Оксид титана(IV)
Окси́д тита́на(IV), тита́новые бели́ла (диоксид титана, двуокись титана, формула TiO2, пищевой краситель E171) — амфотерный оксид четырёхвалентного титана, белый порошок. Оксид титана является одновременно основным сырьём и главным продуктом титанового производства, на производство чистого титана идёт около 5% титановой руды.
В природе встречаются кристаллы оксида титана в виде минералов анатаза, рутила и брукита, окашенные примесями в тёмные цвета. Чистый диоксид титана — бесцветные кристаллы (желтеют при нагревании). Для технических целей применяется в перетёртом состоянии, представляя собой белый порошок. Не растворяется в воде и разбавленных минеральных кислотах (за исключением плавиковой).
Оксид титана в коротких цитатах
править| — Николай Глинка, «Общая химия», 1950-е |
| — Иван Ефремов, «Туманность Андромеды», 1956 |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
<Титановыми> белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же, у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
Высокая коррозионная стойкость титана объясняется не строением атома, а образованием на его поверхности окисной пленки TiO2.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
| — Аркадий Курамшин, «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева», 2019 |
Государства-члены Евросоюза проголосовали за запрет красящей добавки для пищевых продуктов, известной как искусственный краситель E171 (TiO2, он же титановые белила, он же оксид титана IV). Это решение было принято после того, как европейский регулятор поставил под сомнение безопасность наночастиц этого вещества.[5] | |
| — Ольга Мурая, «Распространённый краситель попал под полный запрет в странах ЕС», 2021 |
В мае 2021 года Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) объявило, что наночастицы оксида титана могут вызвать повреждение ДНК. При этом безопасный уровень их ежедневного потребления невозможно установить.[5] | |
| — Ольга Мурая, «Распространённый краситель попал под полный запрет в странах ЕС», 2021 |
| — Ольга Мурая, «Распространённый краситель попал под полный запрет в странах ЕС», 2021 |
Оксид титана в научной и научно-популярной литературе
правитьДля многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав. Так, в диоксиде титана ТiO2 на единицу массы титана может приходиться от 0,65 до 0,67 единиц массы кислорода, что соответствует формуле TiO1,9-2,0. Конечно, такого рода формулы указывают не состав молекулы — соединения переменного состава имеют не молекулярную, а атомную структуру, — а лишь отражают границы состава вещества.[1] | |
| — Николай Глинка, «Общая химия», 1950-е |
При промышленном получении титана руду или концентрат переводят в диоксид титана ТiO2, который затем подвергают хлорированию. Однако даже при 800—1000°С хлорирование протекает медленно. С достаточной для практических целей скоростью оно происходит в присутствии углерода, связывающего кислород в основном в СО.[1] | |
| — Николай Глинка, «Общая химия», 1950-е |
В слюдах щелочных пегматитов проявлены интереснейшие изоморфные замещения, связанные с титаном. Так, в лепидомелане содержится в селадоните 4,17; в сподиофиллите и тайниолите до 2% ТiO2. Как было показано Д. П. Сердючонко (1948 г.), этот элемент может в зависимости от условий играть двоякую роль и находиться или в октаэдрической, или в тетраэдрической координации, причем последний случай наблюдается в щелочных породах, образовавшихся при высоких температурах.[6] | |
| — Евгений Семёнов, «Литиевые и другие слюды и гидрослюды в щелочных пегматитах Кольского полуострова», 1959 |
Спустя четыре года после открытия Грегора немецкий химик Мартин Клапрот обнаружил новый химический элемент в другом минерале ― рутиле и в честь царицы эльфов Титании (германская мифология) назвал его титаном. По другой версии название элемента происходит от титанов ― могучих сыновей богини земли ― Геи (греческая мифология). В 1797 году выяснилось, что Грегор и Клапрот открыли один и тот же элемент; и хотя Грегор сделал это раньше, за новым элементом утвердилось имя, данное ему Клапротом. Но ни Грегору, ни Клапроту не удалось получить элементарный титан. Выделенный ими белый кристаллический порошок был двуокисью титана ТiO2. Восстановить этот окисел, выделить из него чистый металл долгое время не удавалось никому из химиков.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
Однако ни Хантер, ни его современники не предсказывали титану большого будущего. <...> В 1908 году в США и Норвегии началось изготовление белил не из соединений свинца и цинка, как делалось прежде, а из двуокиси титана. Такими белилами можно окрасить в несколько раз большую поверхность, чем тем же количеством свинцовых или цинковых белил. К тому же, у титановых белил больше отражательная способность, они не ядовиты и не темнеют под действием сероводорода.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
В 1895 г. французский химик А. Муассан, восстанавливая двуокись титана углеродом в дуговой печи и подвергая полученный материал двукратному рафинированию, получил титан, содержавший всего 2% примесей, в основном углерода.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
Известно около 70 минералов титана, в которых он находится в виде двуокиси или солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит, рутил, перовскит и сфен. Ильменит ― метатитанат железа FeTiO3 ― содержит 52,65% TiO2. Название этого минерала связано с тем, что он был найден на Урале в Ильменских горах. Крупнейшие россыпи ильменитовых песков имеются в Индии. Другой важнейший минерал ― рутил представляет собой двуокись титана ТiO2.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
В медицинской литературе описан случай, когда человек за один раз «принял» 460 граммов двуокиси титана! (Интересно, с чем он её спутал?) — «Любитель» двуокиси титана не испытал при этом никаких болезненных ощущений. Двуокись титана входит в состав некоторых медицинских препаратов, в частности, мазей против кожных заболеваний. Однако не медицина, а лакокрасочная промышленность потребляет наибольшие количества TiO2.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
Мировое производство этого соединения намного превысило полмиллиона тонн в год. Эмали на основе двуокиси титана широко используют в качестве защитных и декоративных покрытий по металлу и дереву в судостроении, строительстве и машиностроении. Срок службы сооружений и деталей при этом значительно повышается. Титановыми белилами окрашивают ткани, кожу и другие материалы. Двуокись титана входит в состав фарфоровых масс, тугоплавких стекол, керамических материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Как наполнитель, повышающий прочность и термостойкость, ее вводят в резиновые смеси. Однако все достоинства соединений титана кажутся несущественными на фоне уникальных свойств чистого металлического титана.[3] | |
| — Яков Розенцвейг, Сергей Венецкий, «Титан», 1966 |
Важно подчеркнуть, что не все оксиды переходных элементов, присутствующие в литосфере, могут служить подтверждением предложенной гипотезы. Например, анатаз и брукит (TiO2) входят в состав исключительно метаморфических пород, в то время как рутил (TiO2) возникает в результате процессов выветривания титаносиликатов в верхних слоях земной коры. Таким образом, можно предположить, что из трех упомянутых соединений именно анатаз и брукит являются продуктами рассматриваемой перегруппировки и потому включены в рассмотрение.[7] | |
| — Михаил Левицкий, «Металлоорганосилоксаны и литосфера», 2000 |
Иногда, когда неорганические вещества образуют молекулы, это явление также называется изомерией, но для оксидов титана, образующих не молекулы, а атомные кристаллические решётки, наличие нескольких форм, отвечающих формуле TiO2, называется «полиморфизмом». Кристаллические решётки слегка различаются межатомным расстоянием титан — кислород, расположением атомов титана и кислорода друг относительно друга, и вуаля — твёрдость рутила по шкале Мооса составляет 7 единиц, а анатаза — 5,5 единиц.[4] | |
| — Аркадий Курамшин, «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева», 2019 |
На практике преимущественно применяется более мягкий анатаз — он нужен везде, где нам нужен химический инертный, нерастворимый и не обладающий токсичностью порошок белого цвета. Диоксид титана применяется для изготовления таблеток, лекарств, входит в состав зубных паст. В пищевой промышленности применяется оксид титана, промаркированный как пищевая добавка E171, с помощью которой добавляют белизны в кондитерские изделия, сыры и мороженое.[4] | |
| — Аркадий Курамшин, «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева», 2019 |
Оксид титана применяется в солнцезащитных кремах — он практически не прозрачен для ультрафиолета. То, что оксиды титана поглощают ультрафиолетовое излучение, позволяет использовать эти вещества как фотокатализаторы. Закон сохранения энергии отменить нельзя, и, поглотив энергию УФ излучения, фотокатализатор рассеивает её, испуская фотоэлектроны, которые способствуют формированию свободных радикалов, которые, например, могут расщеплять воду на кислород и водород. Что касается кремов против загара, очевидно, что чтобы не менять одну потенциальную опасность для здоровья (ультрафиолет) на другую (активные радикалы), входящие в состав солнцезащитных кремов частицы TiO2 покрывают защитным слоем из оксида кремния или оксида алюминия.[4] | |
| — Аркадий Курамшин, «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева», 2019 |
В других случаях радикалы даже полезны — они могут убивать патогенные микроорганизмы. В настоящее время проходят испытания дезинфицирующие поверхности, покрытые тонким слоем частиц TiO2. Хорошие перспективы фотокаталитического способа обеззараживания обуславливаются ещё и тем, что, как показали новые исследования, легирование диоксида титана серебром или азотом позволяет получать активные радикалы без ультрафиолета — просто при облучении видимым светом.[4] | |
