Magnetit - Magnetite

Magnetit
Magnetit-118736.jpg
Magnetit fra Bolivia
Generel
Kategori
Formel
(gentagende enhed) 		jern (II, III) oxid, Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4
Strunz -klassificering 4.BB.05
Krystal system Isometrisk
Krystal klasse Hexoctahedral (m 3 m)
HM -symbol : (4/m 3 2/m)
Rumgruppe F d 3 m
Enhedscelle a = 8,397 Å; Z = 8
Identifikation
Farve Sort, grå med brunlig farvetone i reflekteret sol
Krystal vane Octahedral , fint granuleret til massivt
Venskab På {Ill} som både tvilling- og kompositionsplan, spinelloven, som kontakt tvillinger
Spaltning Utydeligt, afsked med {Ill}, meget godt
Knoglebrud Ujævn
Vedholdenhed Skør
Mohs skala hårdhed 5,5–6,5
Glans Metallisk
Streak Sort
Diaphaneity Uigennemsigtig
Specifik tyngdekraft 5.17–5.18
Opløselighed Opløses langsomt i saltsyre
Referencer
Store sorter
Lodestone Magnetisk med bestemte nord- og sydpoler
Enhedscelle af magnetit. De grå kugler er ilt, grønne er toværdigt jern, blå er treværdigt jern. Også vist er et jernatom i et oktaedrisk rum (lyseblåt) og et andet i et tetraedrisk rum (gråt).

Magnetit er et mineral og en af ​​de vigtigste jernmalme med den kemiske formel Fe 3 O 4 . Det er et af jernoxiderne og er ferrimagnetisk ; den tiltrækkes af en magnet og kan magnetiseres til selv at blive en permanent magnet . Det er det mest magnetiske af alle de naturligt forekommende mineraler på Jorden. Naturligt magnetiserede stykker magnetit, kaldet lodestone , vil tiltrække små stykker jern, hvilket er hvordan gamle mennesker først opdagede magnetismens ejendom .

Magnetit er sort eller brun-sort med en metallisk glans, har en Mohs-hårdhed på 5-6 og efterlader en sort stribe . Små korn af magnetit er meget almindelige i vulkanske og metamorfe klipper .

Det kemiske IUPAC- navn er jern (II, III) oxid, og det almindelige kemiske navn er jern-jernoxid .

Ejendomme

Ud over magmatiske sten forekommer magnetit også i sedimentære bjergarter , herunder båndede jernformationer og i sø- og marine sedimenter som både detritale korn og som magnetofossiler . Magnetit nanopartikler menes også at dannes i jordbund, hvor de sandsynligvis oxiderer hurtigt til maghemit .

Krystalstruktur

Den kemiske sammensætning af magnetit er Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Dette indikerer, at magnetit indeholder både jern ( toværdigt ) og jern ( trivalent ) jern, hvilket tyder på krystallisering i et miljø, der indeholder mellemliggende niveauer af ilt. Hoveddetaljerne for dets struktur blev etableret i 1915. Det var en af ​​de første krystalstrukturer, der blev opnået ved hjælp af røntgendiffraktion . Strukturen er omvendt spinel , hvor O 2- ioner danner et ansigtscentreret kubisk gitter og jernkationer, der indtager interstitielle steder. Halvdelen af ​​Fe 3+ -kationerne indtager tetraedriske steder, mens den anden halvdel sammen med Fe 2+ -kationer indtager oktaedriske steder. Enhedscellen består af 32  O 2− ioner, og enhedscellelængden er a = 0,839 nm.

Som medlem af den inverse spinelgruppe kan magnetit danne solide opløsninger med lignende strukturerede mineraler, herunder ulvospinel ( Fe
2TiO
4) og magnesioferrit ( MgFe
2O
4).

Titanomagnetit, også kendt som titaniferøs magnetit, er en solid løsning mellem magnetit og ulvospinel, der krystalliserer i mange mafiske magmatiske klipper. Titanomagnetit kan underkastes oxyopløsning under afkøling, hvilket resulterer i indvækst af magnetit og ilmenit.

Krystal morfologi og størrelse

Naturlig og syntetisk magnetit forekommer oftest som oktaedriske krystaller afgrænset af {111} fly og som rhombisk-dodecahedra . Twinning finder sted på {111} flyet.

Hydrotermisk syntese producerer normalt enkelte oktaedriske krystaller, der kan være så store som 10 mm (0,39 in) på tværs. I nærværelse af mineralisatorer såsom 0,1  M HI eller 2  M NH 4 Cl og ved 0,207 MPa ved 416-800 ° C, magnetit voksede som krystaller, hvis former var en kombination af rombiske-dodechahedra former. Krystallerne var mere afrundede end normalt. Udseendet af højere former blev betragtet som et resultat af et fald i overfladeenergier forårsaget af forholdet mellem lavere overflade og volumen i de afrundede krystaller.  

