Magnetyt - Magnetite

Magnetyt
Magnetyt-118736.jpg
Magnetyt z Boliwii
Ogólny
Kategoria
Formuła
(powtarzająca się jednostka)
tlenek żelaza(II,III), Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4
Klasyfikacja Strunza 4.BB.05
Kryształowy system Izometryczny
Klasa kryształu Sześciokąt (m 3 m)
Symbol HM : (4/m 3 2/m)
Grupa kosmiczna F d 3 m
Komórka elementarna a = 8,397 Å; Z = 8
Identyfikacja
Kolor Czarny, szary z brązowawym odcieniem w odbitym słońcu
Kryształowy zwyczaj Oktaedryczny , drobnoziarnisty do masywnego
Bliźniacze Na {Ill} jako płaszczyzna bliźniacza i złożona, prawo spinelowe, jako bliźnięta kontaktowe
Łupliwość Niewyraźne, rozstanie {chorego}, bardzo dobrze
Pęknięcie Nierówny
Wytrwałość Kruchy
Twardość skali Mohsa 5,5–6,5
Połysk Metaliczny
Pasemko Czarny
Przezroczystość Nieprzejrzysty
Środek ciężkości 5,17-5,18
Rozpuszczalność Powoli rozpuszcza się w kwasie solnym
Bibliografia
Główne odmiany
Magnetyt Magnetyczny z określonymi biegunami północnym i południowym
Komórka elementarna magnetytu. Szare kule to tlen, zielone to żelazo dwuwartościowe, niebieskie to żelazo trójwartościowe. Pokazano również atom żelaza w przestrzeni oktaedrycznej (jasnoniebieski) i inny w przestrzeni czworościennej (szary).

Magnetyt jest minerałem i jedną z głównych rud żelaza o wzorze chemicznym Fe 3 O 4 . Jest jednym z tlenków żelaza i jest ferrimagnetyczny ; jest przyciągany do magnesu i może zostać namagnesowany, aby sam stał się magnesem trwałym . Jest najbardziej magnetycznym ze wszystkich naturalnie występujących minerałów na Ziemi. Naturalnie namagnesowane kawałki magnetytu, zwane lodestonem , będą przyciągać małe kawałki żelaza, w ten sposób starożytni ludzie po raz pierwszy odkryli właściwość magnetyzmu .

Magnetyt jest czarny lub brązowo-czarny z metalicznym połyskiem, ma twardość w skali Mohsa 5–6 i pozostawia czarną smugę . Drobne ziarna magnetytu są bardzo powszechne w skałach magmowych i metamorficznych .

Chemiczna nazwa IUPAC to tlenek żelaza (II, III), a powszechna nazwa chemiczna to tlenek żelaza i żelaza .

Nieruchomości

Oprócz skał magmowych magnetyt występuje również w skałach osadowych , w tym w formacjach pasmowych oraz w osadach jeziornych i morskich, zarówno jako ziarna detrytyczne, jak i magnetoskamieniałości . Uważa się również, że nanocząstki magnetytu tworzą się w glebie, gdzie prawdopodobnie szybko utleniają się do maghemitu .

Struktura krystaliczna

Skład chemiczny magnetytu to Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Wskazuje to, że magnetyt zawiera zarówno żelazo żelazne ( dwuwartościowe ), jak i żelazowe ( trójwartościowe ), co sugeruje krystalizację w środowisku zawierającym pośrednie poziomy tlenu. Główne szczegóły jego budowy ustalono w 1915 roku. Była to jedna z pierwszych struktur krystalicznych otrzymanych za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej . Struktura jest odwrócona spinelem , z jonami O 2− tworzącymi sieć sześcienną skupioną na twarzy i kationami żelaza zajmującymi miejsca śródmiąższowe. Połowa kationów Fe 3+ zajmuje miejsca czworościenne, podczas gdy druga połowa, wraz z kationami Fe 2+ , zajmuje miejsca oktaedryczne. Komórka elementarna składa się z 32 jonów  O 2− , a długość komórki elementarnej wynosi a = 0,839 nm.

Jako członek odwróconej grupy spinelowej magnetyt może tworzyć stałe roztwory z minerałami o podobnej strukturze, w tym ulvospinelem ( Fe
2
TiO
4
) i magnezoferryt ( MgFe
2
O
4
).

