80 公斤，用冷處理或製成合金的方法很容易提高到每平方公分 112 ~ 133 公斤，是一種新興的結構材料。
我具有一項重要的特性，就是加熱到攝氏 537 度，仍能保持自己的強度，而我的合金更可以加熱到攝氏 650 度。當溫度在攝氏 315 度左右，鎂和鋁合金的強度就已經急遽下降了，而我卻能承受這種高溫且不降低機械強度。因此，在航空工業中，人們大量使用我和我的合金製造噴氣引擎，以及飛機、火箭等的機體和零件。
1960 年代，美國建造一架「SR−71 黑鳥」號超音速噴氣式偵察機，每小時能飛 3,500 多公里，是音速的 3 倍，這種飛機機身的主要零件就是用我的合金製造的。現在，我已在飛機製造業中站穩腳跟，民航客機的主要零件，從引擎、副翼、方向舵，甚至螺釘、螺帽，到處都可以看到我的影子。據統計，美國每年生產的鈦，75％ 用於製造飛機的機體構件和引擎零件。
我的合金還是航空工程的必備材料，飛彈、火箭的外殼，太空船的船艙、骨架和其他高壓容器，都要用我或我的合金來製造。用我製造的盛液氧和液氫的燃料箱，能禁得起超低溫的考驗，其他金屬材料則會發脆。太空人在宇宙空間建設太空站、組裝設備時，我還被選做主要的結構材料，因為我在真空中很容易焊接和切割。正因為我是製造飛機、火箭、太空船等最好的材料，所以被譽為「宇宙金屬」是當之無愧的。
我的化學性質在高溫下變得很活潑，能和大氣中的氧和氮化合，在室溫時卻顯現出極大的鈍性。我原來就是個活潑的化學元素，活潑性介於錳和鋁之間。但在常溫或冷凍時，我的外表有一層看不見的氧化物薄膜包著，使我成為鈍性，就像鋁和鎂在常溫時一樣，阻止我繼續和其他物質發生化學反應。
我也不易被任意濃度的硝酸、稀硫酸、各種弱鹼性溶液所腐蝕，但能溶解在鹽酸、濃硫酸、王水和氫氟酸中。也正因為我能夠耐得住硝酸和氯氣，化學工程師就用我來建構深海鑽油平臺。
在酸性溶液中，從標準電極電勢來看，我是屬於還原性很強的金屬，但因為我的表面容易生成緻密、鈍性氧化物薄膜，使我具有優良的抗腐蝕性，特別是對海水的抗腐蝕力很強。用我製造的輪船不用塗漆，在海水中也不會生銹，因此我可以說具有極強的抗腐蝕性。化學家曾做過一對比試驗，把生鐵、不銹鋼和鈦 3 種材料分別製成幫浦（pump），注入腐蝕液，並靜放 3 晝夜後，生鐵幫浦就被「吃掉」了，不銹鋼幫浦堅持了 10 天，而鈦幫浦半年後仍一切正常。
在常溫下，我除了不易被稀酸、鹼液腐蝕外，對潮濕的氯氣和海水的耐腐蝕能力也很強，對海水的耐腐蝕能力可與大名鼎鼎的鉑相媲美。正因把我或我的合金放在海水中泡上幾年仍能保持光亮，所以我是製造軍艦、輪船的理想材料。
用我製造的潛艇、水翼船和快艇，不僅重量輕、航速快、載重大、使用壽命長，由於不是磁性物質，用我製造的軍艦、潛水艇，不會被磁性水雷發現和跟蹤。此外，還能抗深水壓力，例如鈦潛艇能在深達 4,500 公尺的水下航行，這是一般鋼製艦艇不能到達的深度。
雖然我在常溫下不活潑，但在高溫時，能直接和許多非金屬或金屬生成填隙式化合物或合金。例如把我加入鋼水中用來脫氧、除氮和去硫，以改善鋼的性能，可使「鈦鋼」堅韌而有彈性。
鈦工業是從 1930 年代開始的，當時的油漆製造業者想找出可以取代白鉛的原料，於是找上二氧化鈦（TiO2）。二氧化鈦的英文名稱是 titania，恰好是莎士比亞名劇《仲夏夜之夢》（A Midsummer Night's Dream）裡的仙女女王的名字。這種化學品現在是一種年產量 300 萬噸的大產業。
我的氧化物－二氧化鈦（簡稱鈦白）是世界上最穩定的白色物質，1 公克鈦白就可以把 450 平方公分的面積塗得雪白，它的遮蓋性大於鋅白，持久性高於鉛白，是一種寶貴的白色常用顏料，如今已是世界上最重要的顏料之一。鈦白不僅雪白，而且沾附性很強，不易起化學變化。特別可貴的是，鈦白無毒、不會褪色、有非常高的折光指數。
鑽石雖以光彩奪目而比鈦白有名，但二氧化鈦的折光指數甚至比鑽石高。折光指數是指分散光線的能力，因為折光力高，所以二氧化鈦可以讓冰箱、洗衣機和烘乾機的外表又白又亮。也正因鈦白用途廣泛，除用做高級白色顏料外，家裡雪白的廚具、塑膠水管和油漆都是鈦白的功勞，馬路上的白漆標線、白色橡膠、高級紙張等的填充劑，以及合成纖維的消光劑也要用到鈦白。又因二氧化鈦的熔點很高（攝氏 1,800 度），因此還常用來製造耐火玻璃、耐高溫的實驗器皿、瓷釉、琺琅等。
