酸化チタン(IV)

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酸化チタン(IV)
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IUPAC名

titanium(IV) oxide
別称
二酸化チタン
チタニア
金紅石
アナタース
板チタン石
識別情報
CAS登録番号 13463-67-7
KEGG C13409
RTECS番号 XR2775000
特性
化学式 TiO2
モル質量 79.87 g/mol
外観 白色固体
密度 構造により異なる
融点

1870 °C
沸点

2972 °C
熱化学
標準生成熱 ΔfHo -944.7 kJ mol-1(rutile)[1]
標準モルエントロピー So 50.33 J mol-1K-1(rutile)
標準定圧モル比熱, Cpo 55.02 J mol-1K-1(rutile)
危険性
引火点 不燃性
特記なき場合、データは常温（25 °C）・常圧（100 kPa）におけるものである。

酸化チタン(IV)（さんかチタン よん、英: titanium(IV) oxide）は組成式 TiO2、式量79.9の無機化合物。チタンの酸化物で、二酸化チタンや、単に酸化チタン、およびチタニアとも呼ばれる。

天然には金紅石（正方晶系）、鋭錐石（正方晶系）、板チタン石（斜方晶系）の主成分として産出する無色の固体で光電効果を持つ金属酸化物。屈折率はダイヤモンドよりも高い。

目次

構造 [編集]

結晶構造にはアナターゼ型（正方晶）、ルチル型（正方晶、図参照）、ブルッカイト型（斜方晶）がある。アナターゼ型の酸化チタン(IV)を900 °C以上に加熱すると、ルチル型に転移する。また、ブルッカイトを650 °C以上に加熱すると、やはりルチル型に転移する。ルチル型は最安定構造であるため、一度ルチルに転移すると低温に戻してもルチル型を維持する。

用途 [編集]

  • 顔料・着色料

白色の塗料、絵具、釉薬、化合繊用途などの顔料として使われる。塗料の顔料には触媒としての活性の低く熱安定性等に優れるルチル型が用いられ、チタン白、チタニウムホワイトと呼ばれる。絵具として他の色と混ぜて使った場合、日光に長期間さらされると光触媒の作用によって脱色したり、絵具が割れてしまったりする場合がある[2][3][4][5]。また、人体への影響が小さいと考えられているため、食品や医薬品、化粧品の着色料（食品添加物）として利用されている。

アナターゼ型とルチル型が用いられるが、アナターゼ型の方がバンドギャップが大きく一般的に光触媒としての活性が高い。

光を照射すると導電化する性質を利用し感光体として用いられる。感光波長が紫外域のため明室処理が可能。酸化亜鉛を利用した従来のものよりも耐久性が高く、解像度も高い。

固体触媒の担体として用いられる場合がある。

  • 日焼け止め

400 nmよりも短波長の光を強く吸収する一方で、可視光吸収は無いため日焼け止め（サンスクリーン剤）にも使われる [6]。

増感色素を担持させて可視光線～赤外線を取り込む電極材料として注目されている。

化学的性質 [編集]

酸化チタン(IV)は、フッ化水素酸、熱濃硫酸および溶融アルカリ塩に溶解するが、それ以外の酸、アルカリ、水および有機溶剤には溶解しない。

アナターゼ型のバンドギャップは3.2 eVであり、387 nmより短波長の光を吸収すると価電子帯の電子が伝導帯に励起され、自由電子と正孔を生成する。通常は直ちに再結合し、熱に変わる。

600 °C以上では水素ガスにより部分的に還元され、青色のチタン(III)の混ざった酸化物を生成する。ただし酸素に触れると速やかに酸化チタン(IV)に戻る。従って、酸化チタン(IV)に担持した貴金属触媒を高温で水素還元すると、SMSI (Strong Metal Support Interaction) を発生しやすい。900℃以上の水素中で還元した場合は、濃青色の不定比組成の酸化チタンTiOx（x=1.85～1.94）を生成する[7]。常温常圧で酸素に触れても安定である。この組成では斜方晶系の結晶構造をもち、熱電変換能を示す[8] [9] 。

製造 [編集]

イルメナイト鉱石（FeTiO3）

工業的生産では原料にルチル鉱石またはイルメナイト鉱石（FeTiO3）が用いられている。主な製造法には塩素法（気相法）と硫酸法（液相法）の二種類があり、欧米では塩素法、日本では硫酸法が主流である。

塩素法は原料（ルチル鉱石）をコークス・塩素と反応させ、一度ガス状の四塩化チタンにする。ガス状の四塩化チタンを冷却して液状にした後、高温で酸素と反応させ、塩素ガスを分離することによって酸化チタンを得る。

硫酸法は原料（イルメナイト鉱石）を濃硫酸に溶解させ、不純物である鉄分を硫酸鉄（FeSO4）として分離し、一度オキシ硫酸チタン（TiOSO4）にする。これを加水分解するとオキシ水酸化チタン（TiO(OH)2）となり沈殿する。この沈殿物を洗浄・乾燥し、焼成することによって酸化チタンを得る[10]。

日本では石原産業、堺化学工業、テイカ、チタン工業、富士チタン工業などが製造している。

アナターゼ型酸化チタンの2007年の日本国内生産量は39,071トンである。ルチル型酸化チタンの2007年の日本国内生産量は206,905トンである[11]。

安全性 [編集]

世界保健機関は「発がん性の可能性がある」と指摘している。微粒子かつ水に溶けないため粉塵の吸引が肺に与える影響が懸念されている。IARC は、発がん性に関してグループ3（ヒトに対する発癌性が分類できない）に分類していたが、2006年にグループ2B（人に対して発がん性がある可能性があるもの）に変更している[12]。

また直接体内に導入した事例では、酸化チタン(IV)の微粒子を妊娠中のマウスに注射すると、生まれた子の脳や精巣に粒子が入り込み、細胞死や機能低下を引き起こすことが、東京理科大学の武田健教授と栃木臨床病理研究所の菅又昌雄所長らの研究で指摘されている。

出典 [編集]

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  1. ^ D.D. Wagman, W.H. Evans, V.B. Parker, R.H. Schumm, I. Halow, S.M. Bailey, K.L. Churney, R.I. Nuttal, K.L. Churney and R.I. Nuttal, The NBS tables of chemical thermodynamics properties, J. Phys. Chem. Ref. Data 11 Suppl. 2 (1982).
  2. ^ http://nanonet.mext.go.jp/modules/news/article.php?a_id=690
  3. ^ http://www.nipponpaint.co.jp/r&d/tc14/k1.pdf
  4. ^ http://www.kanagawa-iri.go.jp/kitri/kouhou/kenkyu_houkoku/H19/12houkoku.pdf
  5. ^ http://www.photocatalysis.com/sekininsya/sekininsha_koushuu/3-5.suishitu-jouka-gijutu_.pdf
  6. ^ “日焼け止め成分（サンスクリーン剤）の有効成分一覧”. 薬辞苑、オフィスミックス（大阪）. 2009年2月1日閲覧。
  7. ^ I. Tsuyumoto, H. Uchikawa (2000). “New Orthorhombic Titanium Oxide, TiO1.94”. Journal of Materials Science Letters 19 (23): 2075. doi:10.1023/A:1026733617500. 
  8. ^ I. Tsuyumoto, T. Hosono, M. Murata (2006). “Thermoelectric power in nonstoichiometric orthorhombic titanium oxides”. Journal of the American Ceramic Society 89 (7): 2301. doi:10.1111/j.1551-2916.2006.00979.x. 
  9. ^ “新しい不定比酸化チタンを利用した熱電変換素子の開発”. 日産科学振興財団研究報告書. 2009年2月1日閲覧。
  10. ^ チタン鉱
  11. ^ “経済産業省生産動態統計調査 (Microsoft Excelファイル)”. 経済産業省. 2009年2月1日閲覧。
  12. ^ “93-titaniumdioxide (PDF)” (英語). 人間への発癌性リスク評価の専攻論文集. 国際がん研究機関（IARC） (2006年2月27日). 2009年2月1日閲覧。

参照文献 [編集]

関連項目 [編集]

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