二氧化钛是一种化学性质极其稳定的酸性两性氧化物。在常温下，几乎不与其他元素和化合物反应，对氧、氨、氮、硫化氢、二氧化碳和二氧化硫无影响，不溶于水、稀酸和弱无机酸。某些碱在水溶液中的溶解度见下表。
在光和空气体的作用下，悬浮在某些有机介质中的二氧化钛可以循环还原氧化，导致介质的氧化。这种光化学活性，尤其是锐钛矿型二氧化钛在紫外线照射下的光化学活性，使得二氧化钛不仅是一些无机化合物的光敏氧化催化剂，也是一些有机化合物的光敏还原催化剂。
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