El rutilo es un mineral de óxido compuesto de dióxido de titanio (TiO 2 ), la forma natural más común de TiO 2 . Se conocen polimorfos más raros de TiO 2 , entre ellos la anatasa , la akaogiita y la 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 ópticas 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 .
El nombre de rutilo deriva del latín rutilus ('rojo'), en referencia al color rojo intenso que se observa en algunos ejemplares cuando se observan con luz transmitida. El rutilo fue descrito por primera vez en 1803 por Abraham Gottlob Werner utilizando ejemplares obtenidos en Horcajuelo de la Sierra, Madrid (España), [6] que es, en consecuencia, la localidad tipo.
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 TiO 2 a todas las temperaturas, exhibiendo una energía libre total menor que las fases metaestables de anatasa o brookita. [7] En consecuencia, la transformación de los polimorfos metaestables de TiO 2 en 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 las eclogitas .
En el entorno ígneo, el rutilo es un mineral accesorio común en las rocas ígneas plutónicas , aunque también se encuentra ocasionalmente en rocas ígneas extrusivas , particularmente aquellas como las kimberlitas y lamproitas que tienen fuentes del manto profundo. La anatasa y la brookita se encuentran en el entorno ígneo, particularmente como productos de alteración autógena durante el enfriamiento de rocas plutónicas; la anatasa también se encuentra en depósitos de placer provenientes del rutilo primario.
La presencia de grandes cristales de muestra es más común en pegmatitas , skarns y greisens de granito . El rutilo se encuentra como mineral accesorio en algunas rocas ígneas alteradas y en ciertos gneises y esquistos . En grupos de cristales aciculares se lo ve frecuentemente penetrando el 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 anual mundial de rutilo, que aumentó a aproximadamente el 30% en 2008.
El rutilo tiene una celda unitaria tetragonal , con parámetros de celda unitaria a = b = 4,584 Å y c = 2,953 Å. [8] 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. El rutilo también muestra un eje de tornillo cuando sus octaedros se ven secuencialmente. [9] Cuando se forma en condiciones reductoras, pueden producirse vacantes de oxígeno, acopladas a centros Ti 3+ . [10] El hidrógeno puede entrar en estos huecos, existiendo como un ocupante de vacante individual (emparejándose como un ion de hidrógeno) o creando un grupo hidróxido con un oxígeno adyacente. [10]
Los cristales de rutilo se observan con mayor frecuencia por exhibir un hábito de crecimiento prismático o acicular con orientación preferencial a lo largo de su eje c , la dirección [001] . Este hábito de crecimiento se favorece ya que las facetas {110} del rutilo exhiben la energía libre superficial más baja y, por lo tanto, son termodinámicamente más estables. [8] El crecimiento orientado al eje c del rutilo aparece claramente en nanobarras , nanocables y fenómenos de crecimiento de grano anormal de esta fase.
En cantidades suficientemente grandes en las arenas de las playas, el rutilo constituye un componente importante de los minerales pesados y los depósitos de mena . Los mineros extraen y separan los minerales valiosos, por ejemplo, el rutilo, el circón y la ilmenita . Los principales usos del rutilo son la fabricación de cerámica refractaria , como pigmento y para la producción de titanio metálico .
El rutilo en polvo fino es un pigmento blanco brillante que se utiliza en pinturas , plásticos , papel , alimentos y otras aplicaciones que requieren un color blanco brillante. El pigmento de dióxido de titanio es el mayor uso del titanio en todo el mundo. Las partículas nanométricas de rutilo son transparentes a la luz visible , pero son muy eficaces en la absorción de la radiación ultravioleta ( protector solar ). La absorción de rayos UV de las partículas nanométricas de rutilo se desplaza hacia el azul en comparación con el rutilo en masa, de modo que la luz UV de mayor energía es absorbida por las nanopartículas. Por lo tanto, se utilizan en protectores solares para proteger contra el daño a 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 asterizadas se conocen como gemas "estrella". Los zafiros estrella , los rubíes estrella y otras gemas estrella son muy buscados y, por lo general, son más valiosas que sus contrapartes normales.
El rutilo se utiliza ampliamente como recubrimiento de electrodos de soldadura . También se utiliza como parte del índice ZTR , que clasifica los sedimentos altamente meteorizados.
El rutilo, como semiconductor de banda ancha , ha sido objeto en las últimas décadas de importantes investigaciones para aplicaciones como óxido funcional para aplicaciones en fotocatálisis y magnetismo diluido . [11] Los esfuerzos de investigación suelen utilizar pequeñas cantidades de rutilo sintético en lugar de materiales derivados de depósitos minerales.
El rutilo sintético se produjo por primera vez en 1948 y se vende bajo una variedad de nombres. Se puede producir a partir del mineral de titanio ilmenita mediante el proceso Becher . El rutilo sintético muy puro es transparente y casi incoloro, siendo ligeramente amarillo, en trozos grandes. El rutilo sintético se puede hacer en una variedad de colores mediante dopaje. El alto índice de refracción le da un brillo adamantino y una fuerte refracción que conduce a una apariencia similar al diamante . El sustituto del diamante casi incoloro se vende como "Titania", que es el nombre químico antiguo para este óxido. Sin embargo, el rutilo rara vez se usa en joyería porque no es muy duro (resistente a los arañazos), midiendo 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), el TiO2 rutilo en forma de polvo y película delgada se fabrica con frecuencia en condiciones de laboratorio a través de rutas basadas en solución 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 anatasa metaestable , que luego puede convertirse en la fase rutilo en equilibrio a través de un 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 de portadores de carga fotogenerados, estructuras de banda electrónicas alteradas y una reactividad superficial mejorada.
