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Rutil auf Quarz aus Kapudzyk, Azerbaijan (Größe der Stufe: 5 cm x 3.2 cm x 3.5 cm) | |
Chemische Formel | TiO2 |
Mineralklasse | Oxide und Hydroxide 4.DB.05 (8. Auflage: IV/D.02) nach Strunz 04.04.01.01 nach Dana |
Kristallsystem | tetragonal |
Kristallklasse; Symbol nach Hermann-Mauguin | ditetragonal-dipyramidal 4/m2/m2/m[1] |
Raumgruppe (Raumgruppen-Nr.) | P42/mnm (Raumgruppen-Nr. 136) |
Farbe | Rötlichbraun bis kräftig Rot, auch gelb, bläulich oder violett |
Strichfarbe | gelb bis braun |
Mohshärte | 6 bis 6,5 (entspricht VHN 894 bis 974 (bei einer Prüfkraft von 100 g)[2] |
Dichte (g/cm3) | gemessen: 4,23 ; berechnet: 4,25 |
Glanz | Diamantglanz |
Transparenz | durchsichtig bis undurchsichtig |
Spaltbarkeit | vollkommen nach (110), gut nach (100) |
Bruch | muschelig, uneben |
Habitus | prismatische Kristalle, gestreckt und gestreift parallel [001] |
Häufige Kristallflächen | {110}, {010} und viele andere |
Zwillingsbildung | polysynthetische, lamellare und zyklische Drillinge und Vierlinge |
Kristalloptik | |
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Brechungsindex | nω = 2,605 bis 2,613 ; nε = 2,899 – 2,901 [3] |
Doppelbrechung (optischer Charakter) | δ = 0,294 [3]; einachsig positiv |
Optischer Achsenwinkel | 2V = stark |
Pleochroismus | sichtbar: ε = rot oder gelb, ω = braun oder grün |
Weitere Eigenschaften | |
Magnetismus | paramagnetisch, spezifische magnetische Suszeptibilität (Massensuszeptibilität) 7,7•10-7 emu/Oe•mg [4] |
Besondere Kennzeichen | sehr hohe Lichtbrechung, vergleichbar der von Diamant |
Rutil ist ein häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der „Oxide und Hydroxide“. Es kristallisiert im tetragonalen Kristallsystem mit der chemischen Zusammensetzung TiO2 und entwickelt meist kurz- bis langprismatische, vertikal gestreifte Kristalle und sehr häufig Kristallzwillinge in Form polysynthetischer, lamellarer und zyklischer Drillinge und Vierlinge, aber auch körnige bis massige Mineral-Aggregate.
Die meisten Rutilkristalle sind zwischen einigen Millimetern und wenigen Zentimetern groß. Es konnten aber auch Kristalle von bis zu 25 cm Länge gefunden werden.[2]
Rutil kann in verschiedenen Farben auftreten, häufig findet es sich aber in rötlichbrauner bis kräftig roter und schwarzer Farbe. Als Inklusionen (Einschlüsse) in anderen Mineralen – wie beispielsweise in Quarz – glänzt Rutil auch in kräftig goldgelber Farbe und wird in dieser Form als Venushaar bezeichnet und gern zu Schmucksteinen verarbeitet. Selten dagegen treten bläuliche oder violette Farbtöne auf.
In feinnadeliger bis faseriger Form eingeschlossen, ist Rutil für den unter anderem bei Saphiren und Rubinen vorkommenden Asterismus (Lichtstern) verantwortlich. In mikroskopischen Einschlüssen kann er neben Hämatit und anderen Mineraleinschlüssen die vor allem bei Quarzen beobachteten „Phantomkristalle“ betonen.
Rutil ist säureunlöslich und vor dem Lötrohr unschmelzbar. In Reinform ist er schwach paramagnetisch mit einer spezifischen magnetischen Suszeptibilität (Massensuszeptibilität) von 7,7•10−7 emu/Oe•mg, enthält er dagegen zusätzlich Eisen, wird er antiferromagnetisch[4].
Beschrieben wurde Rutil 1803 von Abraham Gottlob Werner, der das Mineral in Anlehnung an seine häufig vorkommende, rötliche Farbe nach dem lateinischen Wort rutilus für rot oder rötlich benannte.
Bis 1795, als seine chemische Zusammensetzung bekannt wurde, wurde Rutil fälschlicherweise für ein Mineral der Turmalingruppe gehalten.
In der mittlerweile veralteten, aber noch gebräuchlichen 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Rutil zur Mineralklasse der „Oxide und Hydroxide“ und dort zur Abteilung der „Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall : Sauerstoff = 1 : 2“, wo er als Namensgeber die „Rutilgruppe“ mit den weiteren Mitgliedern Argutit, Kassiterit, Paratellurit, Plattnerit, Pyrolusit und Tripuhyit bildete.
Die seit 2001 gültige und von der International Mineralogical Association (IMA) verwendete 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Rutil ebenfalls in die Klasse der „Oxide und Hydroxide“ und dort in die Abteilung der „Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall : Sauerstoff = 1 : 2 und vergleichbare“ ein. Diese Abteilung ist allerdings inzwischen weiter unterteilt nach der Größe der beteiligten Kationen und der Kristallstruktur, so dass das Mineral entsprechend seiner Zusammensetzung und seines Aufbaus in der Unterabteilung „Mit mittelgroßen Kationen: Ketten kantenverknüpfter Oktaeder“ zu finden ist, wo es zusammen mit Argutit, Kassiterit, Plattnerit, Pyrolusit, Tripuhyit, Tugarinovit und Varlamoffit die „Rutil-Gruppe“ mit der System-Nr. 4.DB.05 bildet.
Auch die Systematik der Minerale nach Dana ordnet den Rutil in die Klasse der „Oxide und Hydroxide“, dort allerdings zunächst in die Abteilung der „Oxide“ ein. Hier ist er zusammen mit Ilmenorutil, Struverit, Pyrolusit, Kassiterit, Plattnerit, Argutit, Squawcreekit und Stishovit in der „Rutilgruppe (Tetragonal: P4/mnm)“ mit der System-Nr. 04.04.01 innerhalb der Unterabteilung „Einfachen Oxide mit einer Kationenladung von 4+(AO2)“.
Rutil ist die bedeutendste und einzige bei hohen Temperaturen stabile Modifikation des Titandioxids. Die beiden anderen sind Anatas und Brookit.
Sagenit wird eine Rutilvarietät genannt, die flache, netz- bis gitterartige Verwachsungen von nadelartigen feinen Rutilzwillingen aufweist.
Nigrin ist die Bezeichnung für einen eisenhaltigen, schwarzen Rutil.
Rutil bildet sich als Hochtemperatur- und Hochdruckmineral sowohl magmatisch wie auch metamorph und ist als akzessorischer Bestandteil in vielen Gesteinen zu finden, so unter anderem auch in Flusssedimenten. Entsprechend ist Rutil mit vielen anderen Mineralen vergesellschaftet anzutreffen, wie neben den bereits erwähnten weiteren Modifikationen Anatas und Brookit unter anderem noch Adular, Albit, Apatit, Calcit, Chloriten, Ilmenit, Pyrophyllit, Titanit und Quarz. Mit Hämatit bildet Rutil zudem epitaxische Verwachsungen.
Rutil kommt in Eklogiten vor und ist die dominierende Ti-Phase in Granat-Amphiboliten.
Weltweit konnte Rutil bisher (Stand: 2011) an rund 3800 Fundorten nachgewiesen werden.[3] Erwähnenswert aufgrund seiner außergewöhnlichen Mineralfunde sind unter anderem die „Graves Mountain Mine“ im US-amerikanischen Lincoln County (Georgia), in der bis zu 15 cm große Kristalle zutage traten. In der „Cavradi-Schlucht“ am Gotthardmassiv sowie in den brasilianischen Gemeinden Ibitiara (Bahia) und Itabira (Minas Gerais) traten besonders schöne Rutil-Hämatit-Epitaxien auf. Große knie- bzw. visierförmige Kristallzwillinge bis etwa 7 cm Größe fanden sich bei Golčův Jeníkov und Soběslav in Tschechien.
In Deutschland konnte Rutil vor allem in einigen Regionen des Schwarzwaldes (Baden-Württemberg), im Fichtelgebirge, Spessart, Bayerischen Wald und Oberpfälzer Wald (Bayern), Hessen, Niedersachsen, im nordrhein-westfälischen Siebengebirge, der Eifel (Rheinland-Pfalz), im Saarland, im sächsischen Erzgebirge, Schleswig-Holstein und Thüringen nachgewiesen werden.
