Диоксид титана

Введение

Целью настоящего методического руководства к лабораторной работе является не только экспериментальное выполнение операций неорганического синтеза, но также и формирование навыков научно-исследовательской деятельности у студентов химического факультета. В ней предлагаются методические рекомендации для выполнения работы и изучения свойств полученного соединения в лабораторном практикуме по «Неорганической химии» для студентов 1 курса химического факультета, а также для выполнения курсовых и дипломных работ. Для выполнения практического задания студенты должны проанализировать все стадии синтеза, обосновать выбор реагентов и условий, выполнить необходимые расчеты, проанализировать физические и химические свойства реагентов и продуктов, написать возможные реакции, определить выход продуктов.

Такой подход дает студентам представление об исследованиях, проводимых на кафедре неорганической химии Белгосуниверситета, способствует реализации их творческих способностей, обеспечивает развитие аналитического мышления.

Цель работы

Получение наноразмерных структур TiO₂-гетерополисоединения, представляющих собой ядро из полупроводникового оксида и монослойной оболочки из гетерополисоединений, знакомство с методами молекулярного наслаивания, демонстрация фотохромного эффекта.

Приборы и посуда

Аналитические весы, мешалка, центрифуга, УФ-лампа.

Колбы, цилиндры, бюретки, пипетки, колба Бюнзена, воронка Бюхнера, обратный холодильник.

Меры предосторожности

Не трогайте, не включайте и не выключайте без разрешения преподавателя рубильники, электроприборы

Все опыты c аммиаком и с концентрированными кислотами и щелочами проводят только под тягой.

Разбавляя концентрированные кислоты, особенно серную осторожно вливайте кислоту в воду.

Теоретическая часть

Диоксид титана

Диоксид титана может быть получен в виде дисперсий и пленок как с использованием процесса гидролиза различных органических и неорганических прекурсоров (алкоксидов, сульфата, хлорида титана), так и окислением металлического титана или солей титана (III) (чаще всего TiCl₃). В зависимости от условий синтеза и температуры прогрева полученный диоксид титана может представлять собой либо смесь аморфного и кристаллического TiO₂, либо только кристаллический TiO₂ трех кристаллических модификаций (анатаз, рутил, брукит).

Полученный гидролизом гидратированный диоксид TiO₂·nH₂O [гидроксид титана(IV), оксо-гидрат титана, оксогидроксид титана] в зависимости от условий получения может содержать переменные количества связанных с Ti групп ОН, структурную воду, кислотные остатки и адсорбированные катионы. Полученный на холоде свежеосажденный TiO₂·nH₂O хорошо растворяется в разбавленных минеральных и сильных органических кислотах, но почти не растворяется в растворах щелочей. Легко пептизируется с образованием устойчивых коллоидных растворов.

Диоксид титана находит применение в производстве лакокрасочных материалов (в частности, титановых белил), пластмасс, ламинированной бумаги, косметических средств, в пищевой и фармацевтической промышленности. В последние годы внимание исследователей привлекают нанокристаллические оксидные материалы, обладающие рядом уникальных свойств. Высокодисперсные порошки TiO₂ широко используются для получения газовых сенсоров, диэлектрической керамики, красителей и т.д. Однако повышенный интерес к TiO₂ стал проявляться после установления его высокой фотокаталитической активности, позволяющей реализовать процессы, в результате которых образуются нетоксичные продукты.

На современном этапе развития науки фотокатализ определяют как «изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий»

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ TiO₂ КАК ФОТОКАТАЛИЗАТОРА

ТiO₂ - полупроводниковое соединение. Согласно современным представлениям, в таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном. В первом состоянии электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Тi⁴⁺ и анионами кислорода О^2- Во втором состоянии — основном электроны связаны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длиной волны l < 390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы ТiO₂ рождаются свободный электрон и электронная вакансия (в физике полупроводников такая электронная вакансия называется дыркой).

Электрон и дырка — достаточно подвижные образования, и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически процессы, происходящие на частице ТiO₂, изображены на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое изображение процессов, идущих на полупроводниковой частице

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон — это, вероятно, Тi³⁺ на поверхности, а дырка (электронная вакансия) локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О^-. Они чрезвычайно реакционноспособны. В терминах окислительно-восстановительных потенциалов реакционная способность электрона и дырки на поверхности ТiO₂ характеризуется следующими величинами: потенциал электрона ~ -0,1 В, потенциал дырки ~ + 3 В относительно нормального водородного электрода. Иными словами, электрон e^- и дырка h⁺ рождают последовательность реакций:

e^- + O_2ads ®O₂^·-_ads,

e^- + O₂^·-_ads + 2H⁺ ® H₂O₂,

O₂^·-_ads + H⁺ ® HO₂^·_ads,

H₂O₂ + OH^·_ads ® H₂O + HO₂^·_ads.

2 HO₂^·_ads ® H₂O₂ + O₂,

HO₂^·_ads + H₂O₂ ® H₂O + OH^·_ads + O₂

h⁺ + H₂O_ads ®OH^·_ads + H⁺

h⁺ + OH^-_ads ®OH^·_ads

h⁺ + С_хH_yO_z® ^·С_хH_y-1O_z + H⁺

И таким образом, поверхность ТiO₂ под светом становится сильнейшим окислителем, что используется в процессах фотодеградации органических загрязнений в сточных водах, которые имеют заметные преимущества по сравнению с другими методами разложения органических загрязнений. К ним относятся: экологическая чистота, высокая эффективность катализа, экономия энергии и эффективность каталитического процесса по отношению к практически всем классам органических соединений, загрязняющих воду.

Поиск по сайту: