Parcial Nanotecnologia

Estructuras de los óxidos de Titanio

(1,2)

Los óxidos de titanio son unos de los minerales los más utilizados en la industria por ejemplo como pigmento blanco de las pinturas o de los plásticos, como agente blanqueador y opacador en esmaltes de porcelana o como absorbentes de rayos UV en productos para el bronceado, jabones, polvos cosméticos, cremas. Son también el objeto de muchas investigaciones por su actividad fotocatalítica por ejemplo (bactericida o producción de hidrogeno a partir del agua). Esas ultimas propiedades dependen no solamente de los iones dopantes que se pueden agregar al oxido de titanio pero también mucho del tipo de estructura que adopta, lo que significa una relación estructura-propiedad en la cual el proceso de síntesis juega un papel importante; de hecho, existen dos variedades principales del oxido de titanio, las cuales se propone estudiar por sus estructuras en este problema.

Estudio de la estructura Rutilo

La electronegatividad de Pauling de O y Ti valen EO=3.44 y ETi=1.54, respectivamente, cuál es la fracción de enlace de tipo iónico en el oxido de titanio? Deducir en que clase de material se ubican esos materiales y describir al menos 2 de sus características principales.

Basado en las configuraciones electrónicas de los elementes Ti ([Ar]3d24s2) y O ([He]2s22p4), explicar porque la fórmula la más estable de este compuesto es TiO2.

La estructura Rutilo del oxido de titanio es de celda tetragonal, de grupo espacial P42/mnm. Los cationes de titanio se ubican en las posiciones (0,0,0) y (½, ½, ½) mientras los aniones de oxigeno se encuentran en la posición (0.3047, 0.3047, 0) y sus equivalentes (ver en el formulario). Dibujar la estructura (si necesario utilizando una proyección según c) y deducir el número de coordinación de los cationes Tix+. Explicar si la estructura cumple con la primera regla de Pauling (los radio iónicos de los iones son rTix+=0.605 Å y rOy-=1.36 Å).

Los poliedros que forman los cationes con sus primeros vecinos aniónicos se unen uno con el otro por aristas formando filas según la dirección [001]. Esas filas se unen por las esquinas de los mismos poliedros según la dirección [110]. ¿Esta configuración obedece o no a la segunda regla de Pauling?

Recordando que la estructura es perfectamente tetragonal y que cationes y aniones están en contacto cuando cumplen la primera regla de Pauling, en particular en la dirección [110] pero no solo, calcular los parámetros de red, la densidad y el factor de empaquetamiento teóricos del TiO2 rutilo (MTi=47,88 g/mol y MO=15,9994 g/mol).

Calcular la posición en 2 de los 3 primeros picos de Difracción de Rayos X de este material (λ(Cu-k1)= 1,540598 Å). Tomar en cuenta que por razón de simetría puntual en este grupo espacial, los picos (100) y (001) no aparecen.

Síntesis de un oxido de titanio fotocatalítico

En su tesis de doctorado en fotocatálisis, un estudiante de la UIS sintetizó varios óxidos de titanio en su forma pura o dopada con hierro en reemplazo del titanio. A continuación se da algunos resultados que obtuvo, primero por el material puro y después sustituido.

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