Книга: Жизнь замечательных веществ

1.11. Диоксид титана

1.11. Диоксид титана

Диоксид титана, он же оксид титана(IV), TiO₂, является одним из многих химических веществ – «ложных друзей переводчика». По-английски название этого вещества часто пишется как titania, что позволяет переводчикам переводить его как «титан», хотя сам металлический титан – titanium. Кстати, аналогичные трудности перевода бывают в паре и тройке silica – silicon; alum-alumina-aluminum. В первой паре речь идет соответственно об оксиде кремния (или просто кремнеземе) и кремнии (а не силиконе), а во втором случае – соответственно о квасцах, оксиде алюминия и алюминии.

Диоксид титана не является страшным ядовитым веществом, он даже не является нестрашным ядовитым веществом – мы можем встретить его в повседневной жизни в самых различных областях. Ежегодное мировое производство оксида титана составляет около 4 миллионов тонн, и его внешний вид, физические и химические свойства наряду с безопасностью в отношении токсичности приводят к тому, что диоксид титана можно найти в лакокрасочных материалах и солнечных батареях, кондитерских изделиях и зубной пасте, а также лекарственных препаратах.

В природе диоксид титана встречается в виде двух полиморфных кристаллических модификаций (двух неорганических веществ с одинаковым составом, но с разным строением кристаллической решетки) – рутила и анатаза, применяют диоксид титана также в виде двух этих модификаций (в ряде случаев получая искусственно). Рутил является несколько более распространенным в плане практического применения из-за более высокой устойчивости и большей белизны, ниша для более мягкого анатаза – применение в продуктах питания и лекарственных препаратах.

Обе формы диоксида титана известны в первую очередь благодаря своей белизне, из-за которой самой распространенной, но не единственной областью применения диоксида титана является лакокрасочная промышленность, в которой диоксид титана является самым известным и распространенным белым пигментом. Диоксид титана отличается высоким показателем преломления (из твердых веществ свет преломляет лучше только алмаз), что позволяет ему рассеивать свет и давать хорошую белую окраску, химическая же устойчивость этого материала приводит к тому, что покрашенные им поверхности длительное время сохраняют белизну.

Помимо лаков и красок диоксид титана является отбеливающим агентом в пищевой промышленности, где он известен под кодовым шифром E171. Эту добавку можно найти в мороженом, соусах для заправки салатов и кулинарных изделиях. Диоксид титана также можно встретить в зубных пастах (все-таки приятно наносить на зубную щетку белую пасту, а не серую), диоксид титана есть и в столь любимых школьниками и студентами корректорах текста (белой пасте, которой замазывают неправильные тексты). Есть варианты рецептур для дорожной разметки, в которой мел заменен диоксидом титана, разметка теннисных кортов и других спортивных площадок также зачастую не обходится без этого замечательного вещества.

Может показаться забавным, но самый известный после мела белый пигмент применяется в косметике для изготовления солнцезащитных кремов. Хотя диоксид титана и прозрачен для волн, относящихся к видимой области спектра, он может блокировать вредоносное ультрафиолетовое излучение, отражая, рассеивая и поглощая его.

Способность диоксида титана взаимодействовать с ультрафиолетом обеспечивает ещё одно важное свойство нашего замечательного вещества. Поглощая ультрафиолет, диоксид титана конвертирует его таким образом, что образуются свободные радикалы. В составе солнцезащитных кремов эти радикалы «перехватываются» наполнителями косметического средства, и коже не наносит вред ни ультрафиолет, ни радикалы. Вместе с тем в ряде практических областей энергию этих радикалов и их реакционную способность можно направить в нужное русло. Японский химик Акира Фудзисима пришел к выводу, что диоксид можно использовать как фотокатализатор при получении водорода из воды с помощью её разложения лучами солнечного света.

И хотя получение водорода из воды на титаноксидных катализаторах – это ещё перспективы, пусть, может быть, и не очень далекие, фотокатализ диоксидом титана применяется уже здесь и сейчас, правда, не в энергетике. Покрытие из диоксида титана используется в так называемых «самоочищающихся поверхностях»: радикалы, которые генерируются диоксидом титана, могут разрушать органические загрязнения, попавшие на такую поверхность, а продукты их распада могут быть просто легко смыты без применения чистящих и моющих средств обычной водой, скажем, дождевой, если такая самоочищающаяся поверхность нанесена на фасад здания. Уже известны самоочищающиеся стекла для окон и самоочищающиеся кухонные поверхности – мечта любой хозяйки и хозяина. Активно разрабатываются и самоочищающиеся ткани – в 2011 году группа исследователей из Поднебесной представила хлопчатобумажную ткань, содержащую диоксид титана. На испытаниях ткань старательно мазали шоколадом и фруктовыми соками, после чего подержали на солнечном свету пару часов, промыли водой, и ткань вернулась к исходной белизне. Это уже, как вы понимаете, мечта всех мам и пап, а также тех, кто имеет привычку кормить едой свою одежду, но также и кошмар для производителей стиральных машин и порошков.

Диоксид титана может разрушать не только загрязнения на ткани – он способен бороться с микробами. В 2008 году исследователи из Университета Манчестера разработали краску, содержащую диоксид титана. Эта краска при облучении ультрафиолетом может убивать ряд бактерий, представляющих собой больничные инфекции, и, что особенно радостно, резистетнтые к антибиотикам штаммы кишечной палочки и золотистого стафилококка.

Диоксид титана – это не только чистые дома, чистые зубы, белое мороженое и чистые палаты в больницах – он ещё дает нам и чистую энергию: диоксид титана является важным компонентом солнечных батарей определенного типа (солнечных батарей, сенсибилизированных красителем). В таких солнечных батареях органические красители поглощают солнечный свет (как хлорофилл поглощает его в листьях зеленых растений), и в результате возбуждения светом электроны с этих красителей переходят в слой из диоксида титана, по которому идёт к электроду, и создается электрический ток.

Уже сейчас разнообразное применение диоксида титана приводит к повышению на него спроса и увеличению стоимости на 50 %, а если диоксид титана станет системой для эффективного получения водорода из воды, повысятся ещё больше.