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No.17 酸化チタン、光触媒のエースは暴れん坊

2009 - 07/09 [Thu] - 22:31

申し訳ございませんでした。
無事、復旧したようです。 ホッ (゜o゜) 
パニクッていたので、昨日のお話しはだいぶ端折りました。
ちょっと補足しておきます。

ゼオライトの原料は二酸化ケイ素 SiO2、つまり【シリカ】です。
これが正四面体の結晶 (SiO4 をつくり、
この”パーツ”をどんどんくっ付けていくとゼオライトになります。

ゼオライト

ただし、ときたまケイ素(Si)の代わりにアルミニウム(Al)が入る。
そこでゼオライトのことを【アルミノケイ酸塩】といいます。
すでに紹介したようにケイ素の価電子は4ヶですが、
アルミニウムの価電子は3ヶしかありません。
これが正四面体結晶を作るとどうなりますか?
シリコン(ケイ素)半導体をpn接合したときの、
p型半導体のような状態になるでしょ?
つまり……

の電荷を帯びる――ってわけ。

そこでアルミ二ウムが入った結晶は (AlO4- というアニオン(陰イオン)になり、
「マイナス」が1つ余っちゃうのです。
そのおかげで、ゼオライト全体もに帯電することになります。

ところで、粘土を焼成してできる陶磁器をセラミック(ceramic)といいます。
粘土の主成分はケイ素、酸素、アルミニウム、水素などなど
要するに、主な原料は二酸化ケイ素っていうわけですね。
しかし最近では、
金属でもなくプラスチックでもない焼成物を総称して【セラミック】と呼んでいます。
そうなるとゼオライトもセラミックということになり、
シリコン(ケイ素)も広い意味ではセラミックの仲間になります。
純度の高いシリコンともなると金属よりも硬く、
ダイヤモンドカッターで切断するそうですよ。

これで昨日やり残した”宿題”は終わり!
ここからが今日の本番です。

本日の”主人公”は酸化チタン(Titanium oxide)です。
一度は聞いたことのある名前でしょ?
構造式は……
O=Ti=O 
 酸化チタン-1

チタンに2ヶの酸素(O)がくっ付いているので、
より正確には二酸化チタンと呼ぶべきでしょう。
酸化チタンは「ピグメントホワイト6」とか「チタン白」とも呼ばれ、
古くから塗料や顔料として使用されてきました。
食品や化粧品の着色料としての使用も認められています。
微粉末は日焼け止めとして使われているようですが、
最近になって酸化チタンは俄然注目を集めてる。
その理由は、とても優秀な光触媒だからです。

酸化チタンは 380nm 以下の電磁波を吸収する特性があります。
つまり、紫外線(UV)を吸収するわけですね。
可視光線は吸収しないで全て反射……、それで【白色】を呈するわけです。
それでは紫外線を吸収した酸化チタンはどうなるんでしょうか?
わかりやすいように【図】を見ながら考えてみましょう。

酸化チタン-2

紫外線を浴びた酸化チタンの”内部”では、
光のエネルギーによって電子( eが”元気”になります。
そして化学結合を離れ、自由に動き始める。
それと並行して、
e の抜けた”穴”が正孔( hとなるのは半導体と同じです。

元気になった e は、エネルギーを”発散”してすぐに大人しくなります。
このときに熱が放出され、
光エネルギーは熱エネルギーに転換されるわけですね。
日光を浴びると熱くなるのはこれが原因です。
中には熱エネルギーに変換できない物質もあるので、
そういう場合は光エネルギーを別の光エネルギーに換えます。
これが蛍光発光と呼ばれる現象です。

ただし酸化チタンが大気中にある場合、
すぐ近くに酸素(O2)がうじゃうじゃしてますよね?
酸素は e とくっ付きたくて普段からウズウズしているので、
酸化チタンが e を”作る”とすぐさま横取りしちゃいます。 ハイエナみたい(>_<) 

酸化チタン-3

酸素が1ヶの e を受け取ると、
スーパーオキシドアニオンラジカル ・O2 に”変身”します。
酸素から見れば e を手に入れるので、
これは還元反応ということです。