Titanomagnetyt, znany również jako magnetyt tytanowy, jest stałym roztworem między magnetytem a ulvospinelem, który krystalizuje w wielu mafijnych skałach magmowych. Podczas chłodzenia tytanomagnetyt może ulegać oksyekssolution , co powoduje wrastanie magnetytu i ilmenitu.

Morfologia i wielkość kryształów

Magnetyt naturalny i syntetyczny występuje najczęściej jako kryształy oktaedryczne ograniczone płaszczyznami {111} oraz jako dwunastościan rombowy . Bliźniacze mają miejsce na płaszczyźnie {111}.

Synteza hydrotermalna zwykle wytwarza pojedyncze kryształy oktaedryczne, które mogą mieć średnicę nawet 10 mm (0,39 cala). W obecności mineralizatorów, takich jak 0,1  M HI lub 2  M NH 4 Cl i przy 0,207 MPa w temperaturze 416–800 °C, magnetyt rósł w postaci kryształów, których kształty były kombinacją form rombowo-dodechaedrowych. Kryształy były bardziej zaokrąglone niż zwykle. Pojawienie się form wyższych uznano za wynik spadku energii powierzchniowych spowodowanych niższym stosunkiem powierzchni do objętości kryształów zaokrąglonych.  

Reakcje

Magnetyt odegrał ważną rolę w zrozumieniu warunków, w jakich powstają skały. Magnetyt reaguje z tlenem, tworząc hematyt , a para minerałów tworzy bufor, który może kontrolować utlenianie swojego środowiska ( ulatnianie się tlenu ). Ten bufor jest znany jako bufor hematytowo-magnetytowy lub HM. Przy niższych poziomach tlenu magnetyt może tworzyć bufor z kwarcem i fajalitem znany jako bufor QFM. Przy jeszcze niższych poziomach tlenu magnetyt tworzy bufor z wüstytem znany jako bufor MW. Bufory QFM i MW były szeroko stosowane w eksperymentach laboratoryjnych dotyczących chemii skał. W szczególności bufor QFM wytwarza ulotność tlenu zbliżoną do większości skał magmowych.

Zwykle skały magmowe zawierają stałe roztwory tytanomagnetytu i hemoilmenitu lub tytanohematytu. Kompozycje par minerałów są wykorzystywane do obliczania lotności tlenu: w magmach występuje szereg warunków utleniania, a stopień utlenienia pomaga określić, w jaki sposób magmy mogą ewoluować przez krystalizację frakcyjną . Magnetyt jest również wytwarzany z perydotytów i dunitów przez serpentynizację .

Właściwości magnetyczne

Lodestones były używane jako wczesna forma kompasu magnetycznego . Magnetyt był kluczowym narzędziem w paleomagnetyzmie , nauce ważnej dla zrozumienia tektoniki płyt oraz jako danych historycznych dla magnetohydrodynamiki i innych dziedzin naukowych .

Zależności między magnetytem a innymi minerałami tlenku żelaza, takimi jak ilmenit , hematyt i ulvospinel, zostały dokładnie zbadane; te reakcje pomiędzy tymi minerałami i tlenu wpływów, jak i kiedy konfitur magnetytu rejestr ziemskiego pola magnetycznego .

W niskich temperaturach magnetyt przechodzi przemianę fazową struktury krystalicznej od struktury jednoskośnej do struktury sześciennej, znanej jako przejście Verweya . Badania optyczne pokazują, że to przejście z metalu do izolatora jest ostre i zachodzi w okolicach 120  K. Przejście Verweya zależy od wielkości ziarna, stanu domeny, ciśnienia i stechiometrii żelazo-tlen . Punkt izotropowy występuje również w pobliżu przejścia Verweya około 130  K, w którym to punkcie znak stałej anizotropii magnetokrystalicznej zmienia się z dodatniej na ujemną. Temperatura Curie magnetytu wynosi 580 ° C (853 K; 1,076 ° F).

Jeśli magnetyt jest w wystarczająco dużej ilości, można go znaleźć w badaniach aeromagnetycznych za pomocą magnetometru, który mierzy natężenia magnetyczne.

Dystrybucja depozytów

Magnetyt i inne minerały ciężkie (ciemne) w kwarcowym piasku plażowym ( Chennai , Indie ).

Magnetyt jest czasami znajdowany w dużych ilościach w piasku plażowym. Takie czarne piaski ( piaski mineralne lub piaski żelazne ) można znaleźć w różnych miejscach, takich jak Lung Kwu Tan z Hongkongu ; Kalifornia , Stany Zjednoczone ; oraz zachodnie wybrzeże Wyspy Północnej Nowej Zelandii . Magnetyt, zerodowany ze skał, jest przenoszony na plażę przez rzeki i skoncentrowany przez działanie fal i prądów. Ogromne osady zostały znalezione w pasmowych formacjach żelaza. Te skały osadowe zostały wykorzystane do wnioskowania o zmianach zawartości tlenu w atmosferze Ziemi.

Duże złoża magnetytu znajdują się również w regionie Atacama w Chile ( Chilijski Pas Żelazny ); Valentines region Urugwaju ; Kiruna , Szwecja ; Tallawang Region of New South Wales ; oraz w regionie Adirondack w Nowym Jorku w Stanach Zjednoczonych . Kediet ej Jill , najwyższa góra Mauretanii , wykonana jest w całości z minerału. Złoża znajdują się również w Norwegii , Rumunii i na Ukrainie . W południowym Peru występują bogate w magnetyty wydmy. W 2005 roku firma badawcza Cardero Resources odkryła w Peru ogromne złoże wydm piaskowych zawierających magnetyt . Pole wydm obejmuje 250 kilometrów kwadratowych (100 mil kwadratowych), z najwyższą wydmą na wysokości ponad 2000 metrów (6560 stóp) nad dnem pustyni. Piasek zawiera 10% magnetytu.

W wystarczająco dużych ilościach magnetyt może wpływać na nawigację kompasu . Na Tasmanii jest wiele obszarów z silnie namagnesowanymi skałami, które mogą mieć ogromny wpływ na kompasy. Dodatkowe kroki i wielokrotne obserwacje są wymagane podczas korzystania z kompasu na Tasmanii, aby zminimalizować problemy z nawigacją.

Kryształy magnetytu o sześciennym pokroju są rzadkie, ale znaleziono je w Balmat w hrabstwie St. Lawrence w stanie Nowy Jork oraz w Långban w Szwecji . Ten zwyczaj może być wynikiem krystalizacji w obecności kationów, takich jak cynk.

Magnetyt można również znaleźć w skamieniałościach w wyniku biomineralizacji i określa się je mianem magnetoskamieniałości . Istnieją również przypadki magnetytu pochodzącego z kosmosu, pochodzącego z meteorytów .

Zdarzenia biologiczne

Biomagnetyzm jest zwykle związany z obecnością biogenicznych kryształów magnetytu, które powszechnie występują w organizmach. Organizmy te obejmują bakterie magnetotaktyczne (np. Magnetospirillum magnetotacticum ) do zwierząt, w tym ludzi, u których kryształy magnetytu (i inne związki wrażliwe magnetycznie) znajdują się w różnych narządach, w zależności od gatunku. Biomagnetyty odpowiadają za wpływ słabych pól magnetycznych na systemy biologiczne. Istnieje również chemiczna podstawa wrażliwości komórek na pola elektryczne i magnetyczne ( galwanotaksja ).

Magnetosomy magnetytowe w Gammaproteobacteria

Cząstki czystego magnetytu są biomineralizowane w magnetosomach , które są produkowane przez kilka gatunków bakterii magnetotaktycznych . Magnetosomy składają się z długich łańcuchów zorientowanych cząstek magnetytu, które są wykorzystywane przez bakterie do nawigacji. Po śmierci tych bakterii cząstki magnetytu w magnetosomach mogą być zachowane w osadach jako magnetoskamieniałości. Niektóre rodzaje bakterii beztlenowych , które nie są magnetotaktyczne, mogą również tworzyć magnetyt w osadach beztlenowych poprzez redukcję amorficznego tlenku żelaza do magnetytu.

Wiadomo, że kilka gatunków ptaków zawiera kryształy magnetytu w górnym dziobie w celu magnetorecepcji , co (w połączeniu z kryptochromami w siatkówce ) daje im zdolność wyczuwania kierunku, polaryzacji i wielkości otaczającego pola magnetycznego .

Chitons , rodzaju mięczak, mają języczka struktury znanej jako radula , pokryte powłoką magnetytu zębów lub ząbków . Twardość magnetytu pomaga w rozkładaniu żywności.

Magnetyt biologiczny może przechowywać informacje o polach magnetycznych, na które narażony był organizm, potencjalnie umożliwiając naukowcom poznanie migracji organizmu lub zmian pola magnetycznego Ziemi w czasie.

Ludzki mózg

Żywe organizmy mogą wytwarzać magnetyt. U ludzi magnetyt można znaleźć w różnych częściach mózgu, w tym w płatach czołowym, ciemieniowym, potylicznym i skroniowym, pniu mózgu, móżdżku i zwojach podstawy mózgu. Żelazo można znaleźć w mózgu w trzech postaciach – magnetytu, hemoglobina (krew) i ferrytyna (białko), a obszary mózgu związane z funkcjami motorycznymi zazwyczaj zawierają więcej żelaza. Magnetyt można znaleźć w hipokampie. Hipokamp jest związany z przetwarzaniem informacji, w szczególności z uczeniem się i pamięcią. Jednak magnetyt może mieć działanie toksyczne ze względu na swój ładunek lub charakter magnetyczny oraz udział w stresie oksydacyjnym lub wytwarzaniu wolnych rodników. Badania sugerują, że blaszki beta-amyloidowe i białka tau związane z chorobą neurodegeneracyjną często występują po stresie oksydacyjnym i nagromadzeniu żelaza.

Niektórzy badacze sugerują również, że ludzie posiadają zmysł magnetyczny, sugerując, że może to pozwolić niektórym ludziom na wykorzystanie magnetorecepcji do nawigacji. Rola magnetytu w mózgu wciąż nie jest dobrze poznana, a zastosowanie bardziej nowoczesnych, interdyscyplinarnych technik do badania biomagnetyzmu z opóźnieniem.

Skany z mikroskopu elektronowego próbek tkanki ludzkiego mózgu są w stanie odróżnić magnetyt wytwarzany przez własne komórki organizmu od magnetytu absorbowanego z zanieczyszczeń powietrza, przy czym naturalne formy są postrzępione i krystaliczne, podczas gdy zanieczyszczenie magnetytem występuje w postaci zaokrąglonych nanocząstek . Potencjalnie zagrażający zdrowiu ludzi, magnetyt unoszący się w powietrzu jest wynikiem zanieczyszczenia (w szczególności spalania). Te nanocząsteczki mogą przemieszczać się do mózgu przez nerw węchowy, zwiększając stężenie magnetytu w mózgu. W niektórych próbkach mózgu zanieczyszczenie nanocząstkami przewyższa liczebnie cząstki naturalne nawet o 100:1, a takie przenoszone przez zanieczyszczenia cząstki magnetytu mogą być powiązane z nieprawidłowym pogorszeniem stanu neuronów. W jednym z badań charakterystyczne nanocząsteczki znaleziono w mózgach 37 osób: 29 z nich, w wieku od 3 do 85 lat, żyło i zmarło w Mexico City, ważnym punkcie zanieczyszczenia powietrza. Kolejnych ośmiu, w wieku od 62 do 92 lat, pochodziło z Manchesteru w Anglii, a niektórzy zmarli z różnymi chorobami neurodegeneracyjnymi. Takie cząstki mogłyby potencjalnie przyczynić się do chorób takich jak choroba Alzheimera . Chociaż związek przyczynowy nie został ustalony, badania laboratoryjne sugerują, że tlenki żelaza, takie jak magnetyt, są składnikiem płytek białkowych w mózgu, związanych z chorobą Alzheimera.