In Österreich fand sich das Mineral im Burgenland, in vielen Regionen Kärntens, Salzburgs und der Steiermark, in einigen Regionen Niederösterreichs und Tirols sowie in Oberösterreich und in Vorarlberg.
In der Schweiz trat Rutil vor allem in den Kantonen Graubünden, Tessin und Wallis auf.
Weitere Fundorte sind Ägypten, Algerien, Angola, Antarktis, Argentinien, Armenien, Australien, Aserbaidschan, Äthiopien, Bangladesch, Belgien, Bolivien, Bulgarien, Burkina Faso, Burundi, Chile, China, Dominikanische Republik, Ecuador, Fidschi, Finnland, Frankreich, Französisch-Guayana, Französisch-Polynesien, Ghana, Griechenland, Grönland, Guatemala, Guyana, Haiti, Honduras, Indien, Indonesien, Iran, Irland, Israel, Italien, Japan, Kanada, Kasachstan, Kenia, den subantarktischen Kerguelen, Kirgisistan, Kolumbien, Demokratische Republik Kongo, Nord- und Südkorea, Kuba, Lesotho, Luxemburg, Madagaskar, Malawi, Malaysia, Malta, Marokko, Mazedonien, Mexiko, Mongolei, Mosambik, Myanmar, Namibia, Nepal, Neukaledonien, Neuseeland, Niederlande, Nigeria, Norwegen, Oman, Pakistan, Panama, Papua-Neuguinea,Paraguay, Peru, Philippinen, Polen, Portugal, Réunion, Rumänien, Russland, die Salomonen, Sambia, Saudi-Arabien, Schweden, Serbien, Simbabwe, Slowakei, Slowenien, Spanien, Sri Lanka, Südafrika, Sudan, Suriname, Taiwan, Tadschikistan, Tansania, Thailand, Tschad, Tschechien, Türkei, Uganda, Ukraine, Ungarn, Usbekistan, Venezuela, das Vereinigte Königreich (Großbritannien), die Vereinigten Staaten von Amerika (USA), die US-amerikanischen Jungferninseln sowie Vietnam.[5]
Auch in Gesteinsproben des Mittelatlantischen Rückens und des Südwestindischen Rückens und außerhalb der Erde auf dem Mond, genauer im Fra Mauro-Hochland konnte Rutil gefunden werden.
Im westafrikanischen Staat Sierra Leone befinden sich 23 % der weltweiten Produktionskapazitäten (Stand: 2007), die mit 259 Millionen Tonnen vermutlich auch die größten Reserven der Erde darstellen.[6]
Rutil bildet häufig prismatische Kristalle nach {110}, {010} und vielen anderen mit dicksäuligem bis feinnadeligem Habitus, deren Kristallflächen parallel [001] gestreckt und gestreift sind. Auch ditetragonale Prismen kommen vor.
Zwillingsbildungen sind bei Rutil allgemein anzutreffen, die sich nach zwei Gesetzen bilden können: Besonders häufig kommen Zwillinge, Drillinge und polysynthetische Viellinge in lamellarer oder zyklischer Form nach (101) vor, wobei die Individuen unter einem Winkel von 65°35′ aneinanderstoßen. Charakteristisch sind dabei vor allem knie- bzw. visierförmige und V-förmige Zwillingebildungen. Seltener sind Zwillinge nach (301) in Herzform, deren Vertikalachsen sich unter 54°44′ treffen. Beide Gesetze können auch gleichzeitig auftreten und dadurch ein gitter- oder netzförmige Aggregate bilden, die als Sagenit bezeichnet werden.
Rutil kristallisiert tetragonal in der Raumgruppe P42/mnm (Raumgruppen-Nr. 136) mit den Gitterparametern a = 4,59 Å und c = 2,96 Å sowie zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle.[7]
Die Rutil-Struktur ist ein häufig auftretender Strukturtyp für AB2-Verbindungen und beruht im Gegensatz zur Fluoritstruktur nicht auf einer dichtesten Kugelpackung. Die Oxid-Anionen sind zwar in der Art von verzerrten und gewellten „hexagonalen“ Schichten angeordnet, wobei die Hälfte der dazwischen befindlichen Oktaederlücken durch die Titan-Kationen besetzt sind, aufgrund der tetragonalen Symmetrie bilden diese gewellten Schichten jedoch keine dichteste Kugelpackung aus. Die Kristallstruktur lässt sich daher besser als eine tetragonale Stabpackung aus Strängen kantenverknüpfter [TiO6]-Oktaeder (gemäß der Niggli-Schreibweise: [TiO4/2O2/1]) beschreiben, die parallel der kristallographischen c-Achse verlaufen. Die Stränge sind weiterhin über gemeinsame Ecken zu einem dreidimensionalen [TiO6/3]-Netzwerk verknüpft, woraus sich gekürzt die Summenformel TiO2 ergibt. Die oktaedrisch von Sauerstoffatomen umgebenen Titan-Kationen weisen damit die Koordinationszahl 6 auf, während die Oxid-Anionen von drei Titanatomen in einer leicht verzerrten trigonal planaren Anordnung umgeben sind (Koordinationszahl 3).
Eine Reihe weiterer anorganischer Verbindungen kristallisiert ebenfalls in der Rutil-Struktur, darunter die Oxide NbO2, TaO2, MnO2 und SnO2 sowie die Fluoride CrF2, MnF2, FeF2, CoF2, NiF2, CuF2 und ZnF2.
Rutil ist mit einem Metall-Gehalt von etwa 60 % nach Ilmenit das bedeutendste Titan-Mineral.
Titandioxid in der Rutil-Modifikation wird aufgrund der hohen Lichtbrechung als Weißpigment verwendet. Außerdem dient er allein oder in Verbindung mit Zellulose als Umhüllung von Elektroden für das Lichtbogenschweißen, die das Schweißen verbessert oder erst ermöglicht.
Aufgrund seiner Halbleitereigenschaften findet Rutil in der Farbstoffsolarzelle, der sogenannten Grätzel-Zelle Verwendung. Seine Bandlücke beträgt etwa 3,0 eV, es kann daher Licht mit einer Wellenlänge kleiner als etwa 400 nm absorbieren.
Natürlicher Rutil wird nur gelegentlich von Sammlern zu Schmucksteinen verarbeitet, da er meist zu kleine Kristalle ausbildet. Synthetischer Rutil dagegen wird seit 1948 unter dem Handelsnamen „Titania“[8] oder „Diamonit“ (nicht zu verwechseln mit Diamondit!) als Diamantimitation verkauft, wobei er dessen Glanz durch sechsmal so hohe Dispersion (Feuer) sogar weit übertrifft.[9]
Gern zu Schmucksteinen verarbeitet werden auch in anderen Mineralen eingeschlossene Rutilnadeln, die neben dem goldenen Glanz auch für verschiedene optische Effekte wie beispielsweise Asterismus (Sternförmige Lichtreflexe) und Chatoyance (Katzenaugeneffekt) sorgen.
Rutile | |
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Wine-red rutile crystals from Binn Valley in Switzerland (Size: 2.0 x 1.6 x 0.8 cm) | |
General | |
Category | Oxide minerals |
Formula (repeating unit) | TiO2 |
Strunz classification | 04.DB.05 |
Crystal symmetry | Tetragonal ditetragonal dipyramidal H-M symbol: (4/m 2/m 2/m) Space group: P 4/mnm |
Unit cell | a = 4.5937 Å, c = 2.9587 Å; Z = 2 |
Identification | |
Color | Reddish brown, red, pale yellow, pale blue, violet, rarely grass-green; black if high in Nb–Ta |
Crystal habit | Acicular to Prismatic crystals, elongated and striated parallel to [001] |
Crystal system | Tetragonal ditetragonal dipyramidal |
Twinning | Comon on {011}, or {031}; as contact twins with two, six, or eight individuals, cyclic, polysynthetic |
Cleavage | {110} good, 100 moderate, parting on {092} and {011} |
Fracture | Uneven to sub-conchoidal |
Mohs scale hardness | 6.0 - 6.5 |
Luster | Adamantine to submetallic |
Streak | Bright red to dark red |
Diaphaneity | Opaque, transparent in thin fragments |
Specific gravity | 4.23 increasing with Nb–Ta content |
Optical properties | Uniaxial (+) |
Refractive index | nω = 2.613 nε = 2.909 (589nm) |
Birefringence | 0.296 (589nm) |
Pleochroism | Weak to distinct brownish red-green-yellow |
Dispersion | strong |
Fusibility | Fusible in alkali carbonates |
Solubility | Insoluble in acids |
Common impurities | Fe, Nb, Ta |
References | [1][2][3][4] |
Rutile is a mineral composed primarily of titanium dioxide, TiO2.
