Введение
Рутил — это оксидный минерал, состоящий из диоксида титана (TiO2), наиболее распространенной природной формы TiO2. Известны более редкие полиморфы TiO2, такие как анатаз, акаогиит и брукит. Рутил обладает одним из самых высоких показателей преломления среди известных кристаллов в видимом спектре, а также выраженной двулучепреломлением и высокой дисперсией. Благодаря этим свойствам он используется в производстве определенных оптических элементов, особенно поляризационной оптики, для длинноволновой видимой и инфракрасной областей спектра до примерно 4,5 микрометров. Природный рутил может содержать до 10% железа и значительное количество ниобия и тантала. Название «рутил» происходит от латинского слова rutilus («красный»), в связи с глубоким красным цветом, наблюдаемым в некоторых образцах при просмотре на просвет. Рутил был впервые описан в 1803 году Авраамом Готлобом Вернером по образцам из Хоркахуэло-де-ла-Сьерра, Мадрид (Испания), которое является типовым местонахождением.
Rutile is an oxide mineral composed of titanium dioxide (TiO2), the most common natural form of TiO2. Rarer polymorphs of TiO2 are known, including anatase, akaogiite, and brookite. Rutile has one of the highest refractive indices at visible wavelengths of any known crystal and also exhibits a particularly large birefringence and high dispersion. Owing to these properties, it is useful for the manufacture of certain optical elements, especially polarization optics, for longer visible and infrared wavelengths up to about 4.5 micrometres. Natural rutile may contain up to 10% iron and significant amounts of niobium and tantalum. Rutile derives its name from the Latin rutilus ('red'), in reference to the deep red color observed in some specimens when viewed by transmitted light. Rutile was first described in 1803 by Abraham Gottlob Werner using specimens obtained in Horcajuelo de la Sierra, Madrid (Spain), which is consequently the type locality.
Возникновение
Рутил – широко распространенный акцессорный минерал в метаморфических породах высокого давления и высокой температуры, а также в магматических породах. Термодинамически рутил является наиболее стабильным полиморфом TiO2 при всех температурах, демонстрируя более низкую общую свободную энергию, чем метастабильные фазы анатаза или брокита. Следовательно, трансформация метастабильных полиморфов TiO2 в рутил является необратимой. Благодаря самому низкому молекулярному объему среди трех основных полиморфов, рутил обычно является основной фазой, содержащей титан, в большинстве метаморфических пород высокого давления, в частности в экогитах. В магматической среде рутил является распространенным акцессорным минералом в плутонических магматических породах, хотя он также встречается иногда и в эффузивных магматических породах, особенно в кимберлитах и лампроитах, имеющих источники из глубоких зон мантии. Анатаз и брукит встречаются в магматической среде, особенно как продукты аутогенной перекристаллизации при охлаждении плутонических пород; анатаз также встречается в россыпных месторождениях, образованных из первичного рутила. Крупные кристаллы наиболее часто встречаются в пегматитах, скарнах и гранитных грейзенах. Рутил встречается как акцессорный минерал в некоторых измененных магматических породах, а также в определенных гнейсах и сланцах. В виде групп игольчатых кристаллов он часто проникает в кварц, как в образцах «флеш д’амур» из Граубюндена, Швейцария. В 2005 году Республика Сьерра-Леоне в Западной Африке обеспечивала 23% мирового годового производства рутила, которое к 2008 году возросло примерно до 30%.
Кристальная структура
Рутил имеет тетрагональную элементарную ячейку с параметрами элементарной ячейки a = b = 4,584 Å и c = 2,953 Å. Титановые катионы имеют координационное число 6, то есть они окружены октаэдром из 6 атомов кислорода. Кислородные анионы имеют координационное число 3, что приводит к тригонально-плоской координации. При последовательном рассмотрении октаэдров рутила наблюдается ось винта. При формировании в восстановительных условиях могут возникать вакансии кислорода, связанные с центрами Ti3+. Водород может занимать эти вакансии, существуя как отдельный дефект (в виде иона водорода) или образуя гидроксильную группу с соседним атомом кислорода. В исследовательских целях обычно используют небольшие количества синтетического рутила, а не материалы из минеральных месторождений.
Синтетический рутил
Синтетический рутил был впервые произведен в 1948 году и продается под различными торговыми марками. Его можно получить из титановой руды ильменита с помощью процесса Бечера. Очень чистый синтетический рутил прозрачен и почти бесцветен, хотя в крупных образцах может иметь легкий желтоватый оттенок. Синтетический рутил можно получить в различных цветах путем легирования. Высокий показатель преломления придает ему алмазный блеск и сильную рефракцию, что создает впечатление, схожее с алмазом. Почти бесцветный заменитель алмаза продается под названием "Титания", что является устаревшим химическим названием этого оксида. Однако рутил редко используется в ювелирных изделиях из-за его невысокой твердости (устойчивости к царапинам), составляющей всего около 6 по шкале Мооса. В связи с растущим научным интересом к фотокаталитической активности диоксида титана как в анатазной, так и в рутильной фазах (а также в двухфазных смесях), рутил TiO2 в виде порошка и тонких пленок часто синтезируется в лабораторных условиях с использованием водных растворов на основе неорганических прекурсоров (обычно TiCl4) или органометаллических прекурсоров (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 преобразовать в равновесную рутильную фазу путем термической обработки. Физические свойства рутила часто модифицируются с помощью допантов для повышения фотокаталитической активности за счет улучшения разделения фотогенерируемых носителей заряда, изменения электронной зонной структуры и повышения реакционной способности поверхности.