Titan(IV)-oxid

Rutil ist ein tetragonales Mineral von meist prismatischem Habitus. Der Name Rutil stammt vom lateinischen rutilus – rötlich. Rutil hat eine Dichte von 4,26 g/cm³. Es wird besonders gerne als Weißpigment eingesetzt.
Anatas bildet tetragonale holoedrische Kristalle (holoedrisch bedeutet die höchstsymmetrische Gruppe innerhalb eines Kristallsystems, im tetragonalen damit 4/m 2/m 2/m). Anatas wandelt sich allmählich (ab einer Temperatur von über 700 °C schneller) irreversibel in Rutil um. Die Dichte von Anatas beträgt 3,88 g/cm³. Anatas dient ebenfalls als Weißpigment.
Brookit bildet orthorhombische Minerale und dient nicht als Weißpigment. Auch Brookit geht unterhalb des Schmelzpunktes in Rutil über.

Da die natürlichen Vorkommen störende Färbungen aufweisen, die z. B. durch Eisen im Ilmenit (FeTiO₃) hervorgerufen werden, werden diese im Sulfatverfahren oder Chloridverfahren (bevorzugt) raffiniert.

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

Durch Solvolyse (Hydrolyse) der Ti(IV)-Verbindung:

$\mathrm{TiO(SO_4) + 2 \ H_2O \longrightarrow \ TiO_2\cdot xH_2O + H_2SO_4}$

Bei der Herstellung von Titanoxid aus Ilmenit nach dem Sulfatverfahren entsteht Dünnsäure (verdünnte Schwefelsäure), die meist nach Aufkonzentration für den Ilmenit-Aufschluss wiederverwendet wird. In einigen Ländern wird diese Dünnsäure bis heute zum Teil in Flüsse und Meere geleitet oder verklappt.

Die Gewinnung nach dem Chloridverfahren, vorwiegend aus Rutil oder TiO₂-Schlacke, lässt dagegen keine Dünnsäure entstehen. Das verwendete Chlor bleibt weitgehend im Prozesskreislauf.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Der Schmelzpunkt von Titandioxid liegt bei 1855 °C. Es ist thermisch stabil, beständig, hat einen hohen Brechungsindex (2,8) und daher ein großes Färbe- und Deckvermögen. Titandioxid ist chemisch sehr inert. Es ist lichtbeständig, preiswert, bisherigen Untersuchungen zu Folge ungiftig und daher das bedeutendste Weißpigment.

[Bearbeiten] Verwendung

Wirkweise eines Effekt-Pigmentes mit mehrfarbigem Perlmuttglanz

Titandioxid findet überwiegend als weißes Farbmittel Verwendung. Seine hervorragende Eignung als weißes Pigment wurde 1908 in Norwegen und den USA entdeckt. Ab 1916 wurde das Pigment bereits unter der Bezeichnung Kronos Titan White kommerziell hergestellt. In Deutschland begann die Produktion im Jahr 1924 zunächst unter dem Namen Degea-Titanweiß. Bis 1938 wurde das Titanweiß nur in der Anatasform hergestellt, dann aber zunehmend in der Rutilform, die sich als stabiler gegenüber Ölbindemitteln und organischen Farbstoffen erwies. Es wurde daher auch als Rutilweiß bezeichnet.

Titanweiß hat die höchste Deckkraft aller Weiß pigmente und ein hervorragendes Aufhellungsvermögen. Es ist chemisch stabil, ungiftig und unter der Kennzeichnung E 171 als Lebensmittelzusatzstoff beispielsweise in Zahnpasta und Hustenbonbons anzutreffen. Auch in der Ölmalerei findet es teilweise Verwendung.

Im technischen Bereich findet es Verwendung in Farben und Lacken, Textilien), in Papier sowie als UV-Blocker in Sonnencremes und Aufheller in Arzneimitteln (Tabletten).

Der photokatalytische Effekt von TiO₂-Nanopartikeln wird in Verbindung mit der UV-Aktivität für „selbstreinigende“ Oberflächen genutzt (photokatalytische Selbstreinigung).

Wiederum auf den Halbleitereigenschaften des Titandioxids basiert die Farbstoffsolarzelle (Grätzel-Zelle). Mit Hilfe von Titandioxid gelang die Herstellung von Memristoren^[2].

Titandioxid wird ebenfalls als Hauptbestandteil des Keramik-Dielektrikums in Klasse 1 Keramikkondensatoren eingesetzt.

Titandioxid in der Anatas-Modifikation ist Hauptbestandteil der Katalysatoren, die für die industrielle Entstickung von Rauchgasen nach dem SCR-Verfahren eingesetzt werden.

TiO₂ wird auch im Bereich der Veredlung von Fliesen oder in Putzen verwendet, was dazu führt, dass die damit behandelten Oberflächen schmutzabweisend werden.^[3]

In einer speziellen Einarbeitung in Farben soll das TiO₂ bei Lichteinfall aktiv bleiben. Damit dient der photokatalytische Mechanismus des Ti^(III)O⁺/Ti^(IV)O₂ der Luftreinigung. So kann in belasteter Zimmerluft oder an vielbefahrenen Straßen durch Schadstoffzersetzung der Verbesserung der Atemluft dienen.^[4]

Eine Möglichkeit Fasern aus Wolle, Baumwolle oder Hanf mit dieser Reinigungswirkung zu versehen wurde durch die Kopplung über Carboxyl-Gruppen erreicht. Somit ist es möglich Textilien durch Hydroxil-Radikale gegen Flecke und gegen Krankheitskeime zu schützen. Im Experiment der australischen Forscher waren selbst Rotweinflecke nach 20 Stunden Sonnenlicht beseitigt.^[5]

[Bearbeiten] Nachweis

Titanperoxid

In der Kälte frisch gefälltes Titandioxid ist amphoter und in verdünnten Mineralsäuren löslich. Ein Aufschluss erfolgt mit Kaliumhydrogensulfat im Porzellantiegel. Anschließend wird in kaltem Wasser mit etwas Schwefelsäure gelöst. Mit einigen Tropfen Wasserstoffperoxid bildet sich das gelbe (basisch) bis gelborange (sauer, Foto) [Ti(O₂)·aq]²⁺-Kation. Mit Salzsäure und Zink(granalie) bildet sich nascierender Wasserstoff, der Ti(IV) zu rotviolettem [Ti(H₂O)₆]³⁺ reduziert.

Ein Nachweis ist auch das organische Reagenz: Titangelb.