二氧化鈦的另一個主要用途，是混合在植物油裡做為白色塗料。這種塗料性能很優秀，遮光力強，覆蓋力大，1 磅二氧化鈦相當於 5 磅最好的鋇鋅塗料。因為二氧化鈦的遮光力極大，所以可以應用在造紙工業上，使極薄的紙不透明，可做為航空信件用紙。
二氧化鈦總產量的一半除了用來製造油漆外，有四分之一用在塑膠產品裡，像是手提袋、窗戶和水管，其他則用來製成紙、合成纖維和陶瓷。少量用在化妝品裡，因為它很安全，甚至還用在食品中，像是冰糖和糖果。二氧化鈦還會吸收陽光中有害的紫外線，因此拿來做保護窗戶的塑膠窗框，以及製成防曬油，在陽光下保護人體。
先前提過鈦白是個重要的白色顏料，事實上，鈦白的光學性質取決於粒子的大小。比如說，可見光可透過鈦白的奈米粒子，但紫外光不能透過，正因如此，鈦白在防日曬、化妝品工業上成為熱門必需品。除此之外，鈦白的表面反應性可利用來和各式各樣的氧化物鍵結，展現出各種不同的光吸收度和光反應。鈦白也是個高效率的半導體物質，它的應用在現今高科技工業上正如火如荼地開發中。
二氧化鈦的生產過程分成幾個階段。老式的生產方法是把鈦礦石放進硫酸中溶解，讓濕氧化物沉澱，接著再以攝氏 100 度加熱。最新的生產方法是使用氯氣把礦石轉變成四氯化鈦，接著在攝氏 1 千度和氧進行氧化，如果是在攝氏 2 千度進行氧化，效果更佳。
附帶一提的是，四氯化鈦也是鈦工業的重要化學品之一。這種晶瑩剔透、容易揮發的液體，會在攝氏 136 度沸騰，因此很容易精煉。在電熔爐裡用鎂、鈉金屬和四氯化鈦加熱，就會釋放出我－鈦金屬。並且在接觸潮濕空氣後，四氯化鈦會形成一層厚厚的二氧化鈦微粒的白霧。在第二次世界大戰中，美國空軍就用四氯化鈦製造煙霧屏障，以保護目標免受攻擊。
此外，在冶金工業中，可以用我來脫氧和淨化，改善合金的機械性能。在化學工業中，也可以用我來製造能夠承受反射作用的設備。在電器－無線電工業中，也可以用我來生產熱電偶、電子管、發熱器材等。我和我的合金還可以用來生產人造寶石、外科醫療器具。在製造金屬切削工具時，更可以用來代替硬質合金中的碳化鎢。從我的性能和各種用途，不難看出我對現代工業化的重要性。
最近鈦自行車令體育界興奮不已，很多自行車手認為鈦自行車集重量輕、強度大於一身，差不多是一種「神奇的交通工具」。不幸的是，就目前工藝水準來說，這種自行車非常昂貴。
我的耐化學腐蝕性使我成為極有價值的醫療工具，例如由於不和體內組織發生反應，鈦釘常用骨科手術中。在 1950 年代，外科醫師注意到我是修補斷裂骨骼的最佳材料。我不會被體液侵蝕，也沒有毒性，能夠和骨骼結合在一起，不會被身體排斥。臀骨和膝蓋的代用品、心律調整器、金屬骨板，以及供頭蓋骨破裂傷患使用的金屬頭蓋骨，都是用我－鈦金屬製造的，可以留在體內長達 20 年。
正因為我在醫學上有獨特的用途，可以用來代替損壞的骨骼，這種鈦骨猶如真的骨骼一樣，因此也稱為「親生物金屬」。英國王儲查理王子曾因手肘斷裂，由諾丁罕大學附設醫院的外科醫師用鈦金屬板替他修補斷裂的肘骨。著名的機車賽車手巴里．辛恩（Bary Sheen）在一次嚴重的賽車車禍中折斷好幾根骨頭，據說就是用鈦金屬製成的架子把斷裂的骨頭固定住的。
鈦植入器用來附著假牙，要先把植入器的栓子插入顎骨，再裝上假牙。這種技術是瑞典哥特堡的伯英華．布拉尼馬克（Per-Ingvar Branemark）發明的，他在 1965 年開始以這種技術替病人植入假牙。鈦植入法的成功要素是必須使用高純度的我－鈦金屬，並且要絕對乾淨。為了達到這個目的，必須使用電漿弧（plasma arc）除掉我－鈦金屬的表層原子，讓新的金屬層暴露出來後立即氧化，身體組織會和這個氧化層緊密地結合在一起。
除此之外，我也在「齊格爾－那他」催化劑（Zigler−Natta catalyst）中扮演催化的主角，這個催化劑的出現已成為高分子合成化學的重要里程碑。也正因為如此，使得人們開始意識到：其他的過渡元素也很有希望成為重要的催化主角，於是展開利用其他過渡元素催化反應的大搜尋。
從以上的介紹，可以預測因科學的發展，我的需要量將大增而成為民眾常用的金屬之一。可以這麼說，正因為有我的存在和使用，增進了人類的生活品質。從上天（製造太空梭）到下海（製造潛艇），從醫學到軍事，處處可見到我的蹤跡。也可以這麼說，隨著高科技時代的來臨，人們絕對會越加重視我在各方面的用途，且讓大家拭目以待吧！
