Titanij-dioksid

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Titanij dioksid
Rutile-unit-cell-3D-balls.png
Općenito
Hemijski spoj Titanij dioksid
Druga imena Titanij (IV) oksid, rutil, anatas, brukit
Molekularna formula TiO2
CAS registarski broj 13463-67-7
Kratki opis bijeli prah
Osobine1
Molarna masa 79,866 g/mol
Agregatno stanje čvrsto
Gustoća 4,23 g/cm3
Tačka topljenja 1843 °C
Tačka ključanja 2972 °C
Rastvorljivost nerastvorljiv u vodi
1 Gdje god je moguće korištene su SI jedinice. Ako nije drugačije naznačeno, dati podaci vrijede pri standardnim uslovima.

Titanij dioksid ili titanij (IV) oksid je prirodni oksid titanija, čija je formula TiO2. Ako se upotrebljava kao pigment, naziva se titanijsko bijelo, bijeli pigment 6 ili CI 77891. Titanij-dioksid ima jako široku upotrebu, između ostalog kao sastojak boja, krema za sunčanje ili za bojenje hrane. Kao dodatak hrani ima oznaku E171.

Zastupljenost[uredi | uredi izvor]

U prirodi dolazi u obliku minerala rutila, anatasa i brukita. Najčešće je zastupljen rutil. Postoje još i tri sintetički proizvedene metastabilne forme i pet formi stabilnih pod visokim pritiskom. Ovi minerali se koriste kao ruda za dobijanje titanija (također i mineral ilmenit). Nedavno su u Bavarskoj u krateru Ries pronađene monoklinska (slična kristalu badelejitu) i ortorompska forma (slična olovo(IV)-oksidu).[1][2] Najčešća forma je rutil, koji je ujedno i najstabilnija forma. Anatas i brukit prelaze u rutil putem zagrijavanja.

Forma Kristalni sistem Sinteza
rutil tetragonalni
anatas tetragonalni
brukit ortorompski
TiO2(B)[3] monoklinski Hidroliza K2Ti4O9 nakon zagrijavanja
TiO2(H), forma slična holanditu[4] tetragonalni Oksidacija povezane kalij-titanat bronze, K0.25TiO2
TiO2(R), forma slična ramsdelitu[5] ortorompski Oksidacija povezane litij-titanat bronze Li0.5TiO2
TiO2(II)- forma slična (?-PbO2)[6] ortorompski
forma slična badelejitu (sedmostrano koordinirani Ti)[7] monoklinski
TiO2 -OI[8] ortorompski
kubična forma[9] kubični
TiO2 -OII, forma slična kotunitu (PbCl2)[10] ortorompski

Prirodno pronađeni oksidi se kopaju u rudnicima, a služe i kao komercijalni izvor titanija. Metal titanij se može dobiti i iz drugih minerala poput ilmenita ili leukoksena, ali i iz jedne od najčišćih formi: rutila sa pješčanih plaža. Zvjezdani safiri i rubini dobijaju svoj asterizam zbog prisutnog rutila u njima.[11]

Titanij-dioksid (B) je pronađen kao mineral u nekim pukotinama na tektitima, te kao lamele u anatasu iz hidrotermalnih vrela. Ova forma TiO2 ima relativno nisku gustoću.[12]

Spektralne linije iz titanij-dioksida su dosta izražene u zvijezdama klase M, koje su dovoljno hladne da omoguće formiranje molekula ovog hemijskog spoja.

Proizvodnja[uredi | uredi izvor]

Kod hloridnog procesa ruda se reducira ugljikom, a zatim oksidira hlorom, pri čemu nastaje titanij-tetrahlorid. Nastali proizvod se destilira i oksidira kisikom, pri čemu nastaje čisti TiO2, dok se istovremeno regenerira hlor.[13]

Sulfatni postupak koristi ilmenit za dobijanje titanij-dioksida. Ilmenit reakcijom sa sulfatnom kiselinom daje titanijsku so, koja se dalje procesira do čistog TiO2, a nusproizvod željezo(II)-sulfat se kristalizira i isfiltrira. Druga metoda za obogaćivanje ilmenita je Becherov proces. Jedna od metoda za proizvodnju titanij-dioksida sa velikim značajem u nanotehnologiji je solvotermalna sinteza titanij-dioksida.

U laboratoriji, anatas se može pretvoriti putem hidrotermalne sinteze u TiO2(B) nanocijevi i nanožice, koje su od potencijalnog interesa kao katalizatorska podrška i fotokatalizator. Da bi se ovo odvijalo, anatas se miješa sa 15 mola natrij-hidroksida (NaOH) i zagrijava na 150 °C u trajanju od 72 sata. Proizvod reakcije se ispira rastvorenom HCl i zagrijava na 400 °C slijedećih 15 sati. Dobijanje nanotuba je kvantitativno, a tube imaju vanjski prečnik od 10 do 20 nanometara, unutrašnji od 5 do 8 nanometara, te dužinu od 1 mikrona. Višim temperaturama reakcije (170 °C) i manjim zapreminama reaktanata dobijaju se odgovarajuće nanožice.[14]

Upotreba[uredi | uredi izvor]

Titanij dioksid se koristi kao bijeli pigment, zahvaljujući izrazito velikom indeksu prelamanja svjetlosti (n = 2,7); samo nekoliko poznatih supstanci ima veći indeks prelamanja. Oko 4 miliona tona pigmenta TiO2 se proizvede i potroši u svijetu godišnje. Ako se koristi kao tanki film ili emulzija, njegov indeks prelamanja i boja daju mu odlična optička reflektivna i pokrivna svojstva, koja se koriste u dielektričnim ogledalima i nekim dragim kamenjima poput "mističnog vatrenog topaza". Također se dodaje pri proizvodnji plastike, papira, tinte, lijekova, kozmetičkih proizvoda, paste za zube, itd. Titanij dioksid se upotrebljava i u fotokatalitičkim procesima (uz ultraljubičasto zračenje).