Podwyższony poziom żelaza, w szczególności żelaza magnetycznego, stwierdzono w częściach mózgu pacjentów z chorobą Alzheimera. Monitorowanie zmian stężenia żelaza może umożliwić wykrycie utraty neuronów i rozwoju chorób neurodegeneracyjnych przed wystąpieniem objawów ze względu na związek magnetytu z ferrytyną. W tkance magnetyt i ferrytyna mogą wytwarzać małe pola magnetyczne, które będą oddziaływać z obrazowaniem metodą rezonansu magnetycznego (MRI), tworząc kontrast. Pacjenci z Huntingtonem nie wykazywali podwyższonego poziomu magnetytu; jednak wysokie poziomy stwierdzono u badanych myszy.

Aplikacje

Ze względu na wysoką zawartość żelaza, magnetyt od dawna jest główną rudą żelaza . Jest redukowany w wielkich piecach do surówki lub gąbczastego żelaza w celu przekształcenia w stal .

Nagrywanie magnetyczne

Nagrywanie dźwięku za pomocą magnetycznej taśmy octanowej zostało opracowane w latach 30. XX wieku. Niemiecki magnetofon jako nośnik zapisu wykorzystywał proszek magnetytowy. Po II wojnie światowej firma 3M kontynuowała prace nad niemieckim projektem. W 1946 roku naukowcy z 3M odkryli, że mogą ulepszyć taśmę na bazie magnetytu, która wykorzystuje proszki kryształów sześciennych, zastępując magnetyt cząsteczkami tlenku żelaza gamma (γ-Fe 2 O 3 ) w kształcie igieł .

Kataliza

Około 2-3% światowego budżetu energetycznego przeznacza się na proces Habera dotyczący wiązania azotu, który opiera się na katalizatorach pochodzących z magnetytu. Katalizator przemysłowy otrzymuje się z drobno zmielonego proszku żelaza, który zwykle otrzymuje się przez redukcję magnetytu o wysokiej czystości. Sproszkowane żelazo jest spalane (utleniane) w celu uzyskania magnetytu lub wüstytu o określonej wielkości cząstek. Cząstki magnetytu (lub wüstitu) są następnie częściowo redukowane, usuwając w tym procesie część tlenu . Powstałe cząstki katalizatora składają się z rdzenia z magnetytu, otoczonego powłoką z wüstytu, która z kolei jest otoczona zewnętrzną powłoką z metalu żelaznego. Katalizator zachowuje większość swojej objętości nasypowej podczas redukcji, w wyniku czego powstaje wysoce porowaty materiał o dużej powierzchni, co zwiększa jego skuteczność jako katalizatora.

Nanocząstki magnetytu

Mikro- i nanocząstki magnetytu są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, od biomedycznych po środowiskowe. Jednym z zastosowań jest oczyszczanie wody: w separacji magnetycznej o wysokim gradiencie nanocząstki magnetytu wprowadzone do zanieczyszczonej wody wiążą się z zawieszonymi cząstkami (na przykład ciałami stałymi, bakteriami lub planktonem) i osadzają się na dnie płynu, umożliwiając usunięte, a cząstki magnetytu przeznaczone do recyklingu i ponownego wykorzystania. Ta metoda działa również z cząstkami radioaktywnymi i rakotwórczymi, co czyni ją ważnym narzędziem oczyszczania w przypadku metali ciężkich wprowadzanych do systemów wodnych.

Innym zastosowaniem nanocząstek magnetycznych jest tworzenie ferrofluidów . Są one używane na kilka sposobów, oprócz tego, że są zabawne. Ferrofluidy mogą być stosowane do celowanego dostarczania leków do organizmu człowieka. Namagnesowanie cząsteczek związanych z cząsteczkami leku umożliwia „magnetyczne przeciąganie” roztworu do pożądanego obszaru ciała. Umożliwiłoby to leczenie tylko niewielkiego obszaru ciała, a nie całego ciała i mogłoby być bardzo przydatne między innymi w leczeniu raka. Ferrofluidy są również wykorzystywane w technologii rezonansu magnetycznego (MRI).

Przemysł wydobywczy węgla

Do separacji węgla od odpadów wykorzystano kąpiele gęste. Ta technika wykorzystywała różnicę gęstości między węglem (1,3-1,4 tony na m³) a łupkami (2,2-2,4 tony na m³). W medium o średniej gęstości (woda z magnetytem) tonęły kamienie, a węgiel pływał.

Galeria okazów minerałów magnetytu

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki