Магнетит - Magnetite

Магнетит
Магнетит-118736.jpg
Магнетит из Боливии
Общий
Категория
Формула
(повторяющаяся единица)
оксид железа (II, III), Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4
Классификация Струнца 4.BB.05
Кристаллическая система Изометрические
Кристалл класс Шестиугольник (м 3 м)
Символ HM : (4 / м 3 2 / м)
Космическая группа Ж д 3 м
Ячейка а = 8,397 Å; Z = 8
Идентификация
Цвет Черный, серый с коричневатым оттенком в отраженном солнце
Хрустальная привычка Октаэдрический , от мелкозернистого до массивного
Twinning На {III} как в плоскости двойников, так и в плоскости композиции, закон шпинели, как контактные близнецы
Расщепление Нечеткое, прощание на {Ill}, очень хорошо
Перелом Неравномерный
Упорство Хрупкий
Твердость по шкале Мооса 5,5–6,5
Блеск Металлический
Полоса Чернить
Прозрачность Непрозрачный
Удельный вес 5,17–5,18
Растворимость Медленно растворяется в соляной кислоте.
использованная литература
Основные разновидности
Магнитный камень Магнитный с определенными северным и южным полюсами
Элементарная ячейка магнетита. Серые сферы - кислород, зеленые - двухвалентное железо, синие - трехвалентное железо. Также показаны атом железа в октаэдрическом пространстве (голубой) и еще один атом в тетраэдрическом пространстве (серый).

Магнетит - это минерал и одна из основных железных руд с химической формулой Fe 3 O 4 . Это один из оксидов железа , ферримагнитен ; он притягивается к магниту и может быть намагничен, чтобы сам стать постоянным магнитом . Это самый магнитный из всех природных минералов на Земле. Естественно намагниченные куски магнетита, называемые магнитом , будут притягивать крошечные кусочки железа, именно так древние люди впервые открыли свойство магнетизма .

Магнетит бывает черного или коричневато-черного цвета с металлическим блеском, имеет твердость по шкале Мооса 5–6 и оставляет черную полосу . Мелкие зерна магнетита очень часто встречаются в магматических и метаморфических породах .

Химическое название IUPAC - оксид железа (II, III), а общее химическое название - оксид железа и железа .

Характеристики

Помимо магматических пород, магнетит также встречается в осадочных породах , в том числе в полосчатых железных образованиях, а также в озерных и морских отложениях как в виде зерен обломков, так и в виде магнитных ископаемых . Также считается, что наночастицы магнетита образуются в почвах, где они, вероятно, быстро окисляются до маггемита .

Кристальная структура

Химический состав магнетита - Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Это указывает на то, что магнетит содержит как двухвалентное ( двухвалентное ), так и трехвалентное ( трехвалентное ) железо, что предполагает кристаллизацию в среде, содержащей промежуточные уровни кислорода. Основные детали его структуры были установлены в 1915 году. Это была одна из первых кристаллических структур, полученных с помощью дифракции рентгеновских лучей . Структура представляет собой инверсную шпинель , в которой ионы O 2– образуют гранецентрированную кубическую решетку, а катионы железа занимают позиции внедрения. Половина катионов Fe 3+ занимает тетраэдрические позиции, а другая половина вместе с катионами Fe 2+ занимает октаэдрические позиции. Элементарная ячейка состоит из 32 ионов  O 2- , а длина элементарной ячейки a = 0,839 нм.

Как член группы обратной шпинели, магнетит может образовывать твердые растворы с минералами аналогичной структуры, включая ульвошпинель ( Fe
2
TiO
4
) и магнезиоферрита ( MgFe
2
О
4
).

Титаномагнетит, также известный как титаносодержащий магнетит, представляет собой твердый раствор между магнетитом и ульвошпинелью, который кристаллизуется во многих основных магматических породах. Титаномагнетит может подвергаться кислородному растворению во время охлаждения, что приводит к прорастанию магнетита и ильменита.

Морфология и размер кристаллов

Природный и синтетический магнетит чаще всего встречается в виде октаэдрических кристаллов, ограниченных плоскостями {111}, и в виде ромбододекаэдров . Двойникование происходит в плоскости {111}.

Гидротермальный синтез обычно дает одиночные октаэдрические кристаллы, которые могут достигать 10 мм (0,39 дюйма) в поперечнике. В присутствии минерализаторов, таких как 0,1  M HI или 2  M NH 4 Cl, и при 0,207 МПа при 416–800 ° C магнетит рос в виде кристаллов, форма которых представляла собой комбинацию ромбододекаэдрических форм. Кристаллы были более округлыми, чем обычно. Появление высших форм считалось результатом уменьшения поверхностной энергии, вызванного меньшим отношением поверхности к объему в кристаллах округлой формы.  

Реакции

Магнетит сыграл важную роль в понимании условий образования горных пород. Магнетит реагирует с кислородом с образованием гематита , и минеральная пара образует буфер, который может контролировать степень окисления окружающей среды ( летучесть кислорода ). Этот буфер известен как гематит-магнетитовый или HM-буфер. При более низких уровнях кислорода магнетит может образовывать буфер с кварцем и фаялитом, известный как буфер QFM. При еще более низких уровнях кислорода магнетит образует буфер с вюститом, известный как буфер MW. Буферы QFM и MW широко использовались в лабораторных экспериментах по химии горных пород. Буфер QFM, в частности, обеспечивает летучесть кислорода, близкую к таковой у большинства магматических пород.

Обычно магматические породы содержат твердые растворы как титаномагнетита, так и гемоильменита или титаногематита. Состав минеральных пар используется для расчета летучести кислорода: в магмах присутствует ряд окислительных условий , а степень окисления помогает определить, как магмы могут эволюционировать путем фракционной кристаллизации . Магнетит также получают из перидотитов и дунитов по серпентинизации .

Магнитные свойства

Магниты использовались как ранняя форма магнитного компаса . Магнетит был важным инструментом в палеомагнетизме , науке, важной для понимания тектоники плит, а также в качестве исторических данных для магнитогидродинамики и других научных областей .

Взаимоотношения между магнетитом и другими минералами оксида железа, такими как ильменит , гематит и ульвошпинель , хорошо изучены; в реакции между этими минералами и кислородом влияние , как и когда магнетит сохраняет запись в магнитном поле Земли .

При низких температурах магнетит претерпевает фазовый переход кристаллической структуры из моноклинной структуры в кубическую структуру, известную как переход Фервея . Оптические исследования показывают, что переход этого металла в изолятор является резким и происходит около 120  К. Переход Фервея зависит от размера зерна, доменного состояния, давления и стехиометрии железо-кислород . Изотропная точка также возникает около перехода Фервея около 130  К, в этой точке знак константы магнитокристаллической анизотропии меняется с положительного на отрицательный. Температура Кюри магнетита составляет 580 ° C (853 K; 1076 ° F).

Если магнетит находится в достаточно большом количестве, его можно найти в аэромагнитных исследованиях с помощью магнитометра, который измеряет магнитную напряженность.

Распределение вкладов

Магнетит и другие тяжелые минералы (темные) в кварцевом песке пляжа ( Ченнаи , Индия ).

Иногда магнетит в больших количествах содержится в пляжном песке. Такие черные пески (минеральные пески или железные пески ) встречаются в разных местах, например, в Лунг Кву Тан в Гонконге ; Калифорния , США ; и западное побережье Северного острова Новой Зеландии . Магнетит, выветренный из горных пород, переносится реками на пляж и концентрируется под действием волн и течений. Огромные месторождения были обнаружены в полосчатых железных образованиях. Эти осадочные породы использовались для определения изменений содержания кислорода в атмосфере Земли.

Крупные месторождения магнетита также находятся в районе Атакама в Чили ( Чилийский железный пояс ); Valentines область Уругвая ; Кируна , Швеция ; Tallawang область из Нового Южного Уэльса ; и в районе Адирондак в Нью-Йорке в Соединенных Штатах . Кедиет эдж Джилл , самая высокая гора Мавритании , полностью состоит из минерала. Депозиты также есть в Норвегии , Румынии и Украине . Богатые магнетитом песчаные дюны находятся на юге Перу. В 2005 году геологоразведочная компания Cardero Resources обнаружила обширное месторождение магнетитсодержащих песчаных дюн в Перу . Поле дюн покрывает 250 квадратных километров (100 квадратных миль), самая высокая дюна находится на высоте более 2000 метров (6560 футов) над дном пустыни. Песок содержит 10% магнетита.

В достаточно больших количествах магнетит может повлиять на навигацию по компасу . На Тасмании есть много областей с сильно намагниченными камнями, которые могут сильно повлиять на компасы. При использовании компаса на Тасмании требуются дополнительные шаги и повторные наблюдения, чтобы свести к минимуму проблемы с навигацией.

Кристаллы магнетита с кубической формой встречаются редко, но были обнаружены в Балмате, округ Св. Лаврентия, Нью-Йорк , и в Лонгбане, Швеция . Эта привычка может быть результатом кристаллизации в присутствии таких катионов, как цинк.

Магнетит также может быть найден в окаменелостях из-за биоминерализации и упоминается как магнитофоссилиалы . Есть также экземпляры магнетита космического происхождения из метеоритов .

Биологические явления

Биомагнетизм обычно связан с присутствием биогенных кристаллов магнетита, которые широко встречаются в организмах. Эти организмы варьируются от магнитотактических бактерий (например, Magnetospirillum magnetotacticum ) до животных, включая людей, у которых кристаллы магнетита (и другие магниточувствительные соединения) обнаруживаются в разных органах, в зависимости от вида. Биомагнетиты объясняют влияние слабых магнитных полей на биологические системы. Существует также химическая основа чувствительности клеток к электрическим и магнитным полям ( гальванотаксис ).

Магнетитовые магнитосомы у гаммапротеобактерий

Частицы чистого магнетита биоминерализованы в магнитосомах , которые производятся несколькими видами магнитотактических бактерий . Магнитосомы состоят из длинных цепочек ориентированных частиц магнетита, которые используются бактериями для навигации. После гибели этих бактерий частицы магнетита в магнитосомах могут сохраняться в отложениях в виде магнитных ископаемых. Некоторые типы анаэробных бактерий , которые не являются магнитотактическими, также могут создавать магнетит в бескислородных отложениях, восстанавливая аморфный оксид железа до магнетита.

Несколько видов птиц , как известно, включают магнетитовых кристаллов в верхней части клюва для магниторецепции , который (в сочетании с Cryptochromes в сетчатке ) дает им способность чувствовать направление, полярность и величину окружающего магнитного поля .

Хитоны , разновидность моллюсков, имеют язычковую структуру, известную как радула , покрытые зубами, покрытыми магнетитом, или зубчиками . Твердость магнетита помогает расщеплять пищу.

Биологический магнетит может хранить информацию о магнитных полях, воздействию которых подвергся организм, потенциально позволяя ученым узнавать о миграции организма или об изменениях магнитного поля Земли с течением времени.

Человеческий мозг

Живые организмы могут производить магнетит. У людей магнетит можно найти в различных частях мозга, включая лобные, теменные, затылочные и височные доли, ствол мозга, мозжечок и базальные ганглии. Железо содержится в головном мозге в трех формах - магнетите, гемоглобине (кровь) и ферритине (белок), а области мозга, связанные с двигательной функцией, обычно содержат больше железа. Магнетит можно найти в гиппокампе. Гиппокамп связан с обработкой информации, в частности с обучением и памятью. Однако магнетит может иметь токсические эффекты из-за своей зарядовой или магнитной природы, а также из-за его участия в окислительном стрессе или производстве свободных радикалов. Исследования показывают, что бета-амилоидные бляшки и тау-белки, связанные с нейродегенеративными заболеваниями, часто возникают после окислительного стресса и накопления железа.

Некоторые исследователи также предполагают, что люди обладают магнитным чутьем, предполагая, что это может позволить некоторым людям использовать магниторецепцию для навигации. Роль магнетита в головном мозге все еще недостаточно изучена, и наблюдается общее отставание в применении более современных междисциплинарных методов к изучению биомагнетизма.