Reaktioner

Magnetit har været vigtig for at forstå de betingelser, hvorunder sten dannes. Magnetit reagerer med oxygen til frembringelse hæmatit , og mineralet par danner en buffer , der kan styre, hvordan oxiderende dens omgivelser er (den ilt fugacitet ). Denne buffer er kendt som hæmatit-magnetit eller HM-buffer. Ved lavere iltniveauer kan magnetit danne en buffer med kvarts og fayalit kendt som QFM -bufferen. Ved stadig lavere iltniveauer danner magnetit en buffer med wüstite kendt som MW -bufferen . QFM- og MW -bufferne er blevet brugt i vid udstrækning i laboratorieforsøg på bergkemi. Især QFM -bufferen producerer en iltfugacitet tæt på den for de fleste vulkanske sten.

Almindeligvis indeholder vulkanske sten faste opløsninger af både titanomagnetit og hemoilmenit eller titanohematit. Sammensætninger af mineralparene bruges til at beregne iltfugtighed: en række oxiderende tilstande findes i magmer, og oxidationstilstanden hjælper med at bestemme, hvordan magmerne kan udvikle sig ved fraktioneret krystallisering . Magnetit fremstilles også af peridotitter og dunitter ved serpentinisering .

Magnetiske egenskaber

Lodsten blev brugt som en tidlig form for magnetisk kompas . Magnetit har været et kritisk værktøj inden for paleomagnetisme , en videnskab vigtig for at forstå pladetektonik og som historiske data for magnetohydrodynamik og andre videnskabelige områder .

Forholdet mellem magnetit og andre jernoxidmineraler, såsom ilmenit , hæmatit og ulvospinel, er blevet meget undersøgt; de reaktioner mellem disse mineraler og ilt indflydelse hvordan og hvornår magnetit konserves en rekord af Jordens magnetfelt .

Ved lave temperaturer undergår magnetit en krystalstruktur faseovergang fra en monoklinisk struktur til en kubisk struktur kendt som Verwey -overgangen . Optiske undersøgelser viser, at denne metal til isolatorovergang er skarp og forekommer omkring 120  K. Verwey-overgangen er afhængig af kornstørrelse, domænetilstand, tryk og jern-oxygen- støkiometri . Et isotropisk punkt forekommer også nær Verwey -overgangen omkring 130  K, på hvilket tidspunkt tegnet på den magnetokrystallinske anisotropi konstant ændres fra positivt til negativt. Den Curie-temperaturen af magnetit er 580 ° C (853 K; 1.076 ° F).

Hvis magnetitten er i en tilstrækkelig stor mængde, kan den findes i aeromagnetiske undersøgelser ved hjælp af et magnetometer, der måler magnetiske intensiteter.

Fordeling af indskud

Magnetit og andre tunge mineraler (mørke) i et kvarts strand sand ( Chennai , Indien ).

Magnetit findes undertiden i store mængder i strandsand. Sådanne sorte sand (mineralsand eller jernsand ) findes forskellige steder, såsom Lung Kwu Tan i Hong Kong ; Californien , USA ; og vestkysten af ​​North Island i New Zealand . Magnetitten, der eroderet fra klipper, føres til stranden af ​​floder og koncentreres af bølgeaktion og strømme. Der er fundet enorme aflejringer i båndede jernformationer. Disse sedimentære sten er blevet brugt til at udlede ændringer i iltindholdet i Jordens atmosfære.

Store forekomster af magnetit findes også i Atacama -regionen i Chile ( chilensk jernbælte ); den Valentines regionen Uruguay ; Kiruna , Sverige ; Den Tallawang Region of New South Wales ; og i Adirondack -regionen i New York i USA . Kediet ej Jill , det højeste bjerg i Mauretanien , er udelukkende lavet af mineralet. Indskud findes også i Norge , Rumænien og Ukraine . Magnetitrige klitter findes i det sydlige Peru. I 2005 opdagede et efterforskningsfirma, Cardero Resources, et stort depot af magnetitbærende klitter i Peru . Klitfeltet dækker 250 kvadratkilometer, med den højeste klit over 2.000 meter over ørkenbunden. Sandet indeholder 10% magnetit.

I store nok mængder kan magnetit påvirke kompas navigation . I Tasmanien er der mange områder med stærkt magnetiserede klipper, der i høj grad kan påvirke kompasser. Ekstra trin og gentagne observationer er påkrævet, når du bruger et kompas i Tasmanien for at holde navigationsproblemer på et minimum.

