Рутил — оксидный минерал , состоящий из диоксида титана (TiO 2 ), наиболее распространенной природной формы TiO 2 . Известны более редкие полиморфы TiO 2 , включая анатаз , акаогит и брукит .
Рутил имеет один из самых высоких показателей преломления в видимом диапазоне волн среди всех известных кристаллов, а также демонстрирует особенно большое двойное лучепреломление и высокую дисперсию . Благодаря этим свойствам он полезен для изготовления некоторых оптических элементов, особенно поляризационной оптики, для более длинных волн видимого и инфракрасного диапазона , примерно до 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 у некоторых образцов при просмотре в проходящем свете. Рутил был впервые описан в 1803 году Абрахамом Готтлобом Вернером с использованием образцов, полученных в Оркахуэло-де-ла-Сьерра, Мадрид (Испания) [6] , что, следовательно, является типовым местонахождением.
Рутил — распространенный акцессорный минерал в метаморфических породах с высокими температурами и высокими давлениями, а также в магматических породах .
Термодинамически рутил является наиболее стабильной полиморфной модификацией TiO 2 при всех температурах, демонстрируя более низкую общую свободную энергию , чем метастабильные фазы анатаза или брукита. [7] Следовательно, превращение метастабильных полиморфов TiO 2 в рутил необратимо. Поскольку он имеет самый низкий молекулярный объем из трех основных полиморфов, он обычно является основной титансодержащей фазой в большинстве метаморфических пород высокого давления, главным образом в эклогитах .
В магматической среде рутил является распространенным акцессорным минералом в плутонических магматических породах , хотя он также иногда встречается в экструзивных магматических породах , особенно в таких, как кимберлиты и лампроиты , имеющие глубокие мантийные источники. Анатаз и брукит встречаются в магматической среде, в частности как продукты аутогенных изменений при остывании глубинных пород; анатаз также встречается в россыпных месторождениях первичного рутила.
Встречание крупных экземпляров кристаллов наиболее характерно для пегматитов , скарнов и гранитных грейзенов . Рутил встречается как акцессорный минерал в некоторых измененных магматических породах , а также в некоторых гнейсах и сланцах . В группах игольчатых кристаллов часто можно увидеть проникающий кварц, как, например, в «fleches d'amour» из Граубюндена , Швейцария . В 2005 году производственная мощность Республики Сьерра-Леоне в Западной Африке составляла 23% годовых мировых поставок рутила, а в 2008 году эта цифра выросла примерно до 30%.
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, если рассматривать его октаэдры последовательно. [9] При образовании в восстановительных условиях могут возникать кислородные вакансии, связанные с центрами Ti 3+ . [10] Водород может проникать в эти промежутки, существуя как отдельный оккупант вакансии (спариваясь в виде иона водорода) или создавая гидроксидную группу с соседним кислородом. [10]
Кристаллы рутила чаще всего имеют призматическую или игольчатую форму роста с преимущественной ориентацией вдоль оси c , направления [001] . Этот способ роста предпочтителен, поскольку грани {110} рутила обладают наименьшей поверхностной свободной энергией и, следовательно, термодинамически наиболее стабильны. [8] Рост рутила, ориентированный по оси c , отчетливо проявляется в наностержнях , нанопроволоках и явлениях аномального роста зерен этой фазы.
В достаточно больших количествах в пляжных песках рутил образует важную составную часть тяжелых минералов и рудных месторождений . Шахтеры добывают и отделяют ценные полезные ископаемые – например, рутил, циркон и ильменит . Основное применение рутила — производство огнеупорной керамики , пигмента и металлического титана .
Мелко измельченный рутил представляет собой блестящий белый пигмент и используется в красках , пластмассах , бумаге , пищевых продуктах и других областях, требующих ярко-белого цвета. Пигмент диоксида титана — это самый крупный вариант использования титана в мире. Наноразмерные частицы рутила прозрачны для видимого света , но очень эффективно поглощают ультрафиолетовое излучение ( солнцезащитный крем ). Поглощение УФ-излучения наноразмерными частицами рутила смещено в синий цвет по сравнению с объемным рутилом, так что УФ-свет более высокой энергии поглощается наночастицами. Следовательно, они используются в солнцезащитных кремах для защиты от повреждения кожи, вызванного ультрафиолетом.
Маленькие иглы рутила, присутствующие в драгоценных камнях , ответственны за оптическое явление, известное как астеризм . Звездчатые драгоценные камни известны как «звездные» драгоценные камни. Звездчатые сапфиры , звездчатые рубины и другие звездчатые драгоценные 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 выветрелые отложения.
Рутил, как полупроводник с большой запрещенной зоной , в последние десятилетия стал предметом серьезных исследований в области применения в качестве функционального оксида для применения в фотокатализе и разбавленном магнетизме . [11] В исследовательских работах обычно используются небольшие количества синтетического рутила, а не материалов, полученных из минеральных месторождений.
Синтетический рутил был впервые произведен в 1948 году и продается под разными названиями. Его можно производить из титановой руды ильменита с помощью процесса Бехера . Очень чистый синтетический рутил прозрачен и почти бесцветен, слегка желтоватый, в крупных кусочках. Синтетический рутил можно получить в различных цветах путем легирования. Высокий показатель преломления придает алмазный блеск и сильное преломление, что приводит к внешнему виду, напоминающему алмаз . Почти бесцветный заменитель алмаза продается под названием «Титания», что является старомодным химическим названием этого оксида. Однако рутил редко используется в ювелирных изделиях , поскольку он не очень твердый (устойчив к царапинам), его твердость составляет всего около 6 по шкале Мооса .
В результате растущего исследовательского интереса к фотокаталитической активности диоксида титана как в анатазной, так и в рутиловой фазах (а также в двухфазных смесях двух фаз) рутиловый TiO 2 в виде порошка и тонкой пленки часто получают в лабораторных условиях из раствора. основанные на маршрутах с использованием неорганических предшественников (обычно TiCl 4 ) или металлоорганических предшественников (обычно алкоксидов, таких как изопропоксид титана , также известный как TTIP). В зависимости от условий синтеза первой кристаллизующейся фазой может быть метастабильная фаза анатаза , которую затем можно превратить в равновесную рутиловую фазу посредством термической обработки. Физические свойства рутила часто модифицируются с помощью легирующих добавок для придания улучшенной фотокаталитической активности за счет улучшенного фотогенерируемого разделения носителей заряда, изменения структуры электронных зон и улучшения поверхностной реакционной способности.