Rutile is the most common natural form of TiO2. Two rarer polymorphs of TiO2 are known:
Rutile has among 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 4.5μm.
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 is a common accessory mineral in high-temperature and high-pressure metamorphic rocks and in igneous rocks.
Thermodynamically, rutile is the most stable polymorph of TiO2 at all temperatures, exhibiting lower total free energy than metastable phases of anatase or brookite.[5] Consequently, the transformation of the metastable TiO2 polymorphs to rutile is irreversible. As it has the lowest molecular volume of the three main polymorphs; it is generally the primary titanium bearing phase in most high-pressure metamorphic rocks, chiefly eclogites.
Within the igneous environment, rutile is a common accessory mineral in plutonic igneous rocks, though it is also found occasionally in extrusive igneous rocks, particularly those that have deep mantle sources such as kimberlites and lamproites. Anatase and brookite are found in the igneous environment particularly as products of autogenic alteration during the cooling of plutonic rocks; anatase is also found in placer deposits sourced from primary rutile.
The occurrence of large specimen crystals is most common in pegmatites, skarns, and granite greisens. Rutile is found as an accessory mineral in some altered igneous rocks, and in certain gneisses and schists. In groups of acicular crystals it is frequently seen penetrating quartz as in the fléches d'amour from Graubünden, Switzerland. In 2005 the Republic of Sierra Leone in West Africa had a production capacity of 23% of the world's annual rutile supply, which rose to approximately 30% in 2008. The reserves, lasting for about 19 years, are estimated at 259,000,000 metric tons (285,000,000 short tons).[6]
Rutile has a body-centred tetragonal unit cell, with unit cell parameters a=b=4.584 Å, and c=2.953 Å.[7] The titanium cations have a coordination number of 6 meaning they are surrounded by an octahedron of 6 oxygen atoms. The oxygen anions have a co-ordination number of 3 resulting in a trigonal planar co-ordination. Rutile also shows a screw axis when its octahedra are viewed sequentially.[8]
In large enough quantities in beach sands, rutile forms an important constituent of heavy minerals and ore deposits. Miners extract and separate the valuable minerals—e.g., rutile, zircon, and ilmenite. The main uses for rutile are the manufacture of refractory ceramic, as a pigment, and for the production of titanium metal.
Finely powdered rutile is a brilliant white pigment and is used in paints, plastics, paper, foods, and other applications that call for a bright white color. Titanium dioxide pigment is the single greatest use of titanium worldwide. Nanoscale particles of rutile are transparent to visible light but are highly effective in the absorption of ultraviolet radiation. The UV absorption of nano-sized rutile particles is blue-shifted compared to bulk rutile, so that higher-energy UV light is absorbed by the nanoparticles. Hence, they are used in sunscreens to protect against UV-induced skin damage.
Small rutile needles present in gems are responsible for an optical phenomenon known as asterism. Asteriated gems are known as "star" gems. Star sapphires, star rubies, and other "star" gems are highly sought after and are generally more valuable than their normal counterparts.
Rutile is widely used as a welding electrode covering. It is also used as a part of the ZTR index, which classifies highly weathered sediments.
Synthetic rutile was first produced in 1948 and is sold under a variety of names. Very pure synthetic rutile is transparent and almost colorless (slightly yellow) in large pieces. Synthetic rutile can be made in a variety of colors by doping. The high refractive index gives an adamantine luster and strong refraction that leads to a diamond-like appearance. The near-colorless diamond substitute is sold as "Titania", which is the old-fashioned chemical name for this oxide. However, rutile is seldom used in jewellery because it is not very hard (scratch-resistant), measuring only about 6 on the Mohs hardness scale.
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