Biossido di titanio: proprietà, metodi di ottenimento

Il biossido di titanio si trova in tre forme cristalline diverse: il rutilo, l’anatasio e la brookite ed è usato quale pigmento bianco. Ha notevoli proprietà ottiche con un indice di rifrazione molto elevato vicino a quello del diamante. E’ un composto molto stabile e può essere riscaldato fino a 1700°C prima che avvenga la fusione.

Il biossido di titanio, prodotto per la prima volta un secolo fa, è significativo nell’industria grazie alla sua inerzia chimica, al basso costo e alla disponibilità. I suoi usi pratici derivano dalla sua duplice caratteristica di agire sia come semiconduttore che come diffusore di luce. Le prestazioni ottiche sono quindi rilevanti per comprendere l’impatto del biossido di titanio su questi settori.

Proprietà

Il biossido di titanio è uno dei materiali inorganici più interessanti, grazie alle sue molteplici proprietà come l’elevata fotosensibilità , la speciale idrofilicità, la disponibilità, la non tossicità e l’eco-compatibilità. Inoltre, le nanoparticelle possiedono un’elevata stabilità chimica e sono state usate in diversi processi di disinfezione e decontaminazione dell’acqua.

In natura presenta polimorfismo e esiste in tre diverse forme cristalline: anatasio (tetragonale), rutilo (tetragonale) e brookite (ortorombica). La fase anatasio possiede proprietà antibatteriche e trova applicazione in medicina, ed è la fase preferita per i processi fotocatalitici, mentre sotto forma di rutilo  è usato nei dispositivi optoelettronici . A seconda della forma cristallina cambiano le sue proprietà fisiche e le attività chimiche e biologiche.

Il biossido di titanio è un ossido metallico semiconduttore, che ha proprietà fisiche e chimiche peculiari (ad esempio, elevata attività, eccezionale stabilità e può essere utilizzato in un’ampia gamma di applicazioni tecnologiche come la fotocatalisi, la catalisi eterogenea, le celle solari sensibilizzate con coloranti e i dispositivi con sensori di gas

Ottenimento del biossido di titanio

Esso può essere ottenuto tramite due processi: il processo al solfato e il processo al cloruro che utilizzano i due principali minerali, ilmenite e rutilo rispettivamente particolarmente abbondanti in Australia e Sudafrica.

Processo al solfato

Il processo al solfato prevede tre fasi:

1)      Dissoluzione del minerale

2)      Formazione del biossido di titanio idrato

3)      Formazione del biossido di titanio anidro

Il minerale usato in tale processo è l’ilmenite FeTiO3: dopo essere stato macinato finemente viene trattato con acido solforico con formazione di una miscela di solfati, il solfato di titanile e il solfato di ferro (II) e solfato di ferro (III):

FeTiO3(s)  + 2 H2SO4(aq) → TiOSO4(aq) + FeSO4(aq) + 2 H2O(l)

Prima dell’estrazione del biossido di titanio lo ione ferrico viene convertito a ione ferroso usando limatura di ferro:

2 Fe3+(aq) + Fe(s) → 3 Fe2+(aq)

Eventuali solidi presenti sono eliminati per filtrazione dopo la sedimentazione. La soluzione, è  raffreddata e precipitano i cristalli di solfato di Ferro (II) che, a loro volta, sono allontanati per filtrazione.

La soluzione rimanente contiene solfato di titanile quindi lo stadio successivo prevede la formazione di biossido di titanio idrato secondo la reazione:

TiOSO4(aq) + H2O(l) → TiO2(s) + H2SO4(aq)

Il biossido di titanio idrato è portato alla temperatura di circa 800°C alla quale perde la sua acqua di idratazione.

Processo al cloruro

Il processo al cloruro prevede la conversione di rutile a cloruro di titanio (IV) e la successiva ossidazione di quest’ultimo.

Il rutile è scaldato a 900 °C in presenza di cloro e carbon coke con formazione di cloruro di titanio (IV) che è un composto volatile. Quest’ultimo è riscaldato in presenza di ossigeno a 1200 °C:

TiCl4(g) + O2(g) → TiO2(s) + 2 Cl2(g)

Oltre che come pigmento il biossido di titanio è usato quale catalizzatore, come protettore della pelle dai raggi U.V. in alcune creme cosmetiche. In forma di nanoparticelle è usato in filtri solari, coloranti alimentari, superfici autopulenti e coloranti.

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