Сканирование образцов тканей человеческого мозга с помощью электронного микроскопа позволяет различать магнетит, производимый собственными клетками организма, и магнетит, поглощенный из атмосферных загрязнений, причем естественные формы являются зубчатыми и кристаллическими, в то время как загрязнение магнетитом происходит в виде округлых наночастиц . Магнетит в воздухе, потенциально опасный для здоровья человека, является результатом загрязнения (в частности, горения). Эти наночастицы могут перемещаться в мозг через обонятельный нерв, увеличивая концентрацию магнетита в головном мозге. В некоторых образцах мозга загрязнение наночастицами превышает количество естественных частиц на целых 100: 1, и такие частицы магнетита, переносимые загрязнением, могут быть связаны с аномальным повреждением нервной системы. В одном исследовании характерные наночастицы были обнаружены в головном мозге 37 человек: 29 из них в возрасте от 3 до 85 лет жили и умерли в Мехико, значительной точке загрязнения воздуха. Еще восемь человек в возрасте от 62 до 92 лет приехали из Манчестера, Англия, и некоторые из них умерли от нейродегенеративных заболеваний различной степени тяжести. Такие частицы предположительно могут способствовать развитию таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера . Хотя причинно-следственная связь не установлена, лабораторные исследования показывают, что оксиды железа, такие как магнетит, являются компонентом белковых бляшек в головном мозге, связанным с болезнью Альцгеймера.

Повышенный уровень железа, особенно магнитного железа, был обнаружен в частях мозга у пациентов с болезнью Альцгеймера. Мониторинг изменений концентрации железа может позволить обнаружить потерю нейронов и развитие нейродегенеративных заболеваний до появления симптомов из-за взаимосвязи между магнетитом и ферритином. В тканях магнетит и ферритин могут создавать небольшие магнитные поля, которые взаимодействуют с магнитно-резонансной томографией (МРТ), создавая контраст. Пациенты Хантингтона не показали повышенных уровней магнетита; однако высокие уровни были обнаружены у исследуемых мышей.

Приложения

Из-за высокого содержания железа магнетит долгое время был основной железной рудой . В доменных печах он восстанавливается до чугуна или губчатого чугуна для преобразования в сталь .

Магнитная запись

Аудиозапись с использованием магнитной ленты из ацетата была разработана в 1930-х годах. Немецкий магнитофон использовал в качестве носителя записи порошок магнетита. После Второй мировой войны компания продолжила работу над немецким дизайном. В 1946 году исследователи 3M обнаружили, что они могут улучшить ленту на основе магнетита, в которой использовались порошки кубических кристаллов, заменив магнетит игольчатыми частицами гамма-оксида железа (γ-Fe 2 O 3 ).

Катализ

Примерно 2–3% мирового бюджета энергии выделяется на процесс Хабера для фиксации азота, который основан на катализаторах на основе магнетита. Промышленный катализатор получают из тонко измельченного порошка железа, который обычно получают восстановлением магнетита высокой чистоты. Распыленное металлическое железо сжигается (окисляется) с получением магнетита или вюстита определенного размера. Затем частицы магнетита (или вюстита) частично восстанавливаются, удаляя при этом часть кислорода . Полученные частицы катализатора состоят из ядра из магнетита, заключенного в оболочку из вюстита, которая, в свою очередь, окружена внешней оболочкой из металлического железа. Катализатор сохраняет большую часть своего объемного объема во время восстановления, в результате чего получается высокопористый материал с большой площадью поверхности, что повышает его эффективность в качестве катализатора.

Наночастицы магнетита

Микро- и наночастицы магнетита используются в самых разных областях, от биомедицинских до экологических. Одно из применений - очистка воды: при высоком градиенте магнитной сепарации наночастицы магнетита, введенные в загрязненную воду, будут связываться с взвешенными частицами (например, твердыми частицами, бактериями или планктоном) и оседать на дно жидкости, позволяя загрязняющим веществам оседать. удаляются, а частицы магнетита подлежат переработке и повторному использованию. Этот метод также работает с радиоактивными и канцерогенными частицами, что делает его важным инструментом очистки в случае попадания тяжелых металлов в водные системы.

Еще одно применение магнитных наночастиц - создание феррожидкостей . Они используются по-разному, помимо того, что с ними весело играть. Феррожидкости могут использоваться для адресной доставки лекарств в организм человека. Намагничивание частиц, связанных с молекулами лекарства, позволяет «магнитному увлечению» раствора к желаемой области тела. Это позволило бы лечить только небольшую область тела, а не все тело в целом, и, помимо прочего, могло бы быть очень полезно при лечении рака. Феррожидкости также используются в технологии магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Угольная промышленность

Для отделения угля от отходов использовались ванны плотной среды. В этом методе использовалась разница в плотности угля (1,3–1,4 тонны на м³) и сланцев (2,2–2,4 тонны на м³). В среде с промежуточной плотностью (вода с магнетитом) камни затонули, а уголь всплыл.

Галерея образцов минералов магнетита

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки