Tlenek tytanu(IV)

komórka elementarna TiO2
Nazewnictwo Nomenklatura systematyczna (IUPAC) konst. tlenek tytanu(IV) lub ditlenek tytanu Inne nazwy i oznaczenia Stocka tlenek tytanu(IV) inne E171, C.I. 77891, dawn. dwutlenek tytanu[1][2]; biel tytanowa[2] (nazwa techniczna)[3]
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny	TiO2
Masa molowa	79,87 g/mol
Wygląd	biały[1] bezwonny proszek
Identyfikacja
Numer CAS	13463-67-7
PubChem	26042
SMILES O=[Ti]=O
InChI InChI=1S/2O.Ti InChIKey GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N
Właściwości Gęstość 4,26 g/cm³[4]; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie nierozpuszczalny[2] w innych rozpuszczalnikach stężony kwas siarkowy[2] Temperatura topnienia 1850 °C[4]
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2011-06-24] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według kryteriów GHS (na podstawie podanej karty charakterystyki). Europejskie oznakowanie substancji oznakowanie ma znaczenie wyłącznie historyczne Substancja nie jest klasyfikowana jako niebezpieczna według europejskich kryteriów (na podstawie podanej karty charakterystyki). NFPA 704 Na podstawie podanego źródła[5] 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)
Multimedia w Wikimedia Commons

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

Otrzymywanie

Otrzymywany może być metodą siarczanową lub chlorkową^[6].

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 (TiOSO
4), np. ^[6]:

FeTiO
3 + 2H
2SO
4 → TiOSO
4 + FeSO
4 + H
2O

TiOSO
4 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^[6].

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 TiCl
4. Produkt ten izoluje się w czystej formie i poddaje utlenieniu tlenem do końcowego produktu. Powstający równocześnie chlor jest zawracany do pierwszego etapu^[6]:

TiCl
4 + O
2 → TiO
2↓ + 2Cl
2

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 TiO
2 był dopuszczony jako dodatek do żywności o numerze E171^[7]. 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^[8]. 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^[9] 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^[10].

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

TiO
2 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-TiO
2. Nie ma jednak dowodów naukowych potwierdzających występowanie tego typu negatywnych efektów u ludzi^[11].