Magnetitkrystaller med en kubisk vane er sjældne, men er fundet i Balmat, St. Lawrence County, New York og i Långban, Sverige . Denne vane kan være et resultat af krystallisering i nærvær af kationer såsom zink.

Magnetit kan også findes i fossiler på grund af biomineralisering og omtales som magnetofossiler . Der er også tilfælde af magnetit med oprindelse i rummet fra meteoritter .

Biologiske forekomster

Biomagnetisme er normalt relateret til tilstedeværelsen af ​​biogene krystaller af magnetit, som forekommer meget i organismer. Disse organismer spænder fra magnetotaktiske bakterier (f.eks. Magnetospirillum magnetotacticum ) til dyr, herunder mennesker, hvor magnetitkrystaller (og andre magnetisk følsomme forbindelser) findes i forskellige organer, afhængigt af arten. Biomagnetitter tegner sig for virkningerne af svage magnetfelter på biologiske systemer. Der er også et kemisk grundlag for cellulær følsomhed over for elektriske og magnetiske felter ( galvanotaxis ).

Magnetitmagnetosomer i Gammaproteobakterier

Rene magnetitpartikler biomineraliseres i magnetosomer , som produceres af flere arter af magnetotaktiske bakterier . Magnetosomer består af lange kæder af orienteret magnetitpartikel, der bruges af bakterier til navigation. Efter disse bakteriers død kan magnetitpartiklerne i magnetosomer bevares i sedimenter som magnetofossiler. Nogle typer anaerobe bakterier , der ikke er magnetotaktiske, kan også skabe magnetit i iltfrie sedimenter ved at reducere amorft feroxid til magnetit.

Flere fuglearter vides at inkorporere magnetitkrystaller i det øvre næb til magnetoreception , hvilket (i forbindelse med kryptokromer på nethinden ) giver dem mulighed for at fornemme retningen, polariteten og størrelsen af ​​det omgivende magnetfelt .

Chitons , en slags bløddyr, har en tungelignende struktur kendt som en radula , dækket med magnetitbelagte tænder eller dentikler . Magnetitens hårdhed hjælper med at nedbryde mad.

Biologisk magnetit kan lagre oplysninger om de magnetiske felter, organismen blev udsat for, hvilket muligvis giver forskere mulighed for at lære om organismenes migration eller om ændringer i Jordens magnetfelt over tid.

Menneskelig hjerne

Levende organismer kan producere magnetit. Hos mennesker kan magnetit findes i forskellige dele af hjernen, herunder frontal-, parietal-, occipital- og temporallapperne, hjernestammen, lillehjernen og basale ganglier. Jern findes i tre former i hjernen - magnetit, hæmoglobin (blod) og ferritin (protein), og områder i hjernen, der er relateret til motorisk funktion, indeholder generelt mere jern. Magnetit findes i hippocampus. Hippocampus er forbundet med informationsbehandling, specifikt læring og hukommelse. Magnetit kan imidlertid have toksiske virkninger på grund af dets ladning eller magnetiske natur og dets involvering i oxidativt stress eller produktion af frie radikaler. Forskning tyder på, at beta-amyloidplader og tau-proteiner forbundet med neurodegenerativ sygdom ofte forekommer efter oxidativ stress og opbygning af jern.

Nogle forskere foreslår også, at mennesker besidder en magnetisk sans og foreslår, at dette kan tillade visse mennesker at bruge magnetoreception til navigation. Magnetitens rolle i hjernen er stadig ikke godt forstået, og der har været en generel forsinkelse i anvendelsen af ​​mere moderne, tværfaglige teknikker til undersøgelsen af ​​biomagnetisme.

Elektronmikroskop- scanninger af humane hjernevævsprøver er i stand til at skelne mellem magnetit produceret af kroppens egne celler og magnetit absorberet fra luftforurening, de naturlige former er hakkede og krystallinske, mens magnetitforurening opstår som afrundede nanopartikler . Potentielt en sundhedsfare for mennesker, luftbåret magnetit er et resultat af forurening (specifikt forbrænding). Disse nanopartikler kan rejse til hjernen via olfaktorisk nerve, hvilket øger koncentrationen af ​​magnetit i hjernen. I nogle hjerneprøver er forureningen af ​​nanopartikler større end de naturlige partikler med så meget som 100: 1, og sådanne forureningsbårne magnetitpartikler kan være forbundet med unormal neural forringelse. I en undersøgelse blev de karakteristiske nanopartikler fundet i hjernen på 37 mennesker: 29 af dem i alderen 3 til 85 år havde levet og døde i Mexico City, et betydeligt hotspot for luftforurening. Yderligere otte, i alderen 62 til 92 år, kom fra Manchester, England, og nogle var døde med forskellige sværhedsgrader af neurodegenerative sygdomme. Sådanne partikler kan tænkes at bidrage til sygdomme som Alzheimers sygdom . Selvom der ikke er etableret en årsagssammenhæng, tyder laboratorieundersøgelser på, at jernoxider som magnetit er en bestanddel af proteinplakker i hjernen, forbundet med Alzheimers sygdom.

Forhøjede jernniveauer, specifikt magnetisk jern, er fundet i dele af hjernen hos Alzheimers patienter. Overvågning af ændringer i jernkoncentrationer kan gøre det muligt at opdage tab af neuroner og udviklingen af ​​neurodegenerative sygdomme forud for symptomdebut på grund af forholdet mellem magnetit og ferritin. I væv kan magnetit og ferritin producere små magnetfelter, som vil interagere med magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og skabe kontrast. Huntington -patienter har ikke vist øgede magnetitniveauer; der er imidlertid fundet høje niveauer i studiemus.

Ansøgninger

På grund af dets høje jernindhold har magnetit længe været en stor jernmalm . Det reduceres i højovne til råjern eller svampejern til omdannelse til stål .

Magnetisk optagelse

Lydoptagelse ved hjælp af magnetisk acetatbånd blev udviklet i 1930'erne. Det tyske magnetofon anvendte magnetitpulver som optagemedium. Efter Anden Verdenskrig , 3M Company fortsatte arbejde på det tyske design. I 1946 fandt 3M-forskerne, at de kunne forbedre det magnetitbaserede bånd, der brugte pulvere af kubiske krystaller, ved at erstatte magnetitten med nålformede partikler af gamma-jernoxid (γ-Fe 2 O 3 ).

Katalyse

Cirka 2-3% af verdens energibudget er afsat til Haber-processen til nitrogenfiksering, som er afhængig af magnetit-afledte katalysatorer. Den industrielle katalysator fremstilles af fintmalet jernpulver, som normalt opnås ved reduktion af magnetit med høj renhed. Pulveriseret jernmetal brændes (oxideres) for at give magnetit eller wüstit med en defineret partikelstørrelse. Magnetit (eller wüstite) partiklerne reduceres derefter delvist og fjerner noget af iltet i processen. De resulterende katalysatorpartikler består af en kerne af magnetit, indkapslet i en skal af wüstit, som igen er omgivet af en ydre skal af jernmetal. Katalysatoren bevarer størstedelen af ​​sin bulkvolumen under reduktionen, hvilket resulterer i et meget porøst materiale med højt overfladeareal, hvilket øger dets effektivitet som katalysator.

Magnetit nanopartikler

Magnetitmikro- og nanopartikler bruges i en række forskellige applikationer, fra biomedicinsk til miljø. Én anvendelse er til vandrensning: ved høj gradient magnetisk adskillelse vil magnetit -nanopartikler, der indføres i forurenet vand, binde til de suspenderede partikler (f.eks. Faste stoffer, bakterier eller plankton) og bosætte sig i bunden af ​​væsken, så forurenende stoffer kan blive fjernes, og magnetitpartiklerne skal genbruges og genbruges. Denne metode fungerer også med radioaktive og kræftfremkaldende partikler, hvilket gør den til et vigtigt oprydningsværktøj i tilfælde af tungmetaller, der indføres i vandsystemer.

En anden anvendelse af magnetiske nanopartikler er i dannelsen af ferrofluider . Disse bruges på flere måder, udover at de er sjove at lege med. Ferrofluids kan bruges til målrettet lægemiddeltilførsel i menneskekroppen. Magnetiseringen af ​​partiklerne bundet til lægemiddelmolekyler tillader "magnetisk trækning" af opløsningen til det ønskede område af kroppen. Dette ville tillade behandling af kun et lille område af kroppen, frem for kroppen som helhed, og kunne være meget nyttig i blandt andet kræftbehandling. Ferrofluider bruges også i teknologi til magnetisk resonansbilleddannelse (MRI).

Kulminedrift

Til adskillelse af kul fra affald blev der brugt tætte mellemstore bade. Denne teknik anvendte forskellen i densiteter mellem kul (1,3–1,4 ton pr. M³) og skifer (2,2–2,4 ton pr. M³). I et medium med mellemliggende densitet (vand med magnetit), sten sank og kul flød.

Galleri med magnetitmineralprøver

  • Oktaedrisk krystaller af magnetit op til 1,8 cm på tværs, på cremefarvet feldspat krystaller, lokalitet: Cerro Huañaquino, Potosi Department , Bolivia

  • Magnetitkrystaller med epitaksiale forhøjninger på deres ansigter

  • Magnetit i kontrasterende chalcopyritmatrix

  • Magnetit med en sjælden kubisk vane fra St. Lawrence County, New York

Se også

Referencer

Yderligere læsning

eksterne links