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Unterschiedliche Modifikationen

In der Natur kommt reines Titandioxid in drei verschiedenen Modifikationen vor, d.h. die Titan- und Sauerstoffatome ordnen sich auf drei verschiedene Arten im Kristall an. Die Modifikationen heißen Rutil, Anatas und Brookit. Bisher werden nur die ersten zwei Modifikationen technisch genutzt, da sie leicht herstellbar sind. Es gibt zahlreiche Eigenschaften die von dieser Atomanordnung abhängen. Rutil hat beispielsweise bessere optische Eigenschaften.  

 

Weiß, weißer, nano: Optische Eigenschaften

Licht hat unter anderem Eigenschaften einer Welle, wobei wir nur Wellen einer bestimmten Länge (nämlich 380 bis 780 nm) sehen können. Trifft diese Welle auf einen Gegenstand, dann wird ein Teil dieser Strahlung aufgenommen (absorbiert) und ein Teil wird reflektiert, also wieder abgestrahlt. Diese reflektierten Wellen nehmen wir als Farbe wahr. Die Farbe hängt dabei von der Wellenlänge der aufgenommenen bzw. reflektierten Strahlung ab (weitere Informationen). Werden von einem Gegenstand alle Wellen der oben genannten Länge absorbiert, so erscheint er uns schwarz. Titandioxid absorbiert im sichtbaren Wellenlängenbereich keine Strahlung, somit hat der Stoff die Farbe weiß, deshalb spricht man auch von Weißpigmenten. Trifft eine Lichtwelle auf ein Teilchen, so kann die Richtung dieser Welle durch das Zusammentreffen verändert werden, dabei spricht man von Streuung des Lichts (weiter Informationen). Durch die Streuung von Licht kann ein Stoff den Untergrund abdecken, wie das z.B. bei einer Wandfarbe der Fall ist. Man sagt, dass der Stoff dann ein gutes Deckvermögen bzw. Lichtstreuvermögen besitzt. Dieses Deckvermögen hängt auch von der Größe der Teilchen ab. Im Idealfall hat das Teilchen einen halb so großen Durchmesser wie die Wellenlänge des Lichts, dass es streuen soll.

Dieses Phänomen wird auch bei der Aufhellung von Farben genutzt: Manche Farbpigmente lassen Licht durchscheinen und wirken dadurch farbig, sind aber bei der Betrachtung von oben (Aufsicht) sehr dunkel. Durch Zugabe von Titandioxid kann man die Farbe auch bei der Aufsicht sehen, da der Untergrund abgedeckt wird (Deckvermögen). Solche Stoffe nennt man Aufheller.

Titandioxid wird bei der Herstellung von Synthesefasern zugegeben um die farblosen Fasern zu mattieren. In der Lebensmittelindustrie wird Titandioxid zum Färben von Lebensmitteln verwendet. Dies ist möglich, da Titandioxid wasserunlöslich ist und somit vom Körper nicht aufgenommen sondern wieder ausgeschieden wird.

 

Nie mehr Putzen? Photokatalytische Aktivität und Superhydrophilie

Eine Reaktion, die durch Licht ausgelöst wird bezeichnet man als photokatalytisch. Titandioxid kann unter Einwirkung von UV-Licht an der Oberfläche gebundenes Wasser und aufgenommenen Sauerstoff durch eine chemische Reaktion in Radikale umwandeln. Diese können organische Moleküle in Wasser und Kohlenstoffdioxid zersetzen. Somit kann organisches Material, welches sich an der Oberfläche der Titandioxidteilchen absetzt, durch Bestrahlung mit UV-Licht entfernt werden. Dadurch haben Oberflächen, die Titandioxid enthalten, einen Selbstreinigungseffekt, der u.a. bei Betonplatten schon Erfolg zeigte. Inzwischen gibt es viele Produkte wie Fassadenbeschichtungen, Pflastersteine, Dachziegel, Fensterscheiben, Glasoberflächen oder Fensterrahmen die den photokatalytischen Effekt nutzen.

Ist dieser photokatalytische Effekt nicht erwünscht, so kann man die Aktivität durch Einlagerung von Aluminiumatomen in das Gitter von Titandioxid hemmen. Durch einen Überzug der Titandioxidschicht mit Aluminiumoxid oder Siliciumoxid wird die photokatalytische Aktivität ebenfalls stark reduziert.

Titandioxid hat eine weitere interessante Eigenschaft, die Superhydrophilie. Kommt ein Wassertropfen auf eine mit Titandioxid überzogene Oberfläche, so breitet er sich als sehr dünner Wasserfilm auf der ganzen Oberfläche aus. Durch diesen dünnen Wasserfilm kommt es zu keinem optischen Nachteil. Durch einen Überzug mit Titandioxid sind Außenspiegel von Autos auch bei Regen voll funktionsfähig und die Zeit der beschlagenen Brillen könnte vorbei sein (weitere Informationen).

 

Quelle: Praxis der Naturwissenschaften - Chemie in der Schule, Heft 3/54: Titandioxid. Aulis Verlag Deubner, Köln und Leipzig, 2005.

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