| — Аркадий Курамшин, «Элементы: замечательный сон профессора Менделеева», 2019 |
Оксид титана в публицистике и документальной литературе
правитьПервый в истории синтетический сапфир получил в 1905 г. Огюст Вернейль на основе глинозёма. Вернейль особенно долго бился над получением нужного цвета и в конце концов нашёл правильное соотношение добавок окиси титана и магнетита, полностью исключив при этом окиси железа (что парадоксально, ибо они успешно красят в синеву природные камни).[8] | |
| — Александр Орлов, «Сапфир Александра Македонского», 2012 |
Оксиды различных металлов зачастую используются в роли фотокатализаторов для различных систем, например, для очистки воздуха, реакций разложения воды и даже для производства самоочищающихся покрытий для стёкол и зеркал. Улучшить физико-химические свойства этих веществ можно при помощи наночастиц, после добавления которых обычный оксид превращается в наноматериал, дающий новые возможности. Однако, чтобы эффективно добавлять наночастицы, необходимо понимать процессы, происходящие при формировании нанокомпозитов, и уметь управлять ими. Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Франции и США показали, что при помощи фемтосекундного лазера можно управлять структурой и свойствами нанокомпозитного материала из диоксида титана и наночастиц золота.[9] | |
| — «Оксид титана ... нанокомпозитный материал для фотокатализаторов», 2020 |
Оказалось, что управление размером наночастиц золота в полупроводниковой плёнке не такая уж простая задача. Совместно с коллегами из Франции нам удалось подобрать такие режимы лазерного воздействия, при которых наблюдается изменение размеров и распределения золотых наночастиц, а также существенная перестройка морфологии поверхности пленки и ее оптических свойств. Оказалось, что в результате вокруг выросших наночастиц могут возникать полости в пленке диоксида титана. Эти укрупненные поры появляются только при определённых режимах, когда скорость перемещения лазера очень мала.[9] | |
| — Ярослава Андреева, «Оксид титана ... нанокомпозитный материал для фотокатализаторов», 2020 |
Государства-члены Евросоюза проголосовали за запрет красящей добавки для пищевых продуктов, известной как искусственный краситель E171 (TiO2, он же титановые белила, он же оксид титана IV). Это решение было принято после того, как европейский регулятор поставил под сомнение безопасность наночастиц этого вещества. | |
| — Ольга Мурая, «Распространённый краситель попал под полный запрет в странах ЕС», 2021 |
В мае 2021 года Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) объявило, что наночастицы оксида титана могут вызвать повреждение ДНК. При этом безопасный уровень их ежедневного потребления невозможно установить. | |
| — Ольга Мурая, «Распространённый краситель попал под полный запрет в странах ЕС», 2021 |
Оксид титана в мемуарах и художественной прозе
править
Далеко в море выдавалась искусственная мель, заканчивавшаяся обмытой ударами волн башней. Она стояла у кромки материкового склона, круто спадавшего в океан на глубину километра. Под башней вниз шла отвесно огромная шахта в виде толстейшей цементной трубы, противостоявшей давлению глубоководья. На дне труба погружалась в вершину подводной горы, состоявшей из почти чистого рутила ― окиси титана. Все процессы переработки руды производились внизу, под водой и горами. На поверхность поднимались лишь крупные слитки чистого титана и муть минеральных отходов, расходившаяся далеко вокруг. Эти желтые мутные волны закачали глиссер перед пристанью с южной стороны башни.[2] | |
| — Иван Ефремов, «Туманность Андромеды», 1956 |
Источники
править- ↑ 1 2 3 Н. Л. Глинка. Общая химия: Учебное пособие для вузов (под. редакцией В.А.Рабиновича, издание 16-е, исправленное и дополненное). ― Ленинград: Химия, 1973 г. ― 720 стр.
- ↑ 1 2 И.А.Ефремов. «Туманность Андромеды». — АСТ, 2015 г.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Я. Д. Розенцвейг, С. И. Венецкий. «Титан». — М.: «Химия и жизнь», № 10, 1966 г.
- ↑ 1 2 3 4 5 Аркадий Курамшин. Элементы: замечательный сон профессора Менделеева. — М.: АСТ, 2019 г.
- ↑ 1 2 3 4 5 Ольга Мурая. Распространённый краситель попал под полный запрет в странах ЕС. — М.: «Вести-наука», 12 октября 2021 г.
- ↑ Семёнов Е. И. Литиевые и другие слюды и гидрослюды в щелочных пегматитах Кольского полуострова. Редактор д-р геол.-мин. наук Г. П. Варсанов. — М.: Труды минералогического музея, Выпуск 9, 1959 г. — с.107-137
- ↑ Михаил Левицкий. Металлоорганосилоксаны и литосфера. — М.: «Российский химический журнал», 2000 г.
- ↑ Александр Орлов, Сапфир Александра Македонского. — Москва, Зеркало мира, № 1, 2012 г.
- ↑ 1 2 Учёные с помощью лазера и частиц золота превратили оксид титана в нанокомпозитный материал для фотокатализаторов. (ACS The journal of physical chemistry C.) — itmo.news, 12 Мая 2020 г.
