Рутил

Рутил
Рутил
Общий
Категория	Оксидные минералы
Формула ; (повторяющаяся единица)	Ти О 2
Имеет символ IMA.	рт
Классификация Штрунца	4.ДБ.05
Кристаллическая система	четырехугольный
Кристаллический класс	Дитетрагональная дипирамидальная (4/ммм) ; Символ HM : (4/м 2/м 2/м)
Космическая группа	P 4 2 /мнм
Элементарная ячейка	а = 4,5937 Å, с = 2,9587 Å; Z = 2
Идентификация
Цвет	Коричневый, красновато-коричневый, кроваво-красный, красный, буровато-желтый, бледно-желтый, желтый, бледно-голубой, фиолетовый, реже травянисто-зеленый, серовато-черный; черный, если много Nb–Ta
Кристальная привычка	Кристаллы от игольчатых до призматических , вытянутые и исчерченные параллельно [001].
Твиннинг	Общий для {011} или {031}; как контактные близнецы с двумя, шестью или восемью особями, циклические, полисинтетические
Расщепление	{110} хорошее, {100} среднее, прощание по {092} и {011}
Перелом	Неровный до субраковистого
шкала Мооса твердость	6.0–6.5
Блеск	Адамантиновый до металлического
Полоса	От ярко-красного до темно-красного
прозрачность	Непрозрачный, прозрачный в тонких фрагментах.
Удельный вес	4.23 увеличивается с увеличением содержания Nb–Ta
Оптические свойства	Одноосный (+)
Показатель преломления	n ω = 2,613, n ε = 2,909 (589 нм)
Двойное лучепреломление	0,296 (589 нм)
Плеохроизм	От слабого до отчетливого коричневатого красно-зелено-желтого цвета
Дисперсия	Сильный
Плавкость	Легкоплавкий в карбонатах щелочных металлов.
Растворимость	Нерастворим в кислотах
Общие примеси	Фе, Нб, Та
Другие характеристики	Сильно анизотропный
Ссылки

Рутил — оксидный минерал, состоящий из диоксида титана (TiO ₂ ), наиболее распространенной природной формы TiO ₂ . более редкие полиморфы TiO ₂ Известны , 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 видимого и волн 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 Авраамом Готтлобом Вернером с использованием образцов, полученных в Оркахуэло-де-ла-Сьерра, Мадрид (Испания), ^[6] что, следовательно, является типовой местностью.

возникновение

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.

Встречаемость кристаллов крупных экземпляров наиболее характерна для пегматитов , скарнов и гранитных грейзенов . Рутил встречается как акцессорный минерал в некоторых измененных магматических породах , 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%.

Кристаллическая структура

Элементарная ячейка рутила. Атомы Ti — серые; Атомы О имеют красный цвет.

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 Ti. ³⁺ центры. ^[10] Водород может проникать в эти промежутки, существуя как отдельный оккупант вакансии (спариваясь в виде иона водорода) или образуя гидроксидную группу с соседним кислородом. ^[10]

Кристаллы рутила чаще всего имеют призматическую или игольчатую форму роста с преимущественной ориентацией вдоль оси c [001] , направления . Этот способ роста предпочтителен, поскольку грани {110} рутила обладают наименьшей поверхностной свободной энергией и, следовательно, термодинамически наиболее стабильны. ^[8] Рост c рутила, ориентированный по оси , отчетливо проявляется в наностержнях , нанопроволоках и явлениях аномального роста зерен этой фазы.

Приложение

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 выветренные отложения.

Полупроводник

с большой запрещенной зоной Рутил, как полупроводник , 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

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 рутильную фазу посредством термической обработки. Физические свойства рутила часто модифицируются с использованием легирующих добавок для придания улучшенной фотокаталитической активности за счет улучшенного фотогенерируемого разделения носителей заряда, изменения структуры электронных зон и улучшения поверхностной реакционной способности.

См. также

Список минералов

Ссылки

^ Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .
^ Справочник по минералогии .
^ Веб-минеральные данные .
^ Mindat.org .
^ Кляйн, Корнелис и Корнелиус С. Херлбут, 1985, Руководство по минералогии, 20-е изд., John Wiley and Sons, Нью-Йорк, стр. 304–05, ISBN 0-471-80580-7 .
^ Кальво, Мигель (2009). Минералы и рудники Испании. Том IV. Оксиды и гидроксиды (на испанском языке). Мадрид, Испания: Высшая техническая школа горных инженеров Мадрида. Фонд Гомеса Пардо. п. 237.
^ Ханаор, Д.А.Х.; Ассади, MHN; Ли, С.; Ю, А.; Соррелл, CC (2012). «Ab initio исследование фазовой стабильности в легированном TiO ₂ ». Вычислительная механика . 50 (2): 185–94. arXiv : 1210.7555 . Бибкод : 2012CompM..50..185H . дои : 10.1007/s00466-012-0728-4 . S2CID 95958719 .
^ Jump up to: ^а ^б Ханаор, Дориан А.Х.; Сюй, Ваньцян; Ферри, Майкл; Соррелл, Чарльз К.; Соррелл, Чарльз К. (2012). «Аномальный рост зерен рутила TiO _{2 ,} вызванный ZrSiO ₄ » . Журнал роста кристаллов . 359 : 83–91. arXiv : 1303.2761 . Бибкод : 2012JCrGr.359...83H . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2012.08.015 . S2CID 94096447 .
^ «Структура рутила» , Стивен Датч, Естественные и прикладные науки, Университет Висконсина - Грин Бэй.
^ Jump up to: ^а ^б Палфей, WR; Россман, Греция; Годдард, Вашингтон III (2021 г.). «Структура, энергетика и спектры кислородной вакансии в рутиле: известность связи Ti – HO _–Ti » . Журнал физической химии . 12 (41): 10175–10181. doi : 10.1021/acs.jpclett.1c02850 . ПМИД 34644100 . S2CID 238860345 .
^ Магнетизм в полиморфах диоксида титана J. Прикладная физика

Внешние ссылки

«Рутил» . Американская энциклопедия . 1920.

[1] Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .

[Handbook-2] Справочник по минералогии .

[Webmin-3] Веб-минеральные данные .

[Mindat-4] Mindat.org .

[Klein-5] Кляйн, Корнелис и Корнелиус С. Херлбут, 1985, Руководство по минералогии, 20-е изд., John Wiley and Sons, Нью-Йорк, стр. 304–05, ISBN 0-471-80580-7 .

[6] Кальво, Мигель (2009). Минералы и рудники Испании. Том IV. Оксиды и гидроксиды (на испанском языке). Мадрид, Испания: Высшая техническая школа горных инженеров Мадрида. Фонд Гомеса Пардо. п. 237.

[7] Ханаор, Д.А.Х.; Ассади, MHN; Ли, С.; Ю, А.; Соррелл, CC (2012). «Ab initio исследование фазовой стабильности в легированном TiO ₂ ». Вычислительная механика . 50 (2): 185–94. arXiv : 1210.7555 . Бибкод : 2012CompM..50..185H . дои : 10.1007/s00466-012-0728-4 . S2CID 95958719 .

[art-8] Jump up to: ^а ^б Ханаор, Дориан А.Х.; Сюй, Ваньцян; Ферри, Майкл; Соррелл, Чарльз К.; Соррелл, Чарльз К. (2012). «Аномальный рост зерен рутила TiO _{2 ,} вызванный ZrSiO ₄ » . Журнал роста кристаллов . 359 : 83–91. arXiv : 1303.2761 . Бибкод : 2012JCrGr.359...83H . дои : 10.1016/j.jcrysgro.2012.08.015 . S2CID 94096447 .

[9] «Структура рутила» , Стивен Датч, Естественные и прикладные науки, Университет Висконсина - Грин Бэй.

[palfey2021-10] Jump up to: ^а ^б Палфей, WR; Россман, Греция; Годдард, Вашингтон III (2021 г.). «Структура, энергетика и спектры кислородной вакансии в рутиле: известность связи Ti – HO _–Ti » . Журнал физической химии . 12 (41): 10175–10181. doi : 10.1021/acs.jpclett.1c02850 . ПМИД 34644100 . S2CID 238860345 .

[11] Магнетизм в полиморфах диоксида титана J. Прикладная физика

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]