こうなると、酸化チタンには h が残ったままになっちゃうでしょ?
そこで他の物質から e を”横取り”して元に戻ろうとするんですね。
ここで狙われるのが水酸基 -OH や水酸化物イオン OH
e が奪われるのでこちらは酸化反応となり、
この場合にはヒドロキシラジカル ・OH が生成されます。

酸化チタンの酸化力は非常に強力で、
オゾン(O3)や過酸化水素(H2O2)を上回るといいます。
もちろん、【酸化】されたり【還元】されたりする物質は何でも構いません。 相手は選ばない
ただ大事なポイントは……

必ず酸化反応と還元反応が同時進行する――2つまとめて酸化還元反応

【還元】のことを Reduction 、【酸化】のことを Oxidation というので、
これを縮めてレドックス(Redox)と呼ぶ場合もあります。
一見複雑そうに見える酸化チタンの働きも、
2つの反応に分けて考えるととっても理解しやすくなります。

さて、これでめでたしめでたし。
e が手に入り、酸化チタンはプラスマイナス ゼロ! 何も変わってません
でも周りには、とんでもない”大騒動”が起こったでしょ?
【酸化】したり【還元】したり、やりたい放題です。

自分自身は変化しないのに、
”他人”の化学変化を後押しする物質を触媒といいます。
身体の中で働く触媒の場合には、特に酵素と呼ばれます。
酸化チタンも【触媒】として機能するわけですが、
光を照射されて触媒作用を示すことから光触媒と区別されるわけ。

この酸化チタンの身近な利用の一つが、殺菌や抗菌です。 つまり、殺し屋

ご存知の方も多いと思いますが、
ヒドロキシラジカル(・OH)は最強の活性酸素です。
”他人”から e を”略奪”し、
誰であろうとお構いなしに【酸化】しちゃいます。
そしてスパーオキシドアニオンラジカル(・O2)も活性酸素。
やっぱり e を奪いながら、
過酸化水素(H2O2)やヒドロキシラジカル(・OH)へと姿を変えていきます。

この”犠牲”になるのが有機物で、
酸化チタンに酸化されて二酸化炭素(CO2)や水(H2O)に完全分解されます。
でもその有機物が”有害物質”だったら? 例えば、ホルムアルデヒドとか
人間にとってはとっても 好都合\(^o^)/でしょ?
細菌も”有機物の塊”ですから……、酸化チタンでイチコロです。

でも、油断は禁物ですからね。
酸化チタンの武器が【活性酸素】だっていうことは、
くれぐれも肝に銘じておいた方がいい!
あえていうまでもないでしょうが……

活性酸素は人間にとっても有害物質――です。

安易な利用は「問題もあるんじゃない?」って感じてましたが、
案の定、非常に気になる論文を目にしました。

【化学物質問題市民研究会】という市民団体は、
古くから化学物質の危険性を告発し続けてきました。 その世界では有名です
新しい海外文献も積極的に紹介してくれてますが、
その中に酸化チタンに関する新しい論文があります。
気になる要旨は……

酸化チタンの微粒子は、脳細胞を損傷する(可能性が高い)

以前なら、”粉末”が脳に達するなんて予想もされませんでした。
ところが、最近明らかにされてきたことがある!
化学物質のようなナノ粒子は、
嗅神経系の間隙をぬって直接脳内に侵入するんです。
これを【嗅覚輸送】と呼んでいるようですが、
酸化チタン粉末も”ナノサイズ”だから、ここから脳に入っちゃうんでしょうね。
そこで活性酸素なんか撒き散らされたら……

とっても、身体に悪そう(*_*)

これは、きちんと調べていただきたい問題です。
論文はこちらに紹介されていますので、
関心のある方はぜひご一読ください。

でも、これだけは注意して!
たとえ酸化チタンに注意すべき問題があるとしても、
だからって「禁止しちゃえばいい」っていうのは安直すぎる暴論です。
人間に害をなさないように気を付ければ良いことで、
酸化チタンの”長所”まで手放すのはとても愚かなことです。
抗菌や殺菌に使うのなんて、いってみれば『おまけ』のようなもの。
酸化チタンには もっとすご~い可能性があるんですよ!!!!!

それをお話しするのは明日にしましょう
果たして、人類はどこまで植物の光合成に近づけるのか?
【人工光合成】や【色素増感太陽電池】を紹介します。


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