Рутил — оксидный минерал, состоящий из диоксида титана (TiO 2 ), наиболее распространенной природной формы TiO 2 . Известны более редкие полиморфы TiO 2 , включая анатаз , акаогиит и брукит .
Рутил имеет один из самых высоких показателей преломления на видимых длинах волн среди всех известных кристаллов, а также демонстрирует особенно большое двупреломление и высокую дисперсию . Благодаря этим свойствам он полезен для изготовления некоторых оптических элементов, особенно поляризационной оптики, для более длинных видимых и инфракрасных длин волн до примерно 4,5 микрометров. Природный рутил может содержать до 10% железа и значительные количества ниобия и тантала .
Рутил получил свое название от латинского rutilus ('красный'), в связи с темно-красным цветом, наблюдаемым в некоторых образцах при просмотре в проходящем свете. Рутил был впервые описан в 1803 году Авраамом Готтлобом Вернером с использованием образцов, полученных в Оркахуэло-де-ла-Сьерра, Мадрид (Испания), [6] , который, следовательно, является типовой местностью .
Рутил — распространённый акцессорный минерал в метаморфических породах, образующихся при высоких температурах и давлении, а также в магматических породах .
Термодинамически рутил является наиболее стабильным полиморфом TiO 2 при всех температурах, демонстрируя более низкую общую свободную энергию, чем метастабильные фазы анатаза или брукита. [7] Следовательно, преобразование метастабильных полиморфов TiO 2 в рутил необратимо. Поскольку он имеет самый низкий молекулярный объем из трех основных полиморфов, он, как правило, является первичной титансодержащей фазой в большинстве метаморфических пород высокого давления, главным образом эклогитов .
В магматической среде рутил является обычным акцессорным минералом в плутонических магматических породах , хотя он также иногда встречается в экструзивных магматических породах , особенно таких, как кимберлиты и лампроиты , которые имеют глубокие мантийные источники. Анатаз и брукит встречаются в магматической среде, особенно как продукты аутогенного изменения во время охлаждения плутонических пород; анатаз также встречается в россыпных месторождениях, источником которых является первичный рутил.
Крупные образцы кристаллов наиболее распространены в пегматитах , скарнах и гранитных грейзенах . Рутил встречается как акцессорный минерал в некоторых измененных магматических породах , а также в некоторых гнейсах и сланцах . В группах игольчатых кристаллов он часто встречается пронизывающим кварц, как в fléches d'amour из Граубюндена , Швейцария . В 2005 году Республика Сьерра-Леоне в Западной Африке имела производственную мощность в размере 23% от годового мирового предложения рутила, которая выросла примерно до 30% в 2008 году.
Рутил имеет тетрагональную элементарную ячейку с параметрами элементарной ячейки a = b = 4,584 Å и c = 2,953 Å. [8] Катионы титана имеют координационное число 6, что означает, что они окружены октаэдром из 6 атомов кислорода. Анионы кислорода имеют координационное число 3, что приводит к тригональной плоской координации. Рутил также показывает винтовую ось, когда его октаэдры рассматриваются последовательно. [9] При образовании в восстановительных условиях могут возникать вакансии кислорода, связанные с центрами Ti 3+ . [10] Водород может проникать в эти зазоры, существуя как отдельный занимающий вакансии (сочетаясь как ион водорода) или создавая гидроксидную группу с соседним кислородом. [10]
Кристаллы рутила чаще всего демонстрируют призматическую или игольчатую форму роста с преимущественной ориентацией вдоль оси c , направления [001] . Такая форма роста предпочтительна, поскольку грани {110} рутила демонстрируют самую низкую поверхностную свободную энергию и, следовательно, являются термодинамически наиболее стабильными. [8] Рост рутила, ориентированный вдоль оси c , отчетливо проявляется в наностержнях , нанопроволоках и явлениях аномального роста зерен этой фазы.
В достаточно больших количествах в пляжных песках рутил образует важный компонент тяжелых минералов и рудных месторождений . Шахтеры извлекают и разделяют ценные минералы, например, рутил, циркон и ильменит . Основными применениями рутила являются производство огнеупорной керамики , в качестве пигмента и для производства металлического титана .
Тонкоизмельченный рутил — это блестящий белый пигмент, который используется в красках , пластике , бумаге , продуктах питания и других областях, где требуется яркий белый цвет. Пигмент диоксида титана — это самое большое применение титана во всем мире. Наноразмерные частицы рутила прозрачны для видимого света , но очень эффективны в поглощении ультрафиолетового излучения ( солнцезащитный крем ). Поглощение ультрафиолета наноразмерными частицами рутила смещено в синюю сторону по сравнению с объемным рутилом, так что наночастицы поглощают более энергичный ультрафиолетовый свет. Следовательно, они используются в солнцезащитных кремах для защиты от повреждений кожи, вызванных УФ-излучением.
Маленькие игольчатые рутиловые частицы, присутствующие в драгоценных камнях , отвечают за оптическое явление , известное как астеризм . Драгоценные камни с астериозом известны как «звездчатые» камни. Звездчатые сапфиры , звездчатые рубины и другие звездчатые камни пользуются большим спросом и, как правило, более ценны, чем их обычные аналоги.
Рутил широко используется в качестве покрытия сварочных электродов . Он также используется как часть индекса ZTR , который классифицирует сильно выветренные отложения.
Рутил, как полупроводник с большой шириной запрещенной зоны , в последние десятилетия стал предметом значительных исследований по применению в качестве функционального оксида для фотокатализа и разбавленного магнетизма . [11] В исследовательских работах обычно используются небольшие количества синтетического рутила, а не материалы, полученные из месторождений минералов.
Синтетический рутил был впервые получен в 1948 году и продается под разными названиями. Его можно получить из титановой руды ильменита с помощью процесса Бехера . Очень чистый синтетический рутил прозрачен и почти бесцветен, слегка желтоватый, в больших кусках. Синтетический рутил может быть изготовлен в различных цветах путем легирования. Высокий показатель преломления дает алмазный блеск и сильное преломление, что приводит к алмазоподобному внешнему виду. Почти бесцветный заменитель алмаза продается как «Titania», что является старомодным химическим названием этого оксида. Однако рутил редко используется в ювелирных изделиях , поскольку он не очень твердый (устойчив к царапинам), имея твердость всего около 6 по шкале твердости Мооса .
В результате растущего исследовательского интереса к фотокаталитической активности диоксида титана, как в фазах анатаза, так и рутила (а также двухфазных смесях двух фаз), рутил TiO 2 в форме порошка и тонкой пленки часто изготавливается в лабораторных условиях с помощью растворных методов с использованием неорганических прекурсоров (обычно TiCl 4 ) или металлоорганических прекурсоров (обычно алкоксидов, таких как изопропоксид титана , также известный как TTIP). В зависимости от условий синтеза первой кристаллизующейся фазой может быть метастабильная фаза анатаза , которая затем может быть преобразована в равновесную фазу рутила посредством термической обработки. Физические свойства рутила часто модифицируются с использованием легирующих добавок для придания улучшенной фотокаталитической активности за счет улучшенного разделения носителей заряда, генерируемых фотонами, измененных электронных зонных структур и улучшенной поверхностной реакционной способности.
