TLENEK TYTANU (IV): BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Tlenek tytanu (IV), jest stały nieorganiczny biały krystaliczny, którego wzór chemiczny jest TiO ₂ , więc znane jest również dwutlenku tytanu. Występuje w trzech formach krystalicznych: rutylu, anatazu i brukitu. Chociaż w naturze jest zwykle zabarwiony z powodu obecności zanieczyszczeń, takich jak żelazo, chrom lub wanad, jako biały pigment stosuje się czysty TiO ₂ .

Wśród jego cech możemy podkreślić, że rozpuszczalność TiO ₂ zależy w dużym stopniu od jego historii chemicznej i termicznej. Poza tym po podgrzaniu do wysokiej temperatury (900 ºC) staje się chemicznie obojętny. Jego najważniejszymi źródłami są ilmenit (tlenek żelaza i tytanu), rutyl i anataz.

Proszek dwutlenku tytanu. Pierwotnym przesyłającym był Walkerma z angielskiej Wikipedii.

Jest produkowany głównie w gatunku odpowiednim do stosowania jako pigment, zapewniający doskonałe właściwości rozpraszania światła w zastosowaniach wymagających białego krycia i połysku.

Jest również produkowany jako ultracienki materiał do zastosowań, w których wymagana jest przezroczystość i maksymalna absorpcja promieniowania ultrafioletowego (UV). Na przykład jako składnik kremu przeciwsłonecznego do skóry. W nich TiO ₂ działa jak filtr, blokując w ten sposób absorpcję tych promieni.

Ze względu na swoją obojętność chemiczną jest preferowanym białym pigmentem. Jednak Amerykańska Agencja ds. Żywności i Leków (FDA) ustaliła parametry bezpiecznego stosowania w żywności i kosmetykach.

Istnieje również limit narażenia na pył tlenku tytanu, ponieważ wdychany pył może osadzać się w płucach.

Struktura

TiO ₂ ma trzy krystaliczne modyfikacje: rutyl, anataz i brukit. Te krystaliczne odmiany występują w przyrodzie.

Rutyl

Rutyl krystalizuje w układzie tetragonalnym z dwoma jednostkami TiO ₂ na ogniwo. Tytan jest skoordynowany ośmiokrotnie. Badania kalorymetryczne wykazały, że rutyl jest najbardziej stabilną termicznie formą krystaliczną.

Struktura krystaliczna rutylu. Kulki szare: Tytan, Kulki różowe: Tlen. Źródło półprzewodnikowe: Wikipedia Commons

Anataz

Ta forma również krystalizuje w układzie tetragonalnym, ale anataz występuje w postaci mocno zniekształconych oktaedrów atomów tlenu w odniesieniu do każdego atomu tytanu, z których dwa są stosunkowo bliżej. Zawiera 4 jednostki TiO ₂ na każde ogniwo krystaliczne.

Struktura krystaliczna anatazu. Benjah-bmm27 Źródło: Wikipedia Commons

Brookite

Krystalizuje w układzie rombowym, z 8 jednostkami TiO ₂ na każde krystaliczne ogniwo.

Nieruchomości

Stan fizyczny

Krystaliczne ciało stałe.

Twardość Mohsa

Rutyl: 7-7,5.

Anataz: 5,5-6.

Waga molekularna

79,87 g / mol.

Temperatura topnienia

Rutyl: 1830-1850 ° C

Anataz: po podgrzaniu staje się rutylem.

Gęstość

Rutyl: 4250 g / cm ³

Anataz: 4,133 g / cm ³

Brookit: 3,895 g / cm ³

Rozpuszczalność

Nierozpuszczalny w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych. Rozpuszcza się powoli w HF i gorącym stężonym H ₂ SO ₄ . Nierozpuszczalny w HCl i HNO ₃ .

pH

7.5.

Współczynnik załamania światła

Rutyl: 2,75 przy 550 nm.

Anataz: 2,54 przy 550 nm.

Posiada najwyższy współczynnik załamania światła spośród wszystkich nieorganicznych pigmentów.

Inne właściwości

Anataz szybko przekształca się w rutyl w temperaturach powyżej 700ºC. TiO ₂ , który został kalcynowany w 900 ° C, słabo rozpuszcza się w zasadach, kwasie fluorowodorowym i gorącym kwasie siarkowym. Nie jest atakowany przez słabe kwasy nieorganiczne lub organiczne. Nie jest łatwo redukowany ani utleniany.

Anataz i rutyl są półprzewodnikami szerokopasmowymi, ale ich przewodnictwo elektryczne zależy od obecności zanieczyszczeń i defektów w krysztale.

Nomenklatura

-Dwutlenek tytanu

-Rutyl

-Anatase

-Brookita

-Titania

Aplikacje

Białe pigmenty

Najważniejszym zastosowaniem tlenku tytanu (IV) jest biały pigment w szerokiej gamie produktów, w tym w farbach, lakierach, klejach, tworzywach sztucznych, papierze i farbach drukarskich. Wynika to z wysokiego współczynnika załamania światła i obojętności chemicznej.

Źródło: Pexels.com

Dwutlenek tytanu użyty jako biały pigment musi mieć wysoką czystość. Jego krycie i jasność wynikają z jego zdolności do rozpraszania światła. Jest jaśniejszy niż diament. Tylko rutyl i anataz mają dobre właściwości pigmentacyjne.

Tworzywa sztuczne

W tworzywach sztucznych TiO ₂ minimalizuje kruchość i pękanie, które może wystąpić w wyniku ekspozycji na światło.

Jest to najważniejszy pigment do produkcji zewnętrznych artykułów z tworzyw sztucznych z PVC, ponieważ zapewnia ochronę materiału przed promieniowaniem UV.

Optymalną formą krystaliczną w tym przypadku jest rutyl. W tym zastosowaniu rutyl musi mieć powłokę powierzchniową z cyrkonu, krzemionki lub aluminium, aby zminimalizować efekt fotokatalityczny TiO ₂ w degradacji PVC.

Inne zastosowania

Inne zastosowania obejmują emalie szkliste stosowane na stali i żeliwie, którym nadaje nieprzezroczystość i odporność na kwasy.

W przemyśle tekstylnym stosowany jest w prowadnicach przędzy, dzięki czemu łatwo ślizgają się podczas przędzenia. Tarcie między nitkami a prowadnicami generuje elektryczność statyczną. Aby go rozproszyć, TiO ₂ musi zostać spalony w temperaturze 1300 ° C, aby miał większą przewodność elektryczną.

Inne zastosowania obejmują pigmentację farb drukarskich, gumy, tekstyliów, skóry, włókien syntetycznych, ceramiki, białego cementu, wykładzin podłogowych i pokryć dachowych. Jako powłoka papieru TiO ₂ sprawia, że ​​jest on bielszy, jaśniejszy i bardziej nieprzejrzysty.

Jest stosowany w kosmetykach, aby pomóc zakryć niedoskonałości skóry, a także nadać pastę do zębów i mydło biel.

Chroni żywność, napoje, suplementy i produkty farmaceutyczne przed przedwczesną degradacją wywołaną działaniem światła, wydłużając żywotność produktu.

Jest składnikiem do produkcji szkła, ceramiki i elektroceramiki. Stosowany jest w elementach obwodów elektrycznych. Jest również stosowany w sondzie lambda układu wydechowego pojazdu silnikowego.

Ultrafine TiO ₂ jest składnikiem filtrów przeciwsłonecznych, ponieważ jest silnym pochłaniaczem promieni ultrafioletowych (UV), zarówno UV-A, jak i UV-B. Promienie UV-A powodują zmarszczki i starzenie się skóry, a UV-B powodują oparzenia i rumień.

Nanocząsteczki TiO ₂ są stosowane jako materiał nośny dla katalizatorów reakcji chemicznych.

Anataz jest skutecznym fotokatalizatorem utleniającym związki organiczne. Im mniejsze jego cząsteczki, tym skuteczniejsza.

Bibliografia

1. Cotton, F. Albert i Wilkinson, Geoffrey. (1980). Zaawansowana chemia nieorganiczna. John Wiley & Sons.
2. Kirk-Othmer (1994). Encyklopedia technologii chemicznej. Tom 19 i 24. Wydanie czwarte. John Wiley & Sons.
3. Fakty dotyczące bezpieczeństwa chemicznego. (2019). Dwutlenek tytanu. Odzyskany z: chemicalafetyfacts.org
4. Wypych, Jerzy. (2015). Dodatki do PVC. W formule PVC (drugie wydanie). Odzyskany z sciencedirect.com
5. Denning, R. (2009). Ulepszanie produktów wełnianych za pomocą nanotechnologii. Postęp w technologii wełny. Odzyskany z sciencedirect.com
6. National Library of Medicine. (2019). Dwutlenek tytanu. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov