أكسيد التيتانيوم، المعروف أيضًا باسم ثاني أكسيد التيتانيوم، هو صبغة بيضاء طبيعية تستخدم عادة في الدهانات والطلاءات والبلاستيك وواقيات الشمس. لديها معامل انكسار عالي وعتامة.
| اسم الأيوباك | أكسيد التيتانيوم (الرابع). |
| الصيغة الجزيئية | ثاني أكسيد التيتانيوم |
| CAS رقم | 13463-67-7 |
| المرادفات | ثاني أكسيد التيتانيوم، التيتانيوم، الأناتاس، البروكيت، الروتيل، المنخل الجزيئي ثماني السطوح (OMS)، E171 |
| إنتشي | InChI=1S/2O.Ti |
| InChIKey=ZQIUJXQCIJLZJK-UHFFFAOYSA-N |
خصائص ثاني أكسيد التيتانيوم
الكتلة المولية لأكسيد التيتانيوم
تبلغ الكتلة المولية لأكسيد التيتانيوم (TiO2) حوالي 79.87 جم/مول. وهو مسحوق أبيض، عديم الرائحة والمذاق، غير قابل للذوبان في الماء والمذيبات العضوية. يتم حساب الكتلة المولية عن طريق إضافة الكتل الذرية لذرة تيتانيوم واحدة وذرتي أكسجين التي تشكل جزيء TiO2 واحد. هذه القيمة مهمة لتحديد قياس العناصر الكيميائية للتفاعلات الكيميائية التي تشمل أكسيد التيتانيوم.
نقطة غليان أكسيد التيتانيوم
ليس لدى أكسيد التيتانيوم نقطة غليان محددة جيدًا لأنه يتحلل قبل أن يصل إلى نقطة الانصهار. تعتمد درجة حرارة تحلل TiO2 على التركيب البلوري وحجم الجسيمات ونقاء المادة. على سبيل المثال، يتحلل الروتيل TiO2 عند حوالي 1850 درجة مئوية، بينما يتحلل Anatase TiO2 عند درجة حرارة أقل، حوالي 1600 درجة مئوية. عند درجات حرارة أعلى، يتم تقليل أكسيد التيتانيوم إلى التيتانيوم المعدني. هذه الخاصية تجعلها مادة مفيدة في تطبيقات درجات الحرارة العالية، مثل بطانات الأفران والطوب الحراري.
نقطة انصهار أكسيد التيتانيوم
تعتمد نقطة انصهار أكسيد التيتانيوم على تركيبه البلوري. يحتوي Anatase TiO2 على نقطة انصهار تبلغ حوالي 1550 درجة مئوية، في حين أن الروتيل TiO2 لديه نقطة انصهار أعلى تبلغ حوالي 1850 درجة مئوية. تتأثر نقطة انصهار TiO2 أيضًا بالشوائب الموجودة في المادة، مثل الحديد والمعادن الانتقالية الأخرى، والتي يمكن أن تخفض نقطة الانصهار وتغير البنية البلورية. في درجات حرارة عالية، يمكن أن يخضع أكسيد التيتانيوم للاختزال ليشكل معدن التيتانيوم.
كثافة أكسيد التيتانيوم جم/مل
تعتمد كثافة أكسيد التيتانيوم على التركيب البلوري وحجم الجسيمات. تبلغ كثافة Anatase TiO2 3.78 جم / سم 3، بينما تبلغ كثافة الروتيل TiO2 4.23 جم / سم 3. تؤثر الشوائب الموجودة في المادة على البنية البلورية لـ TiO2 ويمكن أن تغير كثافة تعبئة جزيئاتها، وبالتالي تؤثر على كثافتها. بالمقارنة مع أكاسيد المعادن الأخرى، يتمتع أكسيد التيتانيوم بكثافة منخفضة، مما يجعله مادة مفيدة في التطبيقات التي تكون فيها نسبة الوزن إلى الحجم منخفضة.
الوزن الجزيئي لأكسيد التيتانيوم
يبلغ الوزن الجزيئي لأكسيد التيتانيوم (TiO2) حوالي 79.87 جم/مول. وهو مركب يتكون من ذرة تيتانيوم واحدة وذرتين أكسجين. الوزن الجزيئي مهم في تحديد قياس العناصر الكيميائية للتفاعلات الكيميائية التي تنطوي على أكسيد التيتانيوم، فضلا عن خصائصه الفيزيائية والكيميائية.
هيكل ثاني أكسيد التيتانيوم
يحتوي ثاني أكسيد التيتانيوم على ثلاثة هياكل بلورية رئيسية: الروتيل والأناتاز والبروكيت. الروتيل هو الأكثر استقرارًا وله بنية بلورية رباعية الزوايا، في حين أن الأناتاز لديه بنية رباعية أكثر انفتاحًا وتشويهًا. يحتوي Brookite على هيكل بلوري معيني تقويمي. يؤثر التركيب البلوري لثاني أكسيد التيتانيوم على خواصه الفيزيائية والكيميائية، مثل كثافته ونقطة الانصهار والتفاعلية. يمكن تعديل بنية ثاني أكسيد التيتانيوم عن طريق التطعيم بمعادن أخرى أو عن طريق تغيير ظروف التوليف، مما ينتج عنه مواد ذات خصائص وتطبيقات فريدة.
صيغة ثاني أكسيد التيتانيوم
الصيغة الكيميائية لثاني أكسيد التيتانيوم هي TiO2، مما يدل على أن كل جزيء TiO2 يحتوي على ذرة تيتانيوم واحدة وذرتي أكسجين. الصيغة مهمة لتحديد قياس العناصر الكيميائية للتفاعلات الكيميائية التي تنطوي على ثاني أكسيد التيتانيوم، فضلا عن خصائصه الفيزيائية والكيميائية. يمكن أيضًا استخدام الصيغة لحساب كمية ثاني أكسيد التيتانيوم اللازمة في تطبيق معين، مثل إنتاج الأصباغ والطلاء والسيراميك.
| مظهر | بودرة بيضاء |
| جاذبية معينة | 3.9 – 4.25 |
| لون | أبيض |
| يشم | عديم الرائحة |
| الكتلة المولية | 79.87 جرام/مول |
| كثافة | 3.78 – 4.23 جم/سم3 |
| نقطة الانصهار | 1550 درجة مئوية (أناتاز) – 1850 درجة مئوية (الروتيل) |
| نقطة الغليان | ينهار قبل الغليان |
| نقطة فلاش | غير قابل للتطبيق |
| الذوبان في الماء | لا يتحلل في الماء |
| الذوبان | غير قابلة للذوبان في الماء والمذيبات العضوية |
| ضغط البخار | غير قابل للتطبيق |
| كثافة بخار | غير قابل للتطبيق |
| pKa | غير قابل للتطبيق |
| الرقم الهيدروجيني | 6.5 – 8.5 |
هل ثاني أكسيد التيتانيوم آمن؟
يعتبر ثاني أكسيد التيتانيوم بشكل عام آمنًا وغير سام. إنها غير قابلة للاشتعال أو الانفجار أو التفاعل مع المواد الكيميائية الأخرى. ومع ذلك، مثل أي جسيم دقيق، يمكن أن يكون مهيجًا للجهاز التنفسي إذا تم استنشاقه بتركيزات عالية، مما قد يسبب السعال وضيق الصدر وضيق التنفس. التعرض لفترات طويلة لمستويات عالية من الغبار يمكن أن يسبب أيضًا تلفًا في الرئة. من المهم التعامل مع ثاني أكسيد التيتانيوم في منطقة جيدة التهوية وارتداء معدات الحماية الشخصية المناسبة، مثل قناع الغبار، عند التعامل مع كميات كبيرة. بالإضافة إلى ذلك، يجب تجنب الابتلاع العرضي أو ملامسة العين لثاني أكسيد التيتانيوم.
| رموز الخطر | لا أحد |
| وصف الأمان | لا تعتبر خطرة في ظل ظروف الاستخدام العادية |
| أرقام تعريف الأمم المتحدة | غير قابل للتطبيق |
| رمز النظام المنسق | 28230000 |
| فئة الخطر | لا تصنف على أنها خطيرة |
| مجموعة التعبئة | غير قابل للتطبيق |
| تسمم | تعتبر بشكل عام غير سامة، ولكنها قد تكون مهيجة للجهاز التنفسي إذا تم استنشاقها بتركيزات عالية. |
طرق تصنيع أكسيد التيتانيوم
يمكن تصنيع أكسيد التيتانيوم بعدة طرق، بما في ذلك العمليات الكيميائية والفيزيائية. الطرق الأكثر شيوعًا هي:
- تقوم عملية الكبريتات بتفاعل خامات التيتانيوم مع حامض الكبريتيك لإنتاج شكل مائي من ثاني أكسيد التيتانيوم، والذي يخضع للتكليس في درجات حرارة عالية للحصول على المنتج النهائي.
- تتضمن عملية الكلوريد تفاعل خامات التيتانيوم مع غاز الكلور لتكوين رابع كلوريد التيتانيوم، والذي يخضع بعد ذلك للتحلل المائي للحصول على ثاني أكسيد التيتانيوم.
- في طريقة السول-جل، يتبع التحلل المائي لألكوكسيدات التيتانيوم في المحلول تفاعل تكثيف يشكل مادة هلامية. بعد ذلك، يخضع الجل للتجفيف والتكلس لإنتاج أكسيد التيتانيوم.
- تنتج عملية تصنيع اللهب جزيئات أكسيد التيتانيوم عن طريق حرق الوقود والمؤكسد في اللهب لتوليد تيار غاز عالي الحرارة. يتم حقن مادة التيتانيوم في اللهب، حيث تتفاعل وتشكل الجزيئات.
- في طريقة التخليق الحراري المائي، تخضع مادة التيتانيوم للذوبان في محلول مائي عند درجة حرارة عالية وضغط مرتفع، مما يعزز نمو بلورات أكسيد التيتانيوم.
يعتمد اختيار الطريقة على الخصائص المرغوبة لمنتج أكسيد التيتانيوم، بالإضافة إلى تكلفة العملية وجدواها. كل طريقة لها مزاياها وقيودها، ويواصل الباحثون استكشاف طرق جديدة لتجميع أكسيد التيتانيوم مع تحسين الخصائص والأداء.
ما هو ثاني أكسيد التيتانيوم المستخدمة ل؟
يتمتع أكسيد التيتانيوم بمجموعة واسعة من التطبيقات نظرًا لخصائصه الفريدة، بما في ذلك معامل الانكسار العالي والعتامة العالية والمقاومة الممتازة للأشعة فوق البنفسجية. بعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا لأكسيد التيتانيوم هي:
- تستخدم صناعة الأصباغ ثاني أكسيد التيتانيوم على نطاق واسع في الدهانات والطلاءات والبلاستيك والورق لأنه يوفر عتامة عالية وسطوعًا ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية، مما يجعله خيارًا شائعًا للتطبيقات الخارجية.
- يستخدم المصنعون عادةً ثاني أكسيد التيتانيوم في مستحضرات الوقاية من الشمس ومنتجات التجميل الأخرى باعتباره ممتصًا فعالًا للأشعة فوق البنفسجية لحماية البشرة من الأشعة فوق البنفسجية.
- يعتمد إنتاج المواد الخزفية، بما في ذلك السيراميك الكهربائي والمحولات الحفازة وطلاء السيراميك، بشكل كبير على ثاني أكسيد التيتانيوم كمكون رئيسي.
- في التفاعلات الكيميائية المختلفة، بما في ذلك إنتاج البولي إيثيلين والبوليمرات الأخرى، يعمل ثاني أكسيد التيتانيوم كمحفز.
- تستخدم صناعة الإلكترونيات ثاني أكسيد التيتانيوم في إنتاج الأجهزة الإلكترونية، مثل المكثفات والمقاومات، وذلك بسبب ثابت العزل الكهربائي العالي وانخفاض التوصيل الكهربائي.
- لتحسين انعكاسها ومتانتها، يقوم المصنعون بتطبيق طبقة رقيقة من ثاني أكسيد التيتانيوم على العدسات والمرايا والمكونات البصرية الأخرى، والتي تستخدم على نطاق واسع في صناعة الطلاء البصري.
- نظرًا لتوافقه الحيوي الممتاز ومقاومته للتآكل، تستخدم عمليات الزرع الطبية، مثل زراعة الأسنان، ثاني أكسيد التيتانيوم في التطبيقات الطبية الحيوية.
يسلط تنوع تطبيقات أكسيد التيتانيوم الضوء على أهميته في مختلف الصناعات وإمكاناته في الابتكارات المستقبلية.
الأسئلة: ثاني أكسيد التيتانيوم في الأطعمة
ثاني أكسيد التيتانيوم هو مادة مضافة للأغذية تستخدم عادة لتبييض وتفتيح المنتجات الغذائية. غالبًا ما يُدرج على ملصق مكونات المنتجات الغذائية اسم E171 أو “ثاني أكسيد التيتانيوم”. تمت الموافقة عليه كملون غذائي في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي والعديد من البلدان الأخرى. يستخدمه المصنعون لإعطاء مظهر أبيض لامع ولتحسين نسيج واتساق المنتجات الغذائية، بما في ذلك الحلوى والعلكة والمخبوزات ومنتجات الألبان والمشروبات. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامه كعامل نشر للضوء لتحسين عتامة بعض المنتجات الغذائية.
على الرغم من أن ثاني أكسيد التيتانيوم يعتبر آمنًا للاستخدام الغذائي بشكل عام، إلا أن هناك قلقًا من أن استهلاكه بكميات كبيرة قد يكون ضارًا. وتشير الدراسات إلى أن جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية يمكن أن يكون لها آثار سامة على صحة الإنسان، وخاصة على الجهاز الهضمي. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لتحديد مدى سلامة ثاني أكسيد التيتانيوم في الأطعمة.
اتخذت بعض البلدان خطوات للحد من استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم في الأطعمة. على سبيل المثال، حظرت فرنسا استخدام ثاني أكسيد التيتانيوم كمضاف غذائي في عام 2020، ويقوم الاتحاد الأوروبي حاليًا بمراجعة سلامة ثاني أكسيد التيتانيوم في الغذاء. يجب أن يكون المستهلكون على دراية بالمخاطر والفوائد المحتملة لثاني أكسيد التيتانيوم، كما هو الحال مع أي مادة مضافة للأغذية، وأن يتخذوا خيارات مستنيرة بشأن الأطعمة التي يستهلكونها.