5.8. Dióxido de titanio: una blancura extraordinaria

Como se explicó en el apartado 4.6, muchos compuestos de metales de transición son coloreados. Por ejemplo, es de color púrpura el complejo catiónico [Ti(H₂O)₆]³⁺, que se forma cuando se disuelve una sal de Ti³⁺ (como TiCl₃) en agua. Este complejo está constituido por un ion central Ti³⁺ rodeado de seis ligandos H₂O que adoptan una configuración octaédrica alrededor del ion. La teoría del campo cristalino explica el color de un ion por el desdoblamiento de los niveles de energía de sus orbitales d en dos niveles de distinta energía (apartado 4.6). Este desdoblamiento lo propician los átomos o grupos de átomos que rodean al ion y la magnitud del desdoblamiento depende de la naturaleza de aquellos, como se ilustra en la figura 4.23. La configuración electrónica del Ti es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d² 4s², por lo que la del Ti³⁺ es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹. El único electrón d del Ti³⁺ se halla en un nivel d de los de baja energía, pero puede pasar a uno de los d de mayor energía absorbiendo fotones de la región del verde al naranja, por lo que el color que muestra es el púrpura, que es el complementario. En la figura 5.24 se ilustra el proceso de absorción del Ti³⁺ en el complejo [Ti(H₂O)₆³⁺].

Ahora bien, si un ion no tiene posibilidad de experimentar tránsitos entre orbitales d, no se producirá una absorción como la explicada. Así le ocurre por ejemplo al ion Zn²⁺, cuya configuración electrónica es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Al tener ocupados todos los orbitales d no son posibles las transiciones. Y lo mismo les pasa a los compuestos de Ti⁴⁺, cuya configuración electrónica es 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.

Ese ion es el que existe en el dióxido de titanio, TiO₂, que se encuentra en la naturaleza formando los minerales rutilo, anatasa y brookita, los cuales se diferencian entre sí por sus estructuras cristalinas. Pues bien, el dióxido de titanio es la fuente de los pigmentos industriales más blancos que existen. En la figura 5.25-izqda. se puede ver dióxido de titanio pulverizado y el espectro de la figura 5.25-dcha. permite comprobar que no absorbe radiación en la región visible (400 – 750 nm), si bien sí lo hace en la del ultravioleta (< 400 nm).

Pero la explicación de los colores de los sólidos no radica solo en sus átomos o iones constituyentes; aparte de fenómenos luminosos como la refracción también contribuye la estructura de bandas del sólido en su conjunto, ya que los electrones de la banda de valencia pueden absorber fotones para pasar a la banda de conducción (apartado 4.1). Pero en el caso del TiO₂ la separación entre ambas bandas es de aproximadamente 3 eV, equivalente a unos 410 nm. Por eso, solo absorbe fotones de más energía que esa, lo que explica su absorción en el UV.

Por lo tanto, como el TiO₂ no absorbe radiación visible, transmite (si está cristalizado) o refleja toda la radiación visible que le llega, y por eso se ve blanco. Ahora bien, este blanco es especialmente intenso, y esto se debe a otros fenómenos ópticos, principalmente a la fuerte refracción que experimenta la luz en el material. Efectivamente, el TiO₂ tiene un índice de refracción muy alto (entre 2,5 y 2,6), bastante mayor que el de la mayoría de los materiales naturales, incluido el diamante. Y, como se explicó en el apartado 5.3 y se comentará de nuevo en este, una refracción muy acusada favorece en general la reflexión, haciendo que los materiales sean más brillantes.

El índice de refracción, n, es una medida de cuánto es mayor la velocidad de la luz en el vacío, c (o en el aire, pues prácticamente es la misma), que su velocidad al atravesar un material, v. Es decir:

n = c / v                                [5.5]

Que el índice de refracción del TiO₂ sea ~2,55 quiere decir que la luz pasa por su interior con una velocidad igual a c / 2,55.

El cambio de velocidad al pasar de un medio a otro provoca también un cambio de dirección del haz luminoso. Este efecto se puede explicar rigurosamente mediante la teoría ondulatoria de la luz, pero cabe intuirlo con una analogía simple. Si un automóvil circula a cierta velocidad oblicuamente por una carretera cuyos arcenes son de arena, llegará un momento en que las ruedas de un lado pisarán arena, lo que las frenará. Como las ruedas del otro lado siguen pisando asfalto, tenderán a seguir a la misma velocidad. Esto se manifestará en que la dirección del automóvil se hará aún más oblicua (tenderá más a salirse de la carretera). La luz, que es una onda que va avanzando a cierta velocidad, se comporta del mismo modo que el automóvil del ejemplo al pasar oblicuamente del aire a un medio con distinto índice de refracción. El cambio de dirección de la luz al entrar en un cristal se puede observar en la figura 5.26-izqda. Como se ve, el rayo que viene desde la izquierda modifica su dirección al transmitirse dentro del cristal. (Es interesante observar que en la superficie inferior del cristal experimenta reflexión interna total; ver apartado 5.3).

La figura 5.26-izqda. permite comprobar que parte de la luz se transmite y parte se refleja. La medida en que se produce reflexión viene dada por la variable llamada reflectividad, que es característica de cada material. La reflectividad es la fracción de luz reflejada por una superficie y se relaciona con el índice de refracción a través de las ecuaciones de Fresnel. Estas son complicadas, pero en el caso de que la luz incida desde el aire perpendicularmente sobre el material la reflectividad viene dada por[4] [5.6]:

donde n₁ es el índice de refracción del aire (aproximadamente igual a 1) y n₂ el del material. Por lo tanto, la reflectividad aumenta con n₂. Para una superficie pulida de vidrio común (n₂ ≅ 1,5) la reflectividad es del 4% de la potencia incidente, pero para el dióxido de titanio (n₂ ≅ 2,55) es del 19%.

Hay que precisar que hasta aquí nos estamos refiriendo a la reflexión especular, que es la que produce, por ejemplo, un monocristal o un metal bien pulimentado como el que se usa para fabricar un espejo (la reflexión de los metales está ligada a su carácter conductor de la corriente, es decir, al hecho de que sus electrones se puedan mover con facilidad, lo que hace que interactúen con el campo eléctrico de la radiación electromagnética, siendo la consecuencia la reflexión de la onda). Pero la reflexión que produce la mayoría de los materiales es difusa, lo que significa que de ellos no sale el haz reflejado en una sola dirección, sino en muchas (figura 5.26-dcha.). Esto les sucede a materiales con superficies rugosas, a polvos microcristalinos (figura 5.25-izqda) e incluso a materiales que bajo una superficie bien pulimentada tienen una estructura policristalina, como puede ser una plancha de mármol, en la que la luz experimenta múltiples reflexiones en los microcristales próximos a la superficie.

En cualquier caso, si un material se ilumina con luz blanca y no absorbe ningún color, la luz que refleja (especular o difusamente) o la que transmite es blanca. Normalmente, cuando se transmite bien la luz es porque el material carece de microestructura cristalina interna capaz de producir dispersión; así ocurre en los gases, líquidos, vidrios, plásticos, monocristales o materiales especiales como los tejidos que forman la córnea y el cristalino del ojo.

Las propiedades ópticas de un material dependen de su estado físico. Por ejemplo, una botella de vidrio incoloro refleja parte de la radiación y otra parte la transmite. Si el vidrio se muele puede volverse blanco porque se crean pequeñas partículas reflectantes que producen reflexión difusa. El tamaño de las partículas dispersoras influye en la cantidad de radiación que se refleja. Un ejemplo es que el azúcar glas parece más blanca que el azúcar normal. El dióxido de titanio perfectamente cristalizado es transparente, pero molido es muy blanco porque no absorbe radiación visible y su reflectividad es muy alta.

Este material es el pigmento blanco más utilizado en el mundo[5]. Se puede emplear, por ejemplo, para conseguir un papel más blanco y brillante. O una pasta dentífrica que dé más blancura a los dientes. O incluso para realzar el blanco del azúcar de los pasteles (fig. 5.27-dcha.), un uso tradicional del dióxido de titanio que últimamente está recibiendo mucha oposición de sectores que temen que este compuesto podría ser cancerígeno, aunque no hay evidencia científica que lo demuestre.

Sus buenas propiedades refractivas lo hacen un buen opacificador. En pinturas, un opacificador es un agente que aumenta la capacidad dispersora en detrimento de la capacidad transmisora. Por eso, el opacificador permite que no haya que aplicar capas de pintura tan gruesas (figura 5.27-dcha.). Un opacificador ideal debe tener un índice de refracción muy diferente al del medio al que se añade. Cuando la luz pasa del medio a una partícula de opacificador experimenta un cambio de dirección considerable. La misma función tiene el opacificador cuando se añade a cosméticos. En un maquillaje, la dispersión ayuda a ocultar imperfecciones de la piel y al mismo tiempo a darle más brillo. Como se ha dicho, la otra propiedad significativa del dióxido de titanio es que absorbe mucha luz UV (figura 5.25-dcha.). Esta radiación es muy agresiva y produce reacciones fotoquímicas de degradación de los materiales. Por eso, cuando el óxido de titanio se agrega a una pintura, además de darle más brillo la protege. Por esa misma razón es un aditivo de polímeros plásticos, haciéndolos más resistentes a la decoloración y a la tendencia a volverse frágiles, extendiendo así su vida útil. La propiedad del TiO₂ de absorber radiación UV también se aprovecha agregándolo a protectores solares y a fármacos.

[1] Imagen: Titanium(IV) oxide.jpg. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Titanium(IV)_oxide.jpg&oldid=701145601.

[2] Imagen: varios sitios de Internet.

[3] Imagen adaptada de Diffuse reflection.gif. Wikimedia Commons.  https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:Diffuse_reflection.gif&oldid=726045095.  

[4] “Reflectivity”, en Refractive index. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Refractive_index#Reflectivity. 

[5] Titanium dioxide. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_dioxide. 

Este texto pertenece al libro:

Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .