Oxid titaničitý

Oxid titaničitý
Obecné
Systematický název	Oxid titaničitý
Triviální název	Titanová běloba
Anglický název	Titanium dioxide
Německý název	Titan(IV)-oxid
Sumární vzorec	TiO2
Vzhled	Bílá pevná látka
Identifikace
Registrační číslo CAS	13463-67-7
PubChem	26042
Číslo RTECS	XR2775000
Vlastnosti
Molární hmotnost	79,88 600 g/mol
Teplota tání	1 560 °C (anatas) 1 825 °C (brookit) 1 855 °C (rutil)
Teplota varu	2 900 °C (rutil, rozklad)
Teplota změny krystalové modifikace	825±25 °C (anatas→rutil)
Hustota	3,84–3,90 g/cm³ (anatas) 4,17 g/cm³ (brookit) 4,26 g/cm³
Index lomu	Anatas nDř=2,554–2,561 nDm=2,488–2,493 Brookit nDa=2,583 1 nDb=2,584 3 nDc=2,700 4 Rutil nDř=2,616 nDm=2,903
Tvrdost	5,5–6 (anatas) 5,5–6 (brookit) 6–6,5 (rutil)
Rozpustnost ve vodě	nerozpustný
Relativní permitivita εr	110 (rutil)
Součinitel tepelné vodivosti	6,53 Wm^−1K^−1 (100 °C, rutil)
Měrná magnetická susceptibilita	1,13×10^−6 cm^3g^−1 (anatas) 0,928×10^−6 cm^3g^−1 (rutil)
Měrný elektrický odpor	120 Ώm (800 °C, rutil) 0,085 Ώm (1 200 °C, rutil)
Struktura
Krystalová struktura	čtverečná (anatas) kosočtverečná (brookit) čtverečná (rutil)
Hrana krystalové mřížky	Anatas a= 378,5 pm c= 951,4 pm Brookit a= 545,6 pm b= 918,2 pm c= 514,3 pm Rutil a= 459,4 pm c= 296,2 pm
Termodynamické vlastnosti
Standardní slučovací entalpie ΔHf^°	−939,7 kJ/mol (anatas) −941,8 kJ/mol (brookit) −944,7 kJ/mol (rutil)
Entalpie tání ΔHt	597 J/g (brookit) 838 J/g (rutil)
Standardní molární entropie S^°	49,92 JK^−1mol^−1 (anatas) 50,33 JK^−1mol^−1 (rutil)
Standardní slučovací Gibbsova energie ΔGf^°	−884,5 kJ/mol (anatas) −889,5 kJ/mol (rutil)
Izobarické měrné teplo cp	0,694 5 JK^−1g^−1 (anatas) 0,688 8 JK^−1g^−1 (rutil)
Bezpečnost
NFPA 704	0 1 0
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa). Některá data mohou pocházet z datové položky.

Oxid titaničitý TiO₂ je chemická sloučenina kyslíku a titanu. V přírodě se vyskytuje v několika minerálních formách. Uměle připravený oxid titaničitý označovaný jako titanová běloba má široké použití jako pigment do nátěrových hmot, barvivo v potravinářství a jako účinná složka některých opalovacích krémů. Je rozpustný v roztocích silných kyselin za vzniku solí titaničitých (Ti^IV) i silných zásad za vzniku titaničitanů.

Přírodní výskyt

Oxid titaničitý se vyskytuje ve třech přírodních formách:

• rutil, čtverečný minerál;
• anatas, čtverečný minerál;
• brookit, kosočtverečný minerál.

Přírodní oxid titaničitý se nevyskytuje jako čistý. Většinou bývá kontaminován ionty jiných kovů, například železa. Přírodní minerály oxidu titaničitého jsou průmyslově těženy jako zdroj titanu. K dalším zdrojům titanu patří rudy obsahující ilmenit nebo leukoxen, či písky s obsahem rutilu. Safíry a rubíny také mohou obsahovat inkluze rutilu, které mohou způsobit hedvábný lesk, snížit barevnost a vzácněji i optický jev zvaný asterismus.

Výroba

Surový oxid titaničitý je přeměněn na chlorid titaničitý pomocí chloridové metody. Při použití této metody je surová ruda obsahující alespoň 90 % TiO₂ redukována uhlíkem při 950 °C a následně oxidována chlorem na kapalný chlorid titaničitý TiCl₄. Ten je následně přečištěn destilací a při 1 000 – 1 400 °C je pomocí kyslíku přeměněn zpět na oxid titaničitý.

Další často používaná metoda výroby je sulfátová metoda. Je vhodná pro rudy s nižším obsahem titanu a rudy znečištěné železem. Používá jako zdroj titanu minerál ilmenit. Ten je vyluhován v koncentrované kyselině sírové za vzniku síranu železnatého FeSO₄ (v reakční směsi dochází k částečné oxidaci dvojmocného železa na železo trojmocné) a síranu titanylu TiOSO₄. Síran železitý je zredukován železnými hoblinami na síran železnatý FeSO₄, který je po zahuštění a ochlazení odfiltrován.TiOSO₄ je následně hydrolyzován. Amorfní sraženina je pak kalcinována v kalcinační peci na strukturu rutilu, či anatasu při 800–900 °C.

Použití

Oxid titaničitý je často používán jako pigment, z důvodu výrazného jasu a velmi vysokého indexu lomu (n = 2,7). Ročně je celosvětově vyrobeno přibližně 4 000 000 tun TiO₂. Výhodou jeho použití jako pigmentu jsou i jeho UV rezistentní vlastnosti. Pohlcuje UV záření a přeměňuje ho na neškodné teplo. Jeho vysoká odrazivost, jas a barevná stálost ho předurčují také jako vhodný materiál pro použití ve formě tenkých povlaků na speciální optice jako jsou dielektrická zrcadla.

