Rutilo

El rutilo es un mineral de óxido compuesto de dióxido de titanio (TiO₂), la forma natural más común de TiO₂. Se conocen polimorfos más raros de TiO₂, que incluyen anatasa, akaogiita y brookita.

El rutilo tiene uno de los índices de refracción más altos en longitudes de onda visibles de cualquier cristal conocido y también exhibe una birrefringencia particularmente grande y una alta dispersión. Debido a estas propiedades, es útil para la fabricación de ciertos elementos ópticos, especialmente la óptica de polarización, para longitudes de onda visibles e infrarrojas más largas de hasta aproximadamente 4,5 micrómetros. El rutilo natural puede contener hasta un 10% de hierro y cantidades significativas de niobio y tantalio.

Rutilo deriva su nombre del latín rutilus ('rojo'), en referencia al color rojo intenso que se observa en algunos especímenes cuando se observan con luz transmitida.. El rutilo fue descrito por primera vez en 1803 por Abraham Gottlob Werner a partir de ejemplares obtenidos en Horcajuelo de la Sierra, Madrid (España), que es por tanto la localidad tipo.

Ocurrencia

Producción en 2005

El rutilo es un mineral accesorio común en rocas metamórficas de alta temperatura y alta presión y en rocas ígneas.

Termodinámicamente, el rutilo es el polimorfo más estable de TiO₂ a todas las temperaturas, exhibiendo una energía libre total más baja que las fases metaestables de anatasa o brookita. En consecuencia, la transformación de los polimorfos metaestables de TiO₂ a rutilo es irreversible. Como tiene el volumen molecular más bajo de los tres polimorfos principales, generalmente es la fase primaria que contiene titanio en la mayoría de las rocas metamórficas de alta presión, principalmente eclogitas.

Rutilo en cuarzo

Dentro del ambiente ígneo, el rutilo es un mineral accesorio común en las rocas ígneas plutónicas, aunque también se encuentra ocasionalmente en rocas ígneas extrusivas, en particular aquellas como las kimberlitas y las lamproitas que tienen fuentes profundas en el manto. La anatasa y la brookita se encuentran en el ambiente ígneo, particularmente como productos de alteración autógena durante el enfriamiento de rocas plutónicas; anatasa también se encuentra en depósitos de placer provenientes de rutilo primario.

La aparición de cristales de muestras grandes es más común en pegmatitas, skarns y granito greisens. El rutilo se encuentra como mineral accesorio en algunas rocas ígneas alteradas y en ciertos gneises y esquistos. En grupos de cristales aciculares se ve con frecuencia penetrando cuarzo como en las fléches d'amour de Graubünden, Suiza. En 2005, la República de Sierra Leona en África occidental tenía una capacidad de producción del 23 % del suministro mundial anual de rutilo, que aumentó a aproximadamente el 30 % en 2008.

Estructura cristalina

La célula unidad de rutilo. Ti átomos son grises; O átomos son rojos.

Estructura de cristal extendida de rutil

El rutilo tiene una celda unitaria tetragonal, con parámetros de celda unitaria a = b = 4,584 Å y c = 2,953 Å. Los cationes de titanio tienen un número de coordinación de 6, lo que significa que están rodeados por un octaedro de 6 átomos de oxígeno. Los aniones de oxígeno tienen un número de coordinación de 3, lo que resulta en una coordinación plana trigonal. Rutile también muestra un eje de tornillo cuando sus octaedros se ven secuencialmente. Cuando se forma en condiciones reductoras, pueden ocurrir vacantes de oxígeno, acoplado a centros Ti³⁺. El hidrógeno puede ingresar a estos espacios, existiendo como un ocupante vacante individual (emparejando como un ion de hidrógeno) o creando un grupo de hidróxido con un oxígeno adyacente.

Los cristales de rutilo suelen observarse con un hábito de crecimiento prismático o acicular con una orientación preferencial a lo largo de su eje c, la dirección [001]. Este hábito de crecimiento se ve favorecido ya que las facetas {110} del rutilo exhiben la energía libre superficial más baja y, por lo tanto, son termodinámicamente más estables. El crecimiento del rutilo orientado al eje c aparece claramente en los fenómenos de crecimiento de granos anormales de esta fase.

Solicitud

Cristales aciculares de protrusión rutilo de un cristal de cuarzo

En cantidades suficientemente grandes en las arenas de las playas, el rutilo forma un componente importante de minerales pesados y depósitos de mena. Los mineros extraen y separan los minerales valiosos, por ejemplo, rutilo, circón e ilmenita. Los principales usos del rutilo son la fabricación de cerámica refractaria, como pigmento, y para la producción de titanio metálico.

El rutilo finamente pulverizado es un pigmento blanco brillante y se usa en pinturas, plásticos, papel, alimentos y otras aplicaciones que requieren un color blanco brillante. El pigmento de dióxido de titanio es el mayor uso individual del titanio en todo el mundo. Las partículas de nanoescala de rutilo son transparentes a la luz visible pero son muy eficaces en la absorción de la radiación ultravioleta (protector solar). La absorción UV de las partículas de rutilo de tamaño nanométrico se desplaza hacia el azul en comparación con el rutilo a granel, de modo que las nanopartículas absorben la luz UV de mayor energía. Por lo tanto, se usan en protectores solares para proteger contra el daño de la piel inducido por los rayos UV.

Las pequeñas agujas de rutilo presentes en las gemas son responsables de un fenómeno óptico conocido como asterismo. Las gemas asteriadas se conocen como "estrellas" gemas Los zafiros estrella, los rubíes estrella y otras gemas estelares son muy buscados y generalmente son más valiosos que sus contrapartes normales.

El rutilo se usa ampliamente como recubrimiento de electrodos de soldadura. También se utiliza como parte del índice ZTR, que clasifica los sedimentos altamente meteorizados.

Semiconductores

El rutilo, como semiconductor de gran banda prohibida, ha sido objeto de importantes investigaciones en las últimas décadas para aplicaciones como óxido funcional para aplicaciones en fotocatálisis y magnetismo diluido. Los esfuerzos de investigación suelen utilizar pequeñas cantidades de rutilo sintético en lugar de materiales derivados de depósitos minerales.

Rutilo sintético

El rutilo sintético se produjo por primera vez en 1948 y se vende con una variedad de nombres. Se puede producir a partir del mineral de titanio ilmenita a través del proceso Becher. El rutilo sintético muy puro es transparente y casi incoloro, siendo ligeramente amarillo, en piezas grandes. El rutilo sintético se puede hacer en una variedad de colores mediante dopaje. El alto índice de refracción da un brillo adamantino y una fuerte refracción que conduce a una apariencia de diamante. El sustituto de diamante casi incoloro se vende como "Titania", que es el nombre químico anticuado de este óxido. Sin embargo, el rutilo rara vez se usa en joyería porque no es muy duro (resistente a los rasguños), y mide solo alrededor de 6 en la escala de dureza de Mohs.

Como resultado del creciente interés de la investigación en la actividad fotocatalítica del dióxido de titanio, tanto en fase anatasa como rutilo (así como mezclas bifásicas de las dos fases), rutilo TiO₂ en polvo y la forma de película se fabrica con frecuencia en condiciones de laboratorio a través de rutas basadas en soluciones utilizando precursores inorgánicos (típicamente TiCl4) o precursores organometálicos (típicamente alcóxidos como el isopropóxido de titanio, también conocido como TTIP). Dependiendo de las condiciones de síntesis, la primera fase en cristalizar puede ser la fase de anatasa metaestable, que luego se puede convertir en la fase de equilibrio de rutilo mediante tratamiento térmico. Las propiedades físicas del rutilo a menudo se modifican utilizando dopantes para impartir una actividad fotocatalítica mejorada a través de una mejor separación del portador de carga fotogenerado, estructuras de bandas electrónicas alteradas y reactividad superficial mejorada.