Кіріспе

Титан диоксидінен тұратын оксид минералы. Рутил – титан диоксидінен (TiO2) тұратын оксид минералы, TiO2-нің ең көп таралған табиғи түрі. TiO2-нің сирек кездесетін полиморфтары белгілі, олардың ішінде анатаз, акаогиит және брукит бар. Рутилдің көзге көрінетін толқын ұзындықтарындағы ең жоғары сыну көрсеткіштерінің бірі бар, сонымен қатар ол ерекше үлкен екі қырлылық және жоғары дисперсия көрсетеді. Осы қасиеттерінің арқасында ол белгілі бір оптикалық элементтерді, әсіресе поляризациялық оптиканы жасауға пайдалы, көрінетін және инфрақызыл сәулелердің 4,5 микрометрге дейінгі ұзындықтары үшін қолданылады. Табиғи рутил құрамында 10%-ға дейін темір және ниобий мен танталдың маңызды мөлшері болуы мүмкін. Рутил атауы латын тіліндегі "rutilus" ("қызыл") сөзінен шыққан, ол кейбір үлгілерде жарық өткенде байқалатын терең қызыл түске байланысты. Рутилді алғаш рет 1803 жылы Абрахам Готтлоб Вернер Мадридтегі (Испания) Хоркахуэло-де-ла-Сьеррадан алынған үлгілерді пайдаланып сипаттаған, сол себепті ол типтік орны болып табылады.

Пайда болуы

Рутил – жоғары температуралы және жоғары қысымды метаморфтық тау жыныстарында, сондай-ақ магмалық тау жыныстарында кең таралған қосымша минерал. Термодинамикалық тұрғыдан рутил – барлық температурада TiO2-нің ең тұрақты полиморфы, анатоза немесе брукит сияқты тұрақсыз фазаларға қарағанда төменгі жалпы еркін энергияға ие. Осының салдарынан, тұрақсыз TiO2 полиморфтарының рутилге өтуі қайтымсыз процесс. Ол үш негізгі полиморфтың ең төмен молекулалық көлеміне ие болғандықтан, көбінесе жоғары қысымды метаморфтық тау жыныстарында, әсіресе эклогиттерде титанның негізгі құрауыш фазасы болып табылады. Магмалық ортада рутил плутоникалық магмалық жыныстарда жиі кездеседі, бірақ кейде экструзивті магмалық жыныстарда да табылады, әсіресе терең мантиялық көздері бар кимберлиттер мен лампроиттерде. Анатоза мен брукит магмалық ортада, әсіресе плутондық тау жыныстарының салқындауы кезінде пайда болатын автогендік өзгерістердің нәтижесі ретінде кездеседі; анатоза бастапқы рутилден алынған аллювиалдық шөгінділерде де табылады. Ірі кристалдық үлгілер көбінесе пегматиттерде, скарндарда және гранит грейзендерінде кездеседі. Рутил кейбір өзгерген магмалық жыныстарда, сондай-ақ кейбір гнейстер мен шисталарда қосымша минерал ретінде кездеседі. Ацикулярлы кристалдардың топтарында ол жиі кварцты тесіп өтеді, мысалы, Швейцарияның Граубюнден аймағындағы «флеш д’амур» құрылымдарында байқалады. 2005 жылы Батыс Африкадағы Сьерра-Леоне Республикасы әлемдік рутил өндірісінің 23%-ын құрады, ал 2008 жылы бұл көрсеткіш шамамен 30%-ға жетті.

Кристалдық құрылым

Рутилде тетрагональды бірлік жасуша бар, бірлік жасуша параметрлері a = b = 4,584 Å және c = 2,953 Å. Титан катиондарының координациялық саны 6-ға тең, яғни олар 6 оттегі атомдарынан тұратын октаэдрмен қоршалған. Оттегі аниондарының координациялық саны 3-ке тең, бұл тригональды жазықтық координацияға әкеледі. Рутил октаэдрлері тізбектей қарастырылғанда бұрандалы осьті көрсетеді. Тотығу жағдайында оттегінің бос орындары пайда болуы мүмкін, олар Ti3+ орталықтарымен байланысты. Сутек осы бос орындарға жеке бос орын ретінде (сутек ионымен жұптасып) немесе жақын орналасқан оттегімен гидроксид тобын құру арқылы енуі мүмкін. Зерттеулер көбінесе минералдық кендерден алынған материалдардың орнына синтетикалық рутилдің шағын мөлшерін пайдаланады.

Синтетикалық рутил

Синтетикалық рутил алғаш рет 1948 жылы өндірілді және түрлі атаулармен сатылады. Ол титан кені ильмениттен Бехер процесі арқылы өндірілуі мүмкін. Өте таза синтетикалық рутил мөлдір және түсіз, ірі үлкейгенде сәл сары түсті болады. Синтетикалық рутилді допингтеу арқылы әртүрлі түстерде жасауға болады. Жоғары сындыру көрсеткіші алмазға ұқсас жылтырлықты және күшті сындыруды қамтамасыз етеді, бұл оған алмаз тәрізді көрініс береді. Дерлік түссіз алмаздың орнына "Титания" деген атпен сатылады, бұл осы оксидтің бұрынғы химиялық атауы. Дегенмен, рутил зергерлік бұйымдарда көбінесе қолданылмайды, себебі ол қаттылығымен (сызатқа төзімділігімен) ерекшеленбейді, Моос шкаласы бойынша шамамен 6 балға тең. Титан диоксидінің фотокатализдік белсенділігіне зерттеулердің артуына байланысты, анатаз және рутил фазаларында (сондай-ақ екі фазаның қоспаларында) рутил TiO2 ұнтақ және жұқа пленка түрінде зертхана жағдайында, негізінен бейорганикалық прекурсорларды (әдетте TiCl4) немесе органометалл прекурсорларды (әдетте алкогоксидтер, мысалы, титан изопропоксиді, сондай-ақ TTIP деп те аталады) қолдана отырып, ерітінділік әдістермен жиі жасалады. Синтез жағдайларына қарай, алғаш кристалданатын фаза тұрақсыз анатаз фазасы болуы мүмкін, ол кейіннен жылумен өңдеу арқылы тепе-теңдік рутил фазасына айналады. Рутилдің физикалық қасиеттері көбінесе допанттарды қолдану арқылы өзгертіледі, бұл фотогенерирленген заряд тасымалдаушыларды жақсарту, электрондық жолақтың құрылымын өзгерту және беттік реакциялық қабілетті арттыру арқылы фотокатализдік белсенділікті жақсартуға мүмкіндік береді.