U kozmetici i proizvodima za njegu kože, titanij dioksid se koristi kao pigment, ali i kao sredstvo za zgrušavanje. Također se koristi i kao pigment za pravljenje tetovaža. Ovaj pigmet se dosta koristi pri proizvodnji plastike i drugim aplikacijama zbog svoje otpornosti na ultraljubičasto zračenje, gdje apsorbira UV zračenje efikasno pretvarajući UV svjetlost u toplotu. Zbog takvih osobina, TiO2 se koristi u većini krema za sunčanje. Većina proizvođača krema za sunčanje svoje proizvode zasniva na titanij-dioksidu i cink-oksidu, jer ove supstance izazivaju daleko manju iritaciju kože od drugih hemijskih supstanci koje apsoribiraju UV zračenje.

Titanij-dioksid se koristi za označavanje bijelih linija na teniskim terenima All England Lawn Tennis and Croquet kluba, gdje se održava godišnji teniski turnir u Wimbledonu.[15]

TiO vlakna i spirale

Naročito u formi anatasa, titanij dioksid je fotokatalizator pod ultraljubičastim svjetlom. Nedavno je pronađeno da se fotokataliza pojavljuje i pod uticajem vidljivog svjetla, ukoliko se titanij dioksidu dodaju ioni dušika ili metalni oksidi poput volfram-trioksida. Snažni oksidacioni potencijal pozitivnih elektronskih rupa oksidira vodu i stvara hidroksil radikale. Također može direktno oksidirati kisik i organske materije. Zbog svojih sterilizirajućih, deodorizirajućih i drugih osobina, TiO2 se dodaje u boje, cemente, prozore i slične proizvode. Koristi se i u Graetzelovim ćelijama, vrsti hemijskih solarnih ćelija. Fotokatalitičke osobine titanij-dioksida je otkrio Akira Fudžišima 1967. godine, a svoje otkriće je objavio 1972. godine.[16] U njegovu čast, proces koji se odvija na površini kristala titanij dioksida se naziva "Honda-Fudžišima efekt".[17]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ El, Goresy, Chen, M, Dubrovinsky, L et al. (2001). "An ultradense polymorph of rutile with seven-coordinated titanium from the Ries crater.". Science 293 (5534): 1467–70. 
  2. ^ El Goresy, Ahmed (2001). "A natural shock-induced dense polymorph of rutile with ?-PbO2 structure in the suevite from the Ries crater in Germany". Earth and Planetary Science Letters 192: 485. 
  3. ^ Marchand R., Brohan L., Tournoux M. (1980). "A new form of titanium dioxide and the potassium octatitanate K2Ti8O17". Materials Research Bulletin 15 (8): 1129–1133. 
  4. ^ Latroche, M, Brohan, L, Marchand, R, Tournoux (1989). "New hollandite oxides: TiO2(H) and K0.06TiO2". Journal of Solid State Chemistry 81 (1): 78–82. 
  5. ^ J. Akimoto, Y. Gotoh, Y. Oosawa, et al. (1994). "Topotactic Oxidation of Ramsdellite-Type Li0.5TiO2, a New Polymorph of Titanium Dioxide: TiO2(R)". Journal of Solid State Chemistry 113 (1): 27–36. 
  6. ^ P. Y. Simons, F. Dachille (1967). "The structure of TiO2II, a high-pressure phase of TiO2". Acta Crystallographica 23 (2): 334–336. 
  7. ^ Sato H., Endo S, Sugiyama M, et al. (1991). "Baddeleyite-Type High-Pressure Phase of TiO2". Science 251 (4995): 786–788. 
  8. ^ Dubrovinskaia N A, Dubrovinsky L S., Ahuja R, et al. (2001). "Experimental and Theoretical Identification of a New High-Pressure TiO2 Polymorph.". Phys. Rev. Lett. 87: 275501. 
  9. ^ Mattesini M, de Almeida J. S., Dubrovinsky L., et al. (2004). "High-pressure and high-temperature synthesis of the cubic TiO2 polymorph". Phys. Rev. B 70: 212101. 
  10. ^ Dubrovinsky L. S., Dubrovinskaia N. A., Swamy V., et al. (2001). "Materials science: The hardest known oxide". Nature 410 (6829): 653–654. 
  11. ^ Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford: Oxford University Press. str. 451–53.  ISBN 0-19-850341-5
  12. ^ Banfield, J. F., Veblen, D. R., Smith, D. J. (1991). "The identification of naturally occurring TiO2 (B) by structure determination using high-resolution electron microscopy, image simulation, and distance-least-squares refinement". American Mineralogist 76: 343. 
  13. ^ "Titanium Dioxide Manufacturing Processes". Millennium Inorganic Chemicals. Pristupljeno 5.9.2007. 
  14. ^ Graham Armstrong, A. Robert Armstrong, et al. (2005). "Nanotubes with the TiO2-B structure". Chemical Communications: 2454. 
  15. ^ Chemistry World's weekly round-up of money and molecules
  16. ^ Fujishima, AKIRA (1972). "Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode". Nature 238: 37. 
  17. ^ "Japan Nanonet Bulletin - 44. izd. - 12. maj 2005: Discovery and applications of photocatalysis - Creating a comfortable future by making use of light energy"