Rutil - Rutile

Rutil
Hämatit-Rutil-57088.jpg
Allgemein
Kategorie Oxidmineralien
Formel
(Wiederholungseinheit)
Ti O 2
Strunz-Klassifikation 4.DB.05
Kristallsystem Tetragonal
Kristallklasse Ditetragonal dipyramidal (4/mmm)
HM-Symbol : (4/m 2/m 2/m)
Raumgruppe P 4 2 /mnm
Einheitszelle a = 4,5937 , c = 2,9587 ; Z  = 2
Identifikation
Farbe Braun, Rotbraun, Blutrot, Rot, Braungelb, Blassgelb, Gelb, Blassblau, Violett, selten Grasgrün, Grauschwarz; schwarz bei hohem Nb–Ta
Kristallgewohnheit Nadel- bis prismatische Kristalle, länglich und gestreift parallel zu [001]
Partnerschaften Gemeinsam auf {011} oder {031}; als Kontaktzwillinge mit zwei, sechs oder acht Individuen, zyklisch, polysynthetisch
Dekollete {110} gut, {100} mäßig, Abschied am {092} und {011}
Fraktur Ungleichmäßig bis subconchoidal
Härte der Mohs-Skala 6,0–6,5
Lüster Adamantin bis Submetallisch
Strähne Hellrot bis Dunkelrot
Durchsichtigkeit Opak, transparent in dünnen Fragmenten
Spezifisches Gewicht 4.23 mit steigendem Nb–Ta-Gehalt
Optische Eigenschaften Einachsig (+)
Brechungsindex n ω = 2,613, n ε = 2,909 (589 nm)
Doppelbrechung 0,296 (589 nm)
Pleochroismus Schwach bis deutlich bräunlich rot-grün-gelb
Dispersion Stark
Schmelzbarkeit Schmelzbar in Alkalicarbonaten
Löslichkeit Unlöslich in Säuren
Häufige Verunreinigungen Fe, Nb, Ta
Andere Eigenschaften Stark anisotrop
Verweise

Rutil ist ein Oxidmineral, das hauptsächlich aus Titandioxid (TiO 2 ), der häufigsten natürlichen Form von TiO 2 , besteht . Seltenere Polymorphe von TiO 2 sind bekannt, einschließlich Anatas , Akaogiit und Brookit .

Rutil hat einen der höchsten Brechungsindizes bei sichtbaren Wellenlängen aller bekannten Kristalle und weist zudem eine besonders große Doppelbrechung und hohe Dispersion auf . Aufgrund dieser Eigenschaften ist es für die Herstellung bestimmter optischer Elemente, insbesondere Polarisationsoptiken , für längere sichtbare und infrarote Wellenlängen bis etwa 4,5 Mikrometer nützlich . Natürliches Rutil kann bis zu 10 % Eisen und erhebliche Mengen an Niob und Tantal enthalten .

Rutil leitet seinen Namen vom lateinischen rutilus ('rot') ab, in Bezug auf die tiefrote Farbe, die bei einigen Exemplaren beobachtet wird, wenn sie im Durchlicht betrachtet werden. Rutil wurde erstmals 1803 von Abraham Gottlob Werner beschrieben .

Auftreten

Rutilausstoß im Jahr 2005

Rutil ist ein häufiges Begleitmineral in metamorphen Hochtemperatur- und Hochdruckgesteinen und in magmatischen Gesteinen .

Thermodynamisch ist Rutil die stabilste Polymorphie von TiO 2 bei allen Temperaturen und weist eine niedrigere gesamte freie Energie auf als metastabile Phasen von Anatas oder Brookit. Folglich ist die Umwandlung der metastabilen TiO 2 -Polymorphe in Rutil irreversibel. Da es das niedrigste molekulare Volumen der drei Hauptpolymorphe hat, ist es im Allgemeinen die primäre titanhaltige Phase in den meisten metamorphen Hochdruckgesteinen, hauptsächlich Eklogiten .

In der magmatischen Umgebung ist Rutil ein häufiges Begleitmineral in plutonischen magmatischen Gesteinen , obwohl es gelegentlich auch in extrusiven magmatischen Gesteinen gefunden wird , insbesondere in solchen wie Kimberliten und Lamproiten , die tiefe Mantelquellen haben. Anatas und Brookit werden in der magmatischen Umgebung vor allem als Produkte der autogenen Alteration während der Abkühlung von Tiefengesteinen gefunden; Anatas wird auch in Placer-Ablagerungen gefunden, die aus primärem Rutil gewonnen werden.

Das Vorkommen großer Probenkristalle ist am häufigsten bei Pegmatiten , Skarnen und Granitgreisen zu finden . Rutil wird als Begleitmineral in einigen alterierten magmatischen Gesteinen und in bestimmten Gneisen und Schiefer gefunden . In Gruppen von nadelförmigen Kristallen sieht man häufig durchdringenden Quarz wie bei den fléches d'amour aus Graubünden , Schweiz . Im Jahr 2005 verfügte die Republik Sierra Leone in Westafrika über eine Produktionskapazität von 23 % des weltweiten jährlichen Rutilangebots, das 2008 auf etwa 30 % gestiegen ist.

Kristallstruktur

Die Elementarzelle von Rutil. Ti-Atome sind grau; O-Atome sind rot.
Ein chemisches Kugel-Stab-Modell eines Rutilkristalls
Erweiterte Kristallstruktur von Rutil

Rutil hat eine tetragonale Elementarzelle mit Elementarzellenparametern a = b = 4,584 und c = 2,953 . Die Titankationen haben die Koordinationszahl 6, sind also von einem Oktaeder aus 6 Sauerstoffatomen umgeben. Die Sauerstoffanionen haben eine Koordinationszahl von 3, was zu einer trigonal-planaren Koordination führt. Rutil zeigt auch eine Schraubenachse, wenn seine Oktaeder nacheinander betrachtet werden.

Am häufigsten wird beobachtet, dass Rutilkristalle einen prismatischen oder nadelförmigen Wachstumshabitus mit bevorzugter Orientierung entlang ihrer c- Achse, der [001] -Richtung aufweisen . Diese Wachstumsgewohnheit wird bevorzugt, da die {110}-Facetten von Rutil die niedrigste freie Oberflächenenergie aufweisen und daher thermodynamisch am stabilsten sind. Das c- Achsen-orientierte Wachstum von Rutil tritt deutlich in Nanostäbchen , Nanodrähten und abnormalen Kornwachstumsphänomenen dieser Phase auf.

Verwendungen und wirtschaftliche Bedeutung

Nadelförmige Kristalle aus Rutil aus einem vorragenden Quarzkristall

In ausreichend großen Mengen im Strandsand bildet Rutil einen wichtigen Bestandteil von Schwermineralien und Erzvorkommen . Bergleute fördern und trennen die wertvollen Mineralien – zB Rutil, Zirkon und Ilmenit . Die Hauptverwendungszwecke von Rutil sind die Herstellung von feuerfester Keramik , als Pigment und zur Herstellung von Titanmetall.

Fein gepulvertes Rutil ist ein brillantes weißes Pigment und wird in Farben , Kunststoffen , Papier , Lebensmitteln und anderen Anwendungen verwendet, die eine strahlend weiße Farbe erfordern. Titandioxidpigment ist die weltweit größte Verwendung von Titan. Nanoskalige Teilchen aus Rutil sind transparent für sichtbares Licht , aber sind sehr wirksam bei der Absorption von UV - Strahlung. Die UV-Absorption von Rutil-Nanopartikeln ist im Vergleich zu Bulk-Rutil blauverschoben, so dass energiereicheres UV-Licht von den Nanopartikeln absorbiert wird. Daher werden sie in Sonnenschutzmitteln verwendet , um vor UV-induzierten Hautschäden zu schützen.

Kleine Rutilnadeln in Edelsteinen sind für ein optisches Phänomen verantwortlich, das als Asterismus bekannt ist . Getestete Edelsteine ​​sind als "Stern"-Edelsteine ​​bekannt. Stern Saphiren , Sterne Rubinen und anderen Edelsteine Sterne sind sehr begehrt und sind in der Regel mehr wert als ihre normalen Gegenstücke.

Rutil wird häufig als Schweißelektrodenüberzug verwendet . Es wird auch als Teil des ZTR-Index verwendet , der stark verwitterte Sedimente klassifiziert.

Rutil als Halbleiter mit großer Bandlücke war in den letzten Jahrzehnten Gegenstand bedeutender Forschungen zu Anwendungen als funktionelles Oxid für Anwendungen in der Photokatalyse und im verdünnten Magnetismus . Forschungsbemühungen verwenden typischerweise kleine Mengen synthetischen Rutils anstelle von Materialien, die aus Mineralablagerungen stammen.

Synthetisches Rutil

Synthetisches Rutil wurde erstmals 1948 hergestellt und wird unter verschiedenen Namen verkauft. Es kann aus dem Titanerz Ilmenit nach dem Becher-Verfahren hergestellt werden . Sehr reines synthetisches Rutil ist in großen Stücken transparent und fast farblos, da es leicht gelb ist. Synthetisches Rutil kann durch Dotierung in einer Vielzahl von Farben hergestellt werden. Der hohe Brechungsindex gibt einen diamantenen Glanz und starke Brechung das führt zu einem Diamanten -artigen Aussehen. Der fast farblose Diamantersatz wird als "Titania" verkauft, was die altmodische chemische Bezeichnung für dieses Oxid ist. Rutil wird jedoch selten in Schmuck verwendet, da es nicht sehr hart (kratzfest) ist und nur etwa 6 auf der Mohs-Härteskala misst .

Als Ergebnis des wachsenden Forschungsinteresses an der photokatalytischen Aktivität von Titandioxid, sowohl in Anatas- als auch in Rutil-Phasen (sowie zweiphasigen Mischungen der beiden Phasen), wird Rutil-TiO 2 in Pulver- und Dünnfilmform häufig unter Laborbedingungen durch Lösung hergestellt basierende Routen unter Verwendung von anorganischen Vorläufern (typischerweise TiCl 4 ) oder organometallischen Vorläufern (typischerweise Alkoxide wie Titanisopropoxid , auch bekannt als TTIP). Abhängig von den Synthesebedingungen kann die erste zu kristallisierende Phase die metastabile Anatas- Phase sein, die dann durch thermische Behandlung in die Gleichgewichts-Rutil-Phase umgewandelt werden kann. Die physikalischen Eigenschaften von Rutil werden häufig unter Verwendung von Dotierstoffen modifiziert, um eine verbesserte photokatalytische Aktivität durch verbesserte photogenerierte Ladungsträgertrennung, veränderte elektronische Bandstrukturen und verbesserte Oberflächenreaktivität zu verleihen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links