Rutil

Rutil
Rutil auf Quarz aus Kapudschuk, Aserbaidschan (Größe der Stufe: 5 cm × 3,2 cm × 3,5 cm)
Allgemeines und Klassifikation
Chemische Formel	TiO₂
Mineralklasse (und ggf. Abteilung)	Oxide und Hydroxide
System-Nr. nach Strunz und nach Dana	4.DB.05 (8. Auflage: IV/D.02) 04.04.01.01
Kristallographische Daten
Kristallsystem	tetragonal
Kristallklasse; Symbol	ditetragonal-dipyramidal; 4/m 2/m 2/m
Raumgruppe	P4₂/mnm (Nr. 136)
Gitterparameter	a = 4,59 Å; c = 2,96 Å
Formeleinheiten	Z = 2
Häufige Kristallflächen	{110}, {010} und viele andere
Zwillingsbildung	polysynthetische, lamellare und zyklische Drillinge und Vierlinge
Physikalische Eigenschaften
Mohshärte	6 bis 6,5 (entspricht VHN 894 bis 974 (bei einer Prüfkraft von 100 g)
Dichte (g/cm³)	gemessen: 4,23; berechnet: 4,25
Spaltbarkeit	vollkommen nach (110), gut nach (100)
Bruch; Tenazität	muschelig, uneben
Farbe	rötlichbraun bis kräftig rot, auch gelb, bläulich oder violett
Strichfarbe	gelb bis braun
Transparenz	durchsichtig bis undurchsichtig
Glanz	Diamantglanz
Magnetismus	paramagnetisch, spezifische magnetische Suszeptibilität (Massensuszeptibilität) 7,7·10⁻⁷ emu/Oe·mg
Kristalloptik
Brechungsindizes	n_ω = 2,605 bis 2,613 n_ε = 2,899 bis 2,901
Doppelbrechung	δ = 0,294
Optischer Charakter	einachsig positiv
Achsenwinkel	2V = stark
Pleochroismus	sichtbar: ε - rot oder gelb, ω - braun oder grün
Weitere Eigenschaften
Besondere Merkmale	sehr hohe Lichtbrechung, vergleichbar der von Diamant

Rutil ist ein häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der „Oxide und Hydroxide“. Er 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, Vierlinge und Sechslinge, 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.

Etymologie und Geschichte

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.

Klassifikation

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)“.

Kristallstruktur

Kristallstruktur von Rutil bestehend aus Titan(IV)-Kationen (weiß) und Oxid-Anionen (rot)

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.

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: [TiO_4/2O_2/1]) beschreiben, die parallel der kristallographischen c-Achse verlaufen. Die Stränge sind weiterhin über gemeinsame Ecken zu einem dreidimensionalen [TiO_6/3]-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.

Eigenschaften

Morphologie

Rutilnadeln in Quarz

Rutil bildet häufig prismatische Kristalle mit dicksäuligem bis feinnadeligem Habitus, an denen oft die Flächenformen {110} und {010} vorherrschen und deren Kristallflächen parallel [001] gestreckt und gestreift sind. Neben vielen anderen Formen kommen auch ditetragonale Prismen vor.

In feinnadeliger bis faseriger Form eingeschlossen, ist Rutil für den unter anderem für den 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.

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 Zwillingsbildungen und sogar Sechslinge, die geschlossene Ringe bilden. 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.

V-förmiger Rutil
zyklischer Polyzwilling
Sagenit
„Rutil-Alphabet“

Farbe

Rutil kann in verschiedenen Farben auftreten, am häufigsten findet er 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.

Chemische und physikalische Eigenschaften

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.

Modifikationen und Varietäten

Rutilvarietät Sagenit aus Diamantina, Minas Gerais, Brasilien
(Größe: 3,4 cm × 2,9 cm × 0,2 cm)

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. Sie wird auch als epitaktische (orientierte) Verwachsung bezeichnet.

Nigrin ist die Bezeichnung für einen eisenhaltigen, schwarzen Rutil.

Bildung und Fundorte

Mineral-Aggregat aus Rutil (schwarz), Albit (weiß) und Titanit (grün)

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 als Seifenmineral in Flusssedimenten. Entsprechend ist Rutil mit vielen anderen Mineralen vergesellschaftet anzutreffen, wie neben den bereits erwähnten weiteren TiO₂-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. 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“ bei Sedrun in Graubünden sowie in den brasilianischen Gemeinden Ibitiara (Bahia) und Itabira (Minas Gerais) werden besonders schöne Rutil-Hämatit-Epitaxien gefunden. Große knie- bzw. visierförmige Kristallzwillinge bis etwa 7 cm Größe fanden sich bei Golčův Jeníkov und Soběslav in Tschechien. Kristalle bis zu 5 cm Größe stammen aus der Lagerstätte Paragatschaj auf dem Berg Kapudschuk, Autonome Republik Nachitschewan, Aserbaidschan.

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.

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.

Verwendung

als Rohstoff

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.

als Schmuckstein

Quarz-Rohstein mit sternförmigem Einschluss von Rutil

Rutilquarz im Smaragdschliff

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“ oder „Diamonit“ (nicht zu verwechseln mit Diamondit!) als Diamantimitation verkauft, wobei er dessen Glanz durch sechsmal so hohe Dispersion (Feuer) sogar weit übertrifft.

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.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de