TiO₂ v práškové formě výrazně rozptyluje světlo a má vysokou opacitu. Je proto používán jako pigment zajišťující bělost a neprůhlednost barev, povlaků, plastů, papíru, inkoustů, potravin, kosmetiky a léčiv (např. tablet, či zubních past). Další jeho vlastnost v práškové formě, která se využívá, je vysoká hydrofobie (odpuzování vody). Používá se tedy i při výrobě autoskel a skel pro slunečních brýle, s účelem eliminovat orosení, které by na nich mohlo vznikat. Téměř všechny jiné alternativy s podobnými vlastnostmi jsou s negativními zdravotními účinky nebo přímo toxické, TiO₂ ovšem ne.

V kosmetice je přidáván do krémů jako pigment, zahušťovadlo a UV filtr. Jako pigment je též používán při tetování.

Díky svému vysokému indexu lomu, opacitě, UV rezistenci a stálosti je často používanou přísadou opalovacích krémů. Oproti opalovacím krémům založených na chemických absorbátorech, vyvolávají opalovací krémy s obsahem fyzikálních absorbátorů (oxid titaničitý a oxid zinečnatý), méně často podráždění a alergické reakce kůže.

Oxid titaničitý je také používán jako polovodič.

Potravinářství

Je používán jako bílé potravinářské barvivo E171. Francie kvůli výsledkům testů na zvířatech látku dočasně zakázala. V květnu 2021 Evropský úřad pro bezpečnost potravin (EFSA) došel k závěru. že „oxid titaničitý už nadále nemůže být považován za bezpečný jakožto potravinářské aditivum", neboť nemůže „vyloučit obavy z genotoxicity po konzumaci částic oxidu titaničitého". ^[1]

Fotokatalýza

Vhodně upravený oxid titaničitý působí v přítomnosti ultrafialového záření jako fotokatalyzátor. Pokud je TiO₂ nadopován atomy dusíku, funguje jako katalyzátor již v přítomnosti viditelného záření. Díky svému vysokému redoxnímu potenciálu oxiduje v excitovaném stavu vodu za vzniku hydroxylových radikálů. Je také schopen přímé oxidace organických látek. Z tohoto důvodu je přidáván do nátěrů, cementů, okenních skel, glazur dlaždiček a jiných materiálů. Tyto materiály pak mají dezinfekční a samočisticí schopnosti.

Je také používán v některých solárních článcích. Nanokrystalický oxid titaničitý je označován jako nadějný materiál pro výrobu elektrické energie.

Jeho fotokatalytické vlastnosti ho předurčují jako materiál schopný čistit vzduch od zápachu a škodlivin, jako jsou těkavé organické látky a oxidů dusíku. V Česku se využitím oxidu titaničitého zabývá mimo jiné například fakulta biomedicínského inženýrství ČVUT.

Barevný pigment

Titanová běloba je rozšířený anorganický pigment, kterého se průmyslově vyrábí miliony tun ročně.

Používá se jako součást nátěrových hmot a plastů, v papírenském, kožedělném a gumárenském průmyslu, při úpravě keramiky, ale také jako aditivum v potravinářství nebo jako přísada v kosmetice a ve farmacii.

V České republice vyrábí titanovou bělobu Precheza a. s. Přerov. Jedná se o jednoho z největších producentů titanové běloby v Evropě, jediného v ČR, s produkcí okolo 35 tisíc tun ročně.

Ve výtvarném umění je tak nazývána bílá barva typu tempery či oleje s číselný kódem 1096, která je směsí oxidu titaničitého a oxidu zinečnatého.

Další použití

Je používán v lambda sondách v motorech automobilů.

V medicíně umožňuje srůst kostí s implantáty, jako jsou umělé klouby a zuby.

Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) zařadila oxid titaničitý do kategorie 2B, tedy mezi podezřelé karcinogeny pro člověka na základě pokusů na zvířatech, u nichž byl prokázán zvýšený výskyt rakoviny plic.^{[2] [3]}

Odkazy

Reference

1. ŠUTA, Miroslav; ŠŤOVÍČEK, Vladimír. Zmizí z potravin další éčko? Někteří výrobci už obávanou látku dobrovolně vyřadili. Český rozhlas Plzeň [online]. Český rozhlas, 2021-05-26 [cit. 2021-08-18]. Dostupné online. 
2. http://monographs.iarc.fr/ENG/Classification/ClassificationsGroupOrder.pdf Archivováno 25. 10. 2011 na Wayback Machine. – Agents Classified by the IARC Monographs
3. ŠUTA, Miroslav; ŠŤOVÍČEK, Vladimír. Spor o „éčko“ v potravinách. Je titanová běloba na černé listině právem?. Český rozhlas Plzeň [online]. Český rozhlas, 2019-07-07 [cit. 2021-08-18]. Dostupné online. 

Literatura

• Šimůnková E., Bayerová T.: Pigmenty. Společnost pro technologie ochrany památek, Praha 1999. ISBN 80-902668-1-9
• VOHLÍDAL, JIŘÍ; ŠTULÍK, KAREL; JULÁK, ALOIS. Chemické a analytické tabulky. 1. vyd. Praha: Grada Publishing, 1999. ISBN 80-7169-855-5. 

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu oxid titaničitý na Wikimedia Commons
• E171 - Oxid titaničitý ( titanová běloba )
• Princip výroby titanové běloby

Portály: Chemie