Óxido de titanio(IV) | |
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General | |
Nombre sistemático |
Dióxido de titanio |
química fórmula | TiO2 _ |
Propiedades físicas | |
Estado | sólido |
Masa molar | 79,866 g/ mol |
Densidad |
(R) 4,235 g/cm³ (A) 4,05 g/cm³ (B) 4,1 g/cm³ |
Propiedades termales | |
La temperatura | |
• fusión | 1843°C |
• hirviendo | 2972°C |
• descomposición | 2900°C |
Presion de vapor | 0 ± 1 mm Hg [una] |
Clasificación | |
registro número CAS | 13463-67-7 |
PubChem | 26042 |
registro Número EINECS | 236-675-5 |
SONRISAS | O=[Ti]=O |
InChI | InChI=1S/2O.TiGWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N |
Codex Alimentarius | E171 |
RTECS | XR2775000 |
CHEBI | 32234 |
ChemSpider | 24256 |
La seguridad | |
NFPA 704 | 0 una 0 |
Los datos se basan en condiciones estándar (25 °C, 100 kPa) a menos que se indique lo contrario. | |
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Óxido de titanio (IV) ( dióxido de titanio, dióxido de titanio, blanco de titanio , colorante alimentario E171 ) TiO 2 - óxido anfótero de titanio tetravalente . Es el principal producto de la industria del titanio (solo alrededor del 5 % del mineral de titanio se utiliza para producir titanio puro) [2] .
El óxido de titanio existe en forma de varias modificaciones. En la naturaleza, existen cristales con sistema tetragonal ( anatasa , rutilo ) y sistema rómbico ( brookita ). Se obtuvieron artificialmente dos modificaciones más de alta presión: rómbica IV y hexagonal V.
Modificación/Parámetro | rutilo | Anataz | Brookita | IV rómbico | V hexagonal | |
---|---|---|---|---|---|---|
Parámetros de red elemental, nm | a | 0.45929 | 0.3785 | 0.51447 | 0.4531 | 0.922 |
b | — | — | 0.9184 | 0.5498 | — | |
C | 0.29591 | 0.9486 | 0.5145 | 0.4900 | 0.5685 | |
Número de unidades de fórmula en una celda | 2 | cuatro | ocho | |||
grupo espacial | P4/mm | I4/amd | pbca | pbcn |
Cuando se calientan, tanto la anatasa como la brookita se transforman irreversiblemente en rutilo (las temperaturas de transición son de 400 a 1000 °C y alrededor de 750 °C, respectivamente). Las estructuras de estas modificaciones se basan en octaedros de TiO 6 , es decir, cada ion Ti 4+ está rodeado por seis iones O 2 − y cada ion O 2 − está rodeado por tres iones Ti 4+ .
Los octaedros están dispuestos de tal manera que cada ion de oxígeno pertenece a tres octaedros. En anatasa , hay 4 aristas comunes por octaedro, en rutilo - 2.
En su forma pura, se presenta en la naturaleza en forma de minerales rutilo , anatasa y brookita (en estructura, los dos primeros tienen un sistema tetragonal y el último tiene un sistema rómbico), siendo la parte principal el rutilo.
El tercer depósito de rutilo más grande del mundo se encuentra en el distrito de Rasskazovsky de la región de Tambov . Grandes depósitos también se encuentran en Chile (Cerro Bianco), la provincia canadiense de Quebec , Sierra Leona .
Dióxido de titanio puro: cristales incoloros (se vuelven amarillos cuando se calientan). A efectos técnicos, se utiliza en estado triturado, representando un polvo blanco. Insoluble en agua y ácidos minerales diluidos (a excepción del fluorhídrico ).
Las temperaturas de fusión, ebullición y descomposición de otras modificaciones no se indican, ya que pasan a la forma de rutilo cuando se calientan (ver arriba ).
Modificación | Intervalo de temperatura, K | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
298-500 | 298-600 | 298-700 | 298-800 | 298-900 | 298-1000 | |
rutilo | 60.71 | 62.39 | 63.76 | 64.92 | 65.95 | 66.89 |
anatasa | 63.21 | 65.18 | 66.59 | 67.64 | 68.47 | 69.12 |
Modificación | ΔH° f, 298 , kJ/mol [7] | S° 298 , J/mol/K [8] | ΔG° f, 298 , kJ/mol [9] | C° p, 298 , J/mol/K [10] | ΔH cuadrado , kJ/mol [11] |
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rutilo | -944,75 (-943,9 [4] ) | 50.33 | -889,49 (-888,6 [4] ) | 55.04 (55.02 [4] ) | 67 |
anatasa | -933,03 (938,6 [4] ) | 49.92 | -877,65 (-888,3 [4] ) | 55,21 (55,48 [4] ) | 58 |
Debido al empaquetamiento más denso de iones en un cristal de rutilo, aumenta su atracción mutua, disminuye la actividad fotoquímica, la dureza (abrasividad), aumenta el índice de refracción (2,55 para anatasa y 2,7 para rutilo), constante dieléctrica .
