Magnetit -
Magnetite

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Magnetit
Magnetit-118736.jpg
Magnetit aus Bolivien
Allgemein
Kategorie
(Wiederholungseinheit)
Eisen(II,III)-oxid, Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4
Strunz-Klassifikation 4.BB.05
Kristallsystem Isometrisch
Kristallklasse Hexoktaeder (m
3
m)
HM-Symbol : (4/m
3
2/m)
Raumgruppe F d
3
m
Einheitszelle a = 8,397 ; Z = 8
Identifikation
Farbe Schwarz, grau mit bräunlicher Tönung bei reflektierter Sonne
Kristallgewohnheit Oktaeder , feinkörnig bis massiv
Partnerschaften Auf {Ill} sowohl als Zwillings- als auch als Kompositionsebene das Spinellgesetz als Kontaktzwillinge
Dekollete Undeutlich, Abschied von {Ill}, sehr gut
Fraktur Ungleichmäßig
Beharrlichkeit Spröde
5,5–6,5
Lüster Metallisch
Strähne Schwarz
Durchsichtigkeit Undurchsichtig
Spezifisches Gewicht 5,17–5,18
Löslichkeit Löst sich langsam in Salzsäure auf
Verweise
Hauptsorten
Magnetit Magnetisch mit eindeutigen Nord- und Südpolen
Elementarzelle von Magnetit. Die grauen Kugeln sind Sauerstoff, Grün ist zweiwertiges Eisen, Blau ist dreiwertiges Eisen. Ebenfalls dargestellt sind ein Eisenatom in einem oktaedrischen Raum (hellblau) und ein weiteres in einem tetraedrischen Raum (grau).

Magnetit ist ein Mineral und eines der wichtigsten Eisenerze mit der chemischen Formel Fe 3 O 4 . Es ist eines der Oxide des Eisens , und ist ferrimagnetisch ; es wird von einem Magneten angezogen und kann magnetisiert werden , um selbst ein Permanentmagnet zu werden . Es ist das magnetischste aller natürlich vorkommenden Mineralien auf der Erde. Natürlich magnetisierte Magnetitstücke, sogenannte Magnetitensteine , ziehen kleine Eisenstücke an, wodurch die alten Völker erstmals die Eigenschaft des Magnetismus entdeckten .

Magnetit ist schwarz oder bräunlich-schwarz mit metallischem Glanz, hat eine Mohs-Härte von 5–6 und hinterlässt einen schwarzen Streifen . Kleine Magnetitkörner sind in magmatischen und metamorphen Gesteinen sehr verbreitet .

Die chemische IUPAC- Bezeichnung ist Eisen(II,III)-Oxid und die gebräuchliche chemische Bezeichnung ist Eisen-Eisen-Oxid .

Eigenschaften

Neben magmatischen Gesteinen kommt Magnetit auch in Sedimentgesteinen , einschließlich gebänderter Eisenformationen, und in See- und Meeressedimenten sowohl als Detritkörner als auch als Magnetofossilien vor . Es wird angenommen, dass sich Magnetit-Nanopartikel auch in Böden bilden, wo sie wahrscheinlich schnell zu Maghemit oxidieren .

Kristallstruktur

Die chemische Zusammensetzung von Magnetit ist Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Dies zeigt , daß Magnetit enthält sowohl Eisen ( zweiwertige ) und Eisen ( dreiwertig ) , Eisen, was darauf hindeutet , Kristallisation in einer Umgebung , enthaltenden Zwischenniveaus von Sauerstoff. Die wichtigsten Details seiner Struktur wurden 1915 festgestellt. Es war eine der ersten Kristallstrukturen, die mit Röntgenbeugung erhalten wurden . Die Struktur ist ein inverser Spinell , wobei O 2− -Ionen ein kubisch flächenzentriertes Gitter bilden und Eisenkationen Zwischengitterplätze besetzen. Die Hälfte der Fe 3+ -Kationen besetzt tetraedrische Plätze, während die andere Hälfte zusammen mit Fe 2+ -Kationen oktaedrische Plätze besetzt. Die Elementarzelle besteht aus 32

 
O 2− -Ionen und die Elementarzellenlänge beträgt a = 0,839 nm.

).

Titanomagnetit, auch bekannt als titanhaltiger Magnetit, ist eine feste Lösung zwischen Magnetit und Ulvospinel, die in vielen mafischen magmatischen Gesteinen kristallisiert . Titanomagnetit kann während des Abkühlens einer Oxyexlösung unterliegen , was zum Einwachsen von Magnetit und Ilmenit führt.

Kristallmorphologie und -größe

Natürlicher und synthetischer Magnetit kommt am häufigsten als oktaedrische Kristalle vor, die von {111}-Ebenen begrenzt werden, und als rhombische Dodekaeder . Zwillinge treten auf der {111}-Ebene auf.

bei 416–800 °C wuchs Magnetit in Form von Kristallen, deren Formen eine Kombination aus rhombisch-dodechaedrischen Formen waren. Die Kristalle waren runder als üblich. Das Auftreten höherer Formen wurde als Ergebnis einer Abnahme der Oberflächenenergien betrachtet, die durch das niedrigere Verhältnis von Oberfläche zu Volumen in den abgerundeten Kristallen verursacht wurde.

Reaktionen

Magnetit war wichtig für das Verständnis der Bedingungen, unter denen sich Gesteine ​​bilden. Magnetit reagiert mit Sauerstoff zu erzeugen , Hämatit und das Mineralpaar bildet einen Puffer , der steuern kann , wie seine Umgebung Oxidieren (der Sauerstoff Fugazität ). Dieser Puffer ist als Hämatit-Magnetit- oder HM-Puffer bekannt. Bei niedrigeren Sauerstoffgehalten kann Magnetit mit Quarz und Fayalit einen Puffer bilden, der als QFM-Puffer bekannt ist. Bei noch niedrigeren Sauerstoffgehalten bildet Magnetit mit Wüstit einen Puffer, der als MW-Puffer bekannt ist. Die QFM- und MW-Puffer wurden ausgiebig in Laborexperimenten zur Gesteinschemie verwendet. Insbesondere der QFM-Puffer erzeugt eine Sauerstofffugazität, die der der meisten magmatischen Gesteine ​​nahe kommt.

Im Allgemeinen enthalten magmatische Gesteine feste Lösungen sowohl von Titanomagnetit als auch von Hämoilmenit oder Titanohämatit. Die Zusammensetzungen der Mineralpaare werden verwendet, um die Sauerstofffugazität zu berechnen: In Magmen findet man eine Reihe von Oxidationsbedingungen, und der Oxidationszustand hilft zu bestimmen, wie sich die Magmen durch fraktionierte Kristallisation entwickeln könnten . Magnetit wird auch aus Peridotiten und Duniten durch Serpentinisierung hergestellt .

Magnetische Eigenschaften

Magnetsteine ​​wurden als frühe Form von Magnetkompass verwendet . Magnetit war ein entscheidendes Werkzeug im Paläomagnetismus , einer Wissenschaft, die für das Verständnis der Plattentektonik und als historische Daten für die Magnetohydrodynamik und andere wissenschaftliche Gebiete wichtig ist .

Die Beziehungen zwischen Magnetit und anderen Eisenoxidmineralien wie Ilmenit , Hämatit und Ulvospinel sind viel untersucht worden; die reaktionen zwischen diesen mineralien und sauerstoff beeinflussen, wie und wann magnetit das erdmagnetfeld aufzeichnet .

Bei niedrigen Temperaturen durchläuft Magnetit einen Phasenübergang der Kristallstruktur von einer monoklinen Struktur zu einer kubischen Struktur, die als Verwey-Übergang bekannt ist . Optische Studien zeigen, dass dieser Übergang vom Metall zum Isolator scharf ist und bei etwa 120

 
K auftritt . Der Verwey-Übergang hängt von der Korngröße, dem Domänenzustand, dem Druck und der Eisen-Sauerstoff- Stöchiometrie ab . Ein isotroper Punkt tritt auch in der Nähe des Verwey-Übergangs um 130
 
K auf, an dem sich das Vorzeichen der magnetokristallinen Anisotropiekonstante von positiv nach negativ ändert. Die Curie-Temperatur von Magnetit beträgt 580 °C (853 K; 1.076 °F).

Wenn Magnetit in ausreichender Menge vorhanden ist, kann er bei aeromagnetischen Untersuchungen mit einem Magnetometer gefunden werden, das magnetische Intensitäten misst.

Verteilung der Einlagen

Magnetit und andere schwere Mineralien (dunkel) in einem Quarz Strand Sand ( Chennai , Indien ).

Magnetit wird manchmal in großen Mengen im Strandsand gefunden. Solche schwarzen Sande (Mineralsande oder Eisensande ) werden an verschiedenen Orten gefunden, wie zum Beispiel Lung Kwu Tan von Hongkong ; Kalifornien , Vereinigte Staaten ; und die Westküste der Nordinsel Neuseelands . Der aus den Felsen erodierte Magnetit wird von Flüssen an den Strand getragen und durch Wellenbewegungen und Strömungen konzentriert. In gebänderten Eisenformationen wurden riesige Vorkommen gefunden. Diese Sedimentgesteine ​​wurden verwendet, um auf Veränderungen des Sauerstoffgehalts der Erdatmosphäre zu schließen.

Große Magnetitvorkommen finden sich auch in der Atacama- Region Chiles ( chilenischer Eisengürtel ); die Valentins- Region von Uruguay ; Kiruna , Schweden ; die Tallawang-Region von New South Wales ; und in der Region Adirondack in New York in den Vereinigten Staaten . Kediet ej Jill , der höchste Berg Mauretaniens , besteht vollständig aus dem Mineral. Vorkommen finden sich auch in Norwegen , Rumänien und der Ukraine . Magnetitreiche Sanddünen befinden sich im Süden Perus. Im Jahr 2005 entdeckte ein Explorationsunternehmen, Cardero Resources, in Peru eine riesige Lagerstätte magnetithaltiger Sanddünen . Das Dünenfeld umfasst 250 Quadratkilometer (100 Quadratmeilen), wobei die höchste Düne über 2.000 Meter über dem Wüstenboden liegt. Der Sand enthält 10 % Magnetit.

In ausreichend großen Mengen kann Magnetit beeinflussen Kompass - Navigation . In Tasmanien gibt es viele Gebiete mit stark magnetisierten Gesteinen, die Kompasse stark beeinflussen können. Bei der Verwendung eines Kompasses in Tasmanien sind zusätzliche Schritte und wiederholte Beobachtungen erforderlich, um Navigationsprobleme auf ein Minimum zu reduzieren.

Magnetitkristalle mit kubischem Habitus sind selten, wurden aber in Balmat, St. Lawrence County, New York , und in Långban, Schweden, gefunden . Diese Angewohnheit kann ein Ergebnis der Kristallisation in Gegenwart von Kationen wie Zink sein.

.

Biologische Vorkommen

Biomagnetismus ist normalerweise mit dem Vorhandensein biogener Magnetitkristalle verbunden, die in Organismen weit verbreitet sind. Diese Organismen reichen von magnetotaktischen Bakterien (z. B. Magnetospirillum magnetocticum ) bis hin zu Tieren, einschließlich des Menschen, bei denen Magnetitkristalle (und andere magnetisch empfindliche Verbindungen) je nach Art in verschiedenen Organen gefunden werden. Biomagnetite erklären die Auswirkungen schwacher Magnetfelder auf biologische Systeme. Es gibt auch eine chemische Grundlage für die zelluläre Empfindlichkeit gegenüber elektrischen und magnetischen Feldern ( Galvanotaxis ).

Magnetit-Magnetosomen in Gammaproteobakterien
, die nicht magnetotaktisch sind, können auch Magnetit in sauerstofffreien Sedimenten erzeugen, indem sie amorphes Eisenoxid zu Magnetit reduzieren.

Von mehreren Vogelarten ist bekannt, dass sie Magnetitkristalle in den oberen Schnabel zur Magnetorezeption einbauen , was ihnen (in Verbindung mit Kryptochromen in der Netzhaut ) die Fähigkeit verleiht, die Richtung, Polarität und Stärke des umgebenden Magnetfelds zu erfassen .

Chitons , eine Art von Mollusken, haben eine zungenartige Struktur als bekannte radula , mit Magnetit beschichtete Zähne bedeckt, oder Zähnchen . Die Härte des Magnetits hilft beim Abbau von Nahrung.

Biologischer Magnetit kann Informationen über die Magnetfelder speichern, denen der Organismus ausgesetzt war, was es Wissenschaftlern möglicherweise ermöglicht, etwas über die Wanderung des Organismus oder über Veränderungen des Erdmagnetfelds im Laufe der Zeit zu erfahren.

Menschliches Gehirn

Lebende Organismen können Magnetit produzieren. Beim Menschen kann Magnetit in verschiedenen Teilen des Gehirns gefunden werden, einschließlich des Frontal-, Parietal-, Okzipital- und Schläfenlappens, des Hirnstamms, des Kleinhirns und der Basalganglien. Eisen kommt im Gehirn in drei Formen vor – Magnetit, Hämoglobin (Blut) und Ferritin (Protein). Magnetit kann im Hippocampus gefunden werden. Der Hippocampus ist mit der Informationsverarbeitung verbunden, insbesondere mit Lernen und Gedächtnis. Magnetit kann jedoch aufgrund seiner Ladung oder magnetischen Natur und seiner Beteiligung an oxidativem Stress oder der Produktion freier Radikale toxische Wirkungen haben. Die Forschung legt nahe, dass Beta-Amyloid-Plaques und Tau-Proteine, die mit neurodegenerativen Erkrankungen in Verbindung gebracht werden, häufig nach oxidativem Stress und dem Aufbau von Eisen auftreten.

Einige Forscher vermuten auch, dass Menschen über einen magnetischen Sinn verfügen, und schlagen vor, dass dies bestimmten Personen ermöglichen könnte, Magnetorezeption für die Navigation zu verwenden. Die Rolle von Magnetit im Gehirn ist immer noch nicht gut verstanden, und die Anwendung modernerer, interdisziplinärer Techniken zur Erforschung des Biomagnetismus ist allgemein verzögert.

Elektronenmikroskopische Scans von menschlichen Hirngewebeproben können zwischen Magnetit, das von körpereigenen Zellen produziert wird, und Magnetit, das durch Luftverschmutzung absorbiert wird, unterscheiden, wobei die natürlichen Formen gezackt und kristallin sind, während Magnetitverschmutzung als abgerundete Nanopartikel auftritt . Magnetit in der Luft ist potenziell eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und ist das Ergebnis von Umweltverschmutzung (insbesondere Verbrennung). Diese Nanopartikel können über den Riechnerv zum Gehirn gelangen und die Magnetitkonzentration im Gehirn erhöhen. In einigen Gehirnproben übertrifft die Nanopartikelverschmutzung die natürlichen Partikel um bis zu 100:1, und solche durch Umweltverschmutzung übertragenen Magnetitpartikel können mit einer abnormalen neuralen Verschlechterung in Verbindung gebracht werden. In einer Studie wurden die charakteristischen Nanopartikel in den Gehirnen von 37 Menschen gefunden: 29 von ihnen im Alter von 3 bis 85 Jahren lebten und starben in Mexiko-Stadt, einem bedeutenden Luftverschmutzungs-Hotspot. Weitere acht im Alter von 62 bis 92 Jahren kamen aus Manchester, England, und einige waren mit unterschiedlichen Schweregraden an neurodegenerativen Erkrankungen gestorben. Solche Partikel könnten möglicherweise zu Krankheiten wie der Alzheimer-Krankheit beitragen . Obwohl kein kausaler Zusammenhang hergestellt wurde, deuten Laborstudien darauf hin, dass Eisenoxide wie Magnetit ein Bestandteil von Proteinplaques im Gehirn sind, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht werden.

Erhöhte Eisenwerte, insbesondere magnetisches Eisen, wurden in Teilen des Gehirns von Alzheimer-Patienten festgestellt. Die Überwachung von Veränderungen der Eisenkonzentration kann es ermöglichen, den Verlust von Neuronen und die Entwicklung neurodegenerativer Erkrankungen vor dem Auftreten von Symptomen aufgrund der Beziehung zwischen Magnetit und Ferritin zu erkennen. Im Gewebe können Magnetit und Ferritin kleine Magnetfelder erzeugen, die mit der Magnetresonanztomographie (MRT) interagieren und einen Kontrast erzeugen. Huntington-Patienten zeigten keine erhöhten Magnetitwerte; bei Studienmäusen wurden jedoch hohe Werte gefunden.

Anwendungen

Magnetit ist aufgrund seines hohen Eisengehalts seit langem ein wichtiges Eisenerz . Es wird in Hochöfen zu Roheisen oder Eisenschwamm zur Umwandlung in Stahl reduziert .

Magnetische Aufnahme

Audioaufnahmen mit Magnetacetatband wurden in den 1930er Jahren entwickelt. Das deutsche Magnetophon verwendet Magnetitpulver als Aufzeichnungsmedium. Nach dem Zweiten Weltkrieg setzte die 3M Company die Arbeit am deutschen Design fort. 1946 fanden die 3M-Forscher heraus, dass sie das Magnetit-basierte Band, das Pulver aus kubischen Kristallen verwendete, verbessern konnten, indem sie den Magnetit durch nadelförmige Partikel aus Gamma-Eisenoxid (γ-Fe 2 O 3 ) ersetzten .

Katalyse

Etwa 2–3% des weltweiten Energiebudgets entfallen auf den Haber-Prozess zur Stickstofffixierung, der auf Magnetit-abgeleiteten Katalysatoren beruht. Der technische Katalysator wird aus fein gemahlenem Eisenpulver gewonnen, das üblicherweise durch Reduktion von hochreinem Magnetit gewonnen wird. Das pulverisierte Eisenmetall wird verbrannt (oxidiert), um Magnetit oder Wüstit einer definierten Partikelgröße zu erhalten. Die Magnetit- (oder Wüstit-) Partikel werden dann teilweise reduziert, wodurch ein Teil des Sauerstoffs entfernt wird. Die resultierenden Katalysatorpartikel bestehen aus einem Kern aus Magnetit, umhüllt von einer Hülle aus Wüstit, die wiederum von einer äußeren Hülle aus Eisenmetall umgeben ist. Der Katalysator behält während der Reduktion den größten Teil seines Schüttvolumens, was zu einem hochporösen Material mit großer Oberfläche führt, was seine Wirksamkeit als Katalysator verbessert.

Magnetit-Nanopartikel

Magnetit-Mikro- und Nanopartikel werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, von der Biomedizin bis zur Umwelt. Eine Anwendung ist die Wasserreinigung: Bei der Hochgradienten-Magnetabscheidung binden sich in kontaminiertes Wasser eingebrachte Magnetit-Nanopartikel an die suspendierten Partikel (z. B. Feststoffe, Bakterien oder Plankton) und setzen sich am Boden der Flüssigkeit ab, sodass die Verunreinigungen entfernt und die Magnetitpartikel recycelt und wiederverwendet werden. Diese Methode funktioniert auch mit radioaktiven und krebserregenden Partikeln und ist damit ein wichtiges Reinigungswerkzeug bei Schwermetalleinträgen in Wassersysteme.

Eine weitere Anwendung magnetischer Nanopartikel ist die Herstellung von Ferrofluiden . Diese werden auf verschiedene Weise verwendet und machen nicht nur Spaß, damit zu spielen. Ferrofluide können zur gezielten Wirkstoffabgabe im menschlichen Körper verwendet werden. Die Magnetisierung der mit Wirkstoffmolekülen gebundenen Partikel ermöglicht ein „magnetisches Ziehen“ der Lösung an die gewünschte Körperstelle. Dies würde die Behandlung nur eines kleinen Bereichs des Körpers und nicht des gesamten Körpers ermöglichen und könnte unter anderem bei der Krebsbehandlung sehr nützlich sein. Ferrofluide werden auch in der Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet.

Kohlebergbau

Für die Abtrennung von Kohle aus Abfällen wurden Bäder mit dichtem Medium verwendet. Bei dieser Technik wurde der Dichteunterschied zwischen Kohle (1,3–1,4 Tonnen pro m³) und Schiefer (2,2–2,4 Tonnen pro m³) verwendet. In einem Medium mittlerer Dichte (Wasser mit Magnetit) sanken Steine ​​und Kohle schwamm.

Siehe auch

Verweise

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