Tlenek tytanu(IV)

Tlenek tytanu(IV)

komórka elementarna TiO2
Nazewnictwo Nomenklatura systematyczna (IUPAC) konst. ditlenek tytanu, tlenek tytanu(IV), tlenek tytanu(4+) Inne nazwy i oznaczenia Stocka tlenek tytanu(IV) inne E171, C.I. 77891, daw. dwutlenek tytanu, nazwa techniczna: biel tytanowa
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny	TiO2
Masa molowa	79,87 g/mol
Wygląd	biały bezwonny proszek
Identyfikacja
Numer CAS	13463-67-7
PubChem	26042
DrugBank	DB09536
SMILES O=[Ti]=O
InChI InChI=1S/2O.Ti InChIKey GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N
Właściwości Gęstość 4,26 g/cm³; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie nierozpuszczalny w innych rozpuszczalnikach roztwarza się w stężonym kwasie siarkowym Temperatura topnienia 1850 °C
Niebezpieczeństwa Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanego źródła Brak piktogramu Zwroty H brak zwrotów H, EUH210, EUH212 Zwroty P brak zwrotów P NFPA 704 Na podstawie podanego źródła 0 0 0   Numer RTECS XR2775000
Podobne związki
Inne kationy	tlenek cyrkonu(IV), tlenek hafnu(IV)
Podobne związki	tlenek tytanu(II), tlenek tytanu(III), kwas tytanowy
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)

Tlenek tytanu(IV), biel tytanowa, TiO₂ – nieorganiczny związek chemiczny, tlenek tytanu na IV stopniu utlenienia.

Otrzymywanie

Otrzymywany może być metodą siarczanową lub chlorkową.

W metodzie siarczanowej surowcem był pierwotnie ilmenit; obecnie zwykle wykorzystuje się żużel bogaty w tytan. W obu przypadkach stosuje się działanie kwasem siarkowym w celu uzyskania siarczanu tytanylu (TiOSO₄), np.:

FeTiO₃ + 2H₂SO₄ → TiOSO₄ + FeSO₄ + H₂O

TiOSO₄ oddziela się i poddaje hydrolizie do uwodnionego tlenku, który następnie wypraża się w temp. ok. 1000 °C w celu uzyskania produktu o odpowiedniej wielkości ziaren.

W metodzie chlorkowej poza ilmenitem i żużlem wykorzystuje się też inne minerały bogate w tytan, leukoksen i rutyl. Surowiec miesza się ze źródłem węgla i praży w obecności chloru, uzyskując gazowy TiCl₄. Produkt ten izoluje się w czystej formie i poddaje utlenieniu tlenem do końcowego produktu. Powstający równocześnie chlor jest zawracany do pierwszego etapu:

TiCl₄ + O₂ → TiO₂↓ + 2Cl₂

Właściwości

Dwutlenek tytanu występuje naturalnie w trzech odmianach polimorficznych: jako minerały rutyl i anataz o strukturze tetragonalnej oraz rombowy brukit. Dwie ostatnie przechodzą w najtrwalszy rutyl powyżej temperatury 800–900 °C.

Dwutlenek tytanu jest najpowszechniejszym i najtrwalszym tlenkiem tytanu. Jest to biały proszek o temperaturze topnienia ok. 1830 °C i temperaturze wrzenia ok. 2500 °C. Ma właściwości amfoteryczne – reaguje ze stężonym kwasem siarkowym, a stapiany z wodorotlenkami, węglanami lub tlenkami innych metali przechodzi w tytaniany. Nie jest rozpuszczalny w wodzie.

W układzie tytan–tlen istnieje szereg niższych tlenków o ogólnym wzorze Ti_nO_2n−1 dla n = 4–10 (fazy Mangnèliego).

TiO₂ charakteryzuje się:

• pasmem walencyjnym utworzonym przez funkcje falowe 2p jonów tlenu;
• przerwą energetyczną wynoszącą 3–3,2 eV;
• pasmem przewodnictwa utworzonym przez funkcje falowe 3d tytanu;
• wysokim współczynnikiem załamania światła w granicach 2,616–2,903 (wyższy niż dla diamentu);
• niską absorpcją optyczną w zakresie widzialnym;
• dobrą stabilnością chemiczną;
• dużą odpornością chemiczną;
• wysoką twardością wynoszącą około 6 w skali Mohsa;
• wysoką przenikalność elektryczną (120 dla rutylu);
• wysoką rezystancją, czyli oporem elektrycznym.

Zastosowanie

W Unii Europejskiej TiO₂ był dopuszczony jako dodatek do żywności o numerze E171. W 2019 r. rząd francuski podjął decyzję o zakazie jego stosowania od 2020 r. jako dodatku do żywności ze względu na brak wystarczających dowodów, że jego spożywanie jest bezpieczne dla zdrowia. W 2021 r. eksperci z European Food Safety Authority (EFSA) zmienili swoją opinię z 2016 r. i także uznali, że nie jest on w pełni bezpieczny i w roku 2022 jego stosowanie w żywności zostało zakazane, zezwolono natomiast na jego dalsze stosowanie w produktach medycznych, o ile nie istnieje bezpieczniejszy odpowiednik.

W nowoczesnych technologiach znajduje on zastosowanie do wytwarzania:

• fotoanod do fotorozkładu wody;
• fotoanod do fotochemicznego rozkładu związków organicznych;
• fotokatalizatorów do odzysku i usuwania metali ciężkich;
• katalizatorów powodujących fotorozkład zanieczyszczeń środowiska (NO_x);
• tanich ogniw słonecznych;
• katalizatorów heterogenicznych;
• powłok szkieł samoczyszczących i zapobiegających parowaniu;
• środków powodujących krystalizację szkła;
• wnętrz światłowodów;
• warstw do filtrów optycznych i interferencyjnych;
• luster laserów;
• membran separujących gazy;
• filtrów antybakteryjnych;
• filtrów do usuwania zanieczyszczeń organicznych z wody;
• sensorów kontrolujących stosunek paliwo/powietrze w samochodowych silnikach spalinowych (sondy lambda);
• sensorów wilgoci;
• niskotemperaturowych sensorów tlenu;
• wysokotemperaturowych sensorów pH;
• warystorów;
• kondensatorów.

Jest również stosowany w tradycyjny już sposób jako pigment (biel tytanowa) do produkcji papieru, żywności, tworzyw sztucznych, kosmetyków, farmaceutyków, porcelany, farb i emalii oraz jako stabilizator koloru szkliw.

Charakterystyka fotochemiczna

Właściwości fotoelektrochemiczne TiO₂ związane są z absorpcją promieniowania. Dwutlenek tytanu charakteryzuje się wysoką absorpcją w zakresie UV i dochodzącą do zaledwie kilku procent absorpcją promieniowania w zakresie widzialnym ViS. Aby zwiększyć zakres absorpcji światła w zakresie widzialnym, co ma zasadnicze znaczenie w ogniwach słonecznych oraz w fotorozkładzie wody, trwają nieustanne prace nad modyfikacją jego właściwości.

Zagrożenia

TiO₂ w formie nanocząstek może powodować zagrożenia dla zdrowia osób przewlekle narażonych na jego wdychanie. W badaniach na zwierzętach stwierdzono wzrost ryzyka wystąpienia nowotworów oraz negatywny wpływ na rozwój płodu i funkcjonowanie układu rozrodczego u osobników narażonych na nano-TiO₂. Nie ma jednak dowodów naukowych potwierdzających występowanie tego typu negatywnych efektów u ludzi.