El dióxido de titanio es anfótero , es decir, presenta propiedades tanto básicas como ácidas (aunque reacciona principalmente con ácidos concentrados).
Se disuelve lentamente en ácido sulfúrico concentrado, formando las correspondientes sales de titanio tetravalente:
Cuando se fusionan con óxidos, hidróxidos, carbonatos, se forman titanatos : sales de ácido titánico ( hidróxido de titanio anfótero TiO (OH) 2 )
Con peróxido de hidrógeno da ácido ortotitánico :
Cuando se calienta con amoníaco , da nitruro de titanio :
Cuando se calienta, se reduce con carbono y metales activos ( Mg , Ca , Na ) a óxidos inferiores.
Cuando se calienta con cloro en presencia de agentes reductores (carbono), forma tetracloruro de titanio .
El calentamiento a 2200 °C conduce primero a la eliminación de oxígeno con la formación de Ti 3 O 5 azul (es decir, TiO 2 Ti 2 O 3 ), y luego Ti 2 O 3 púrpura oscuro .
El dióxido hidratado TiO 2 n H 2 O [hidróxido de titanio(IV), oxohidrato de titanio, oxohidróxido de titanio], dependiendo de las condiciones de preparación, puede contener cantidades variables de grupos OH enlazados con Ti, agua estructural, residuos ácidos y cationes adsorbidos. El TiO 2 n H 2 O recién precipitado obtenido en frío es fácilmente soluble en ácidos orgánicos fuertes y minerales diluidos, pero casi insoluble en soluciones alcalinas. Peptizado fácilmente con la formación de soluciones coloidales estables .
Cuando se seca al aire, forma un polvo blanco voluminoso con una densidad de 2,6 g / cm³, acercándose en composición a la fórmula TiO 2 2H 2 O (ácido ortotitánico). Cuando se calienta y se seca durante mucho tiempo al vacío, se deshidrata gradualmente, acercándose en composición a la fórmula TiO 2 H 2 O (ácido metatitánico). Los precipitados de esta composición se obtienen durante la precipitación de soluciones calientes, durante la interacción del titanio metálico con HNO 3 , etc. Su densidad es de ~ 3,2 g / cm³ y superior. Prácticamente no se disuelven en ácidos diluidos, no pueden peptizar.
Con el envejecimiento del precipitado, el TiO 2 n H 2 O se convierte gradualmente en dióxido anhidro, que retiene los cationes y aniones adsorbidos en un estado ligado. El envejecimiento se acelera hirviendo la suspensión con agua. La estructura del TiO 2 formado durante el envejecimiento está determinada por las condiciones de depósito. La precipitación con amoníaco a partir de soluciones de ácido clorhídrico a pH < 2 da como resultado muestras con estructura de rutilo, a pH 2-5 con estructura de anatasa, y a partir de un medio alcalino, rayos X amorfo. Los productos con estructura de rutilo no se forman a partir de soluciones de sulfato.
Además, bajo la influencia de los rayos ultravioleta, puede descomponer el agua y los compuestos orgánicos.
Número de registro de la ONU - UN2546
Por inhalaciónTLV (concentración máxima permitida): como TWA (concentración promedio ponderada en el tiempo, EE. UU.) - 10 mg/m³ A4 (ACGIH 2001).
MPC en el aire del área de trabajo - 10 mg/m³ (1998)
IARC (IARC) clasifica el óxido de titanio como grupo 2B (potencialmente cancerígeno) si se inhalan nanopartículas [12] .
Como suplemento dietético E171Clasificación de seguridad alimentaria E171 (óxido de titanio) de la EFSA (Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria): aprobado para uso alimentario hasta 2022 por la directiva 94/36/CEE (en formularios separados) [13] , IDA no establecida, MoS 2250 mg/ kg [14 ] .
A fines de la década de 2010, aparecieron varias publicaciones del INRA sobre el estudio del óxido de titanio en ratones o en un número reducido de pacientes. La agencia EFSA envió una serie de preguntas a los autores de los artículos [15] y no encontró razón para reevaluar los riesgos en base a estas publicaciones, la opinión de 2016 sigue siendo válida [16] [17] .
En los Estados Unidos, según la FDA , se permite el uso del aditivo alimentario E171 (óxido de titanio) en productos alimenticios (a un nivel de no más del 1% en peso), en cosméticos, en la composición de medicamentos [18 ] , lo cual es confirmado por CFR Título 21 (Alimentos y Medicamentos). ) Capítulo I Subcapítulo A Parte 73 (LISTA DE ADITIVOS COLORANTES EXENTOS DE CERTIFICACIÓN) - § 73.575 Dióxido de titanio. [19]
Prohibido en Francia desde 2020 [20] . En 2021, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria dictaminó que, debido a los nuevos datos sobre las nanopartículas , el dióxido de titanio "ya no puede considerarse un aditivo alimentario seguro", no se puede descartar su genotoxicidad , que puede provocar efectos cancerígenos, y "Un No se puede establecer la ingesta diaria de este suplemento dietético". El Comisario Europeo de Sanidad ha anunciado planes para prohibir su uso en la Unión Europea [21]
Según Rospotrebnadzor , el aditivo alimentario E171 está aprobado para su uso en Rusia [22]
La producción mundial de dióxido de titanio a fines de 2004 alcanzó aproximadamente 5 millones de toneladas [23] .
Los principales productores y exportadores de dióxido de titanio:
En los últimos años, la producción de dióxido de titanio en China ha crecido extremadamente rápido .
El Instituto Estatal de Fertilizantes y Pigmentos Minerales de Sumy (MINDIP) en sus trabajos de investigación presta especial atención a las tecnologías de producción de óxido de titanio (IV) por el método del sulfato: investigación, desarrollo de nuevas marcas, modernización de tecnología y equipos de proceso.
Existen dos métodos industriales principales para obtener TiO 2 : a partir de concentrado de ilmenita (FeTiO 3 ) ya partir de tetracloruro de titanio . Dado que las reservas de ilmenita claramente no son suficientes para satisfacer las necesidades de la industria, una parte importante del TiO 2 se produce a partir de tetracloruro de titanio.
La primera planta para la producción de blanco de titanio a partir del mineral de titanio natural ilmenita FeTiO 3 se construyó en Noruega en 1918, sin embargo, los primeros lotes industriales de blanco eran amarillos debido a las impurezas de los compuestos de hierro y no eran adecuados para pintar , por lo que el titanio blanco En realidad, el blanco fue utilizado por artistas solo en 1922-1925. Cabe señalar que hasta 1925 sólo se disponía de pigmentos compuestos de titanio a base de barita o calcita .
Hasta la década de 1940 el dióxido de titanio se produjo en una modificación cristalina - anatasa (β-TiO 2 ) del sistema tetragonal con un índice de refracción de ~2,5
La tecnología de producción consta de tres etapas:
En 1938-1939. el método de producción ha cambiado: apareció el llamado método de cloro para la producción de blanco a partir de tetracloruro de titanio , por lo que el blanco de titanio comenzó a producirse en una modificación cristalina de rutilo (α-TiO 2 ), también syngony tetragonal , pero con diferentes parámetros de red y un índice de refracción ligeramente más alto en comparación con anatasa 2.61.
Existen tres métodos principales para obtener dióxido de titanio a partir de su tetracloruro:
Principales aplicaciones del dióxido de titanio:
2001 | 2002 | 2003 | 2004 | |
---|---|---|---|---|
America | 1730 | 1730 | 1730 | 1680 |
Europa Oriental | 1440 | 1470 | 1480 | 1480 |
Japón | 340 | 340 | 320 | 320 |
Australia | 180 | 200 | 200 | 200 |
Otros países | 690 | 740 | 1200 | 1400 |
Total | 4380 | 4480 | 4930 | 5080 |
Otras aplicaciones son en la fabricación de productos de caucho, la industria del vidrio (vidrio resistente al calor y óptico), como refractarios (recubrimiento de electrodos de soldadura y recubrimientos de moldes), en cosmética (jabón, etc.), en la industria farmacológica como pigmento y relleno para algunas formas de dosificación ( tabletas , etc.), en la industria alimentaria (aditivo alimentario E171 ) [27] .
Utilizado en procesos de purificación de aire por fotocatálisis .
Se está investigando el uso de dióxido de titanio en baterías fotoquímicas - celdas de Grätzel , en las que el dióxido de titanio, que es un semiconductor con una banda prohibida ancha de 3-3,2 eV (dependiendo de la fase cristalina) y una superficie desarrollada, es sensibilizado por colorantes orgánicos [28] .
El 7 de febrero de 2022, la UE prohibió el uso de dióxido de titanio (E171) en la industria alimentaria. El período transitorio tendrá una duración de 6 meses. El uso de dióxido de titanio en la industria farmacéutica continuará por el momento debido a la falta de sustancias alternativas. [29]
Los precios del dióxido de titanio difieren según el grado de pureza y la marca. Así, el dióxido de titanio especialmente puro (99,999%) en forma de rutilo y anatasa costaba en septiembre de 2006 entre 0,5 y 1 dólar por gramo (según el tamaño de la compra), y el dióxido de titanio técnico, entre 2,2 y 4,8 dólares por kilogramo, según la marca y el volumen de compra.
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