Magnetita - Magnetite

Magnetita
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Magnetita de Bolivia
General
Categoría
Fórmula
(unidad de repetición) 		óxido de hierro (II, III), Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4
Clasificación de Strunz 4.BB.05
Sistema de cristal Isometrico
Clase de cristal Hexoctaédrico (m 3 m)
Símbolo HM : (4 / m 3 2 / m)
Grupo espacial F d 3 m
Celda unitaria a = 8,397 Å; Z = 8
Identificación
Color Negro, gris con tinte pardusco en el sol reflejado
Hábito de cristal Octaédrico , granular fino a masivo
Hermanamiento En {Ill} como plano gemelo y de composición, la ley de la espinela, como gemelos de contacto
Escote Indistinto, despedida en {Ill}, muy bien
Fractura Desigual
Tenacidad Frágil
Escala de Mohs de dureza 5.5–6.5
Lustre Metálico
Racha Negro
Diafanidad Opaco
Gravedad específica 5.17–5.18
Solubilidad Se disuelve lentamente en ácido clorhídrico.
Referencias
Variedades principales
Piedra imán Magnético con polos norte y sur definidos
Célula unitaria de magnetita. Las esferas grises son oxígeno, las verdes son hierro divalente, las azules son hierro trivalente. También se muestran un átomo de hierro en un espacio octaédrico (azul claro) y otro en un espacio tetraédrico (gris).

La magnetita es un mineral y uno de los principales minerales de hierro , con la fórmula química Fe 3 O 4 . Es uno de los óxidos de hierro y es ferrimagnético ; es atraído por un imán y puede magnetizarse para convertirse en un imán permanente . Es el más magnético de todos los minerales naturales de la Tierra. Los trozos de magnetita magnetizados naturalmente, llamados imán , atraerán pequeños trozos de hierro, que es la forma en que los pueblos antiguos descubrieron por primera vez la propiedad del magnetismo .

La magnetita es de color negro o negro pardusco con un brillo metálico, tiene una dureza de Mohs de 5-6 y deja una raya negra . Los pequeños granos de magnetita son muy comunes en rocas ígneas y metamórficas .

El nombre químico de la IUPAC es óxido de hierro (II, III) y el nombre químico común es óxido ferroso-férrico .

Propiedades

Además de las rocas ígneas, la magnetita también se encuentra en rocas sedimentarias , incluidas las formaciones de hierro en bandas y en sedimentos lacustres y marinos como granos detríticos y como magnetofósiles . También se cree que las nanopartículas de magnetita se forman en los suelos, donde probablemente se oxidan rápidamente a maghemita .

Estructura cristalina

La composición química de la magnetita es Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Esto indica que la magnetita contiene hierro ferroso ( divalente ) y férrico ( trivalente ), lo que sugiere una cristalización en un ambiente que contiene niveles intermedios de oxígeno. Los principales detalles de su estructura se establecieron en 1915. Fue una de las primeras estructuras cristalinas de ser obtenidos usando difracción de rayos X . La estructura es espinela inversa , con iones O 2− formando una red cúbica centrada en las caras y cationes de hierro ocupando sitios intersticiales. La mitad de los cationes Fe 3+ ocupan sitios tetraédricos mientras que la otra mitad, junto con los cationes Fe 2+ , ocupan sitios octaédricos. La celda unitaria consta de 32 iones  O 2− y la longitud de la celda unitaria es a = 0.839 nm.

Como miembro del grupo de la espinela inversa, la magnetita puede formar soluciones sólidas con minerales estructurados de manera similar, incluido el ulvospinel ( Fe
2TiO
4) y magnesioferrita ( MgFe
2O
4).

La titanomagnetita, también conocida como magnetita titanífera, es una solución sólida entre magnetita y ulvospinel que cristaliza en muchas rocas ígneas máficas . La titanomagnetita puede experimentar una disolución de oxigeno durante el enfriamiento, lo que da como resultado un crecimiento de magnetita e ilmenita.

Morfología y tamaño de los cristales

La magnetita natural y sintética se presenta más comúnmente como cristales octaédricos delimitados por planos {111} y como rombododecaedros . El hermanamiento ocurre en el plano {111}.

La síntesis hidrotermal generalmente produce cristales octaédricos simples que pueden tener un tamaño de hasta 10 mm (0,39 pulgadas) de ancho. En presencia de mineralizadores como 0.1  M HI o 2  M NH 4 Cl ya 0.207 MPa a 416–800 ° C, la magnetita creció como cristales cuyas formas eran una combinación de formas rómbicas-dodechaedros. Los cristales estaban más redondeados de lo habitual. La aparición de formas superiores se consideró como resultado de una disminución en las energías superficiales causada por la menor relación superficie / volumen en los cristales redondeados.  

Reacciones

La magnetita ha sido importante para comprender las condiciones bajo las cuales se forman las rocas. La magnetita reacciona con el oxígeno para producir hematita y el par mineral forma un amortiguador que puede controlar la oxidación de su entorno (la fugacidad del oxígeno ). Este tampón se conoce como tampón de hematita-magnetita o HM. A niveles más bajos de oxígeno, la magnetita puede formar un tampón con cuarzo y fayalita conocido como tampón QFM. A niveles de oxígeno aún más bajos, la magnetita forma un tampón con wüstite conocido como tampón MW. Los tampones QFM y MW se han utilizado ampliamente en experimentos de laboratorio sobre química de rocas. El búfer QFM, en particular, produce una fugacidad de oxígeno cercana a la de la mayoría de las rocas ígneas.

Comúnmente, las rocas ígneas contienen soluciones sólidas de titanomagnetita y hemoilmenita o titanohematita. Las composiciones de los pares de minerales se utilizan para calcular la fugacidad del oxígeno: se encuentran una serie de condiciones oxidantes en los magmas y el estado de oxidación ayuda a determinar cómo podrían evolucionar los magmas por cristalización fraccionada . La magnetita también se produce a partir de peridotitas y dunitas por serpentinización .

Propiedades magnéticas

Las piedras imán se utilizaron como una forma temprana de brújula magnética . La magnetita ha sido una herramienta crítica en el paleomagnetismo , una ciencia importante para comprender la tectónica de placas y como datos históricos para la magnetohidrodinámica y otros campos científicos .

Se han estudiado mucho las relaciones entre la magnetita y otros minerales de óxido de hierro como la ilmenita , la hematita y el ulvospinel ; las reacciones entre estos minerales y el oxígeno influyen en cómo y cuándo la magnetita conserva un registro del campo magnético de la Tierra .

A bajas temperaturas, la magnetita experimenta una transición de fase de estructura cristalina de una estructura monoclínica a una estructura cúbica conocida como transición de Verwey . Los estudios ópticos muestran que esta transición de metal a aislante es aguda y ocurre alrededor de 120  K. La transición de Verwey depende del tamaño de grano, el estado del dominio, la presión y la estequiometría hierro-oxígeno . También se produce un punto isotrópico cerca de la transición de Verwey alrededor de 130  K, en cuyo punto el signo de la constante de anisotropía magnetocristalina cambia de positivo a negativo. La temperatura de Curie de la magnetita es de 580 ° C (853 K; 1.076 ° F).

Si la magnetita está en una cantidad suficientemente grande, se puede encontrar en estudios aeromagnéticos utilizando un magnetómetro que mide las intensidades magnéticas.

Distribución de depósitos

Magnetita y otros minerales pesados ​​(oscuros) en una arena de playa de cuarzo ( Chennai , India ).

La magnetita a veces se encuentra en grandes cantidades en la arena de la playa. Estas arenas negras ( arenas minerales o arenas de hierro ) se encuentran en varios lugares, como Lung Kwu Tan de Hong Kong ; California , Estados Unidos ; y la costa oeste de la Isla Norte de Nueva Zelanda . La magnetita, erosionada de las rocas, es llevada a la playa por los ríos y concentrada por la acción de las olas y las corrientes. Se han encontrado enormes depósitos en formaciones de hierro en bandas. Estas rocas sedimentarias se han utilizado para inferir cambios en el contenido de oxígeno de la atmósfera de la Tierra.

También se encuentran grandes depósitos de magnetita en la región de Atacama de Chile ( Cinturón de Hierro de Chile ); la región de San Valentín de Uruguay ; Kiruna , Suecia ; la región de Tallawang de Nueva Gales del Sur ; y en la región de Adirondack de Nueva York en los Estados Unidos . Kediet ej Jill , la montaña más alta de Mauritania , está hecha enteramente del mineral. Los depósitos también se encuentran en Noruega , Rumania y Ucrania . Las dunas de arena ricas en magnetita se encuentran en el sur de Perú. En 2005, una empresa de exploración, Cardero Resources, descubrió un vasto depósito de dunas de arena con magnetita en Perú . El campo de dunas cubre 250 kilómetros cuadrados (100 millas cuadradas), con la duna más alta a más de 2.000 metros (6.560 pies) sobre el suelo del desierto. La arena contiene un 10% de magnetita.

En cantidades suficientemente grandes, la magnetita puede afectar la navegación de la brújula . En Tasmania hay muchas áreas con rocas altamente magnetizadas que pueden influir mucho en las brújulas. Se requieren pasos adicionales y observaciones repetidas cuando se usa una brújula en Tasmania para mantener los problemas de navegación al mínimo.

Los cristales de magnetita con hábito cúbico son raros, pero se han encontrado en Balmat, condado de St. Lawrence, Nueva York y Långban, Suecia . Este hábito puede ser el resultado de la cristalización en presencia de cationes como el zinc.

La magnetita también se puede encontrar en fósiles debido a la biomineralización y se les conoce como magnetofósiles . También hay casos de magnetita con orígenes en el espacio provenientes de meteoritos .

Incidencias biológicas

El biomagnetismo suele estar relacionado con la presencia de cristales biogénicos de magnetita, que se encuentran ampliamente en los organismos. Estos organismos varían desde bacterias magnetotácticas (p. Ej., Magnetospirillum magnetotacticum ) hasta animales, incluidos los humanos, donde los cristales de magnetita (y otros compuestos magnéticamente sensibles) se encuentran en diferentes órganos, dependiendo de la especie. Las biomagnetitas explican los efectos de los campos magnéticos débiles en los sistemas biológicos. También existe una base química para la sensibilidad celular a los campos eléctricos y magnéticos ( galvanotaxis ).

Magnetosomas de magnetita en Gammaproteobacteria

Las partículas de magnetita pura se biomineralizan en los magnetosomas , que son producidos por varias especies de bacterias magnetotácticas . Los magnetosomas consisten en largas cadenas de partículas de magnetita orientadas que son utilizadas por las bacterias para la navegación. Después de la muerte de estas bacterias, las partículas de magnetita en los magnetosomas pueden conservarse en sedimentos como magnetofósiles. Algunos tipos de bacterias anaeróbicas que no son magnetotácticas también pueden crear magnetita en sedimentos libres de oxígeno al reducir el óxido férrico amorfo a magnetita.

Se sabe que varias especies de aves incorporan cristales de magnetita en el pico superior para la magnetorrecepción , lo que (junto con los criptocromos en la retina ) les da la capacidad de detectar la dirección, polaridad y magnitud del campo magnético ambiental .

Los quitones , un tipo de molusco, tienen una estructura similar a una lengua conocida como rádula , cubierta con dientes o dentículos recubiertos de magnetita . La dureza de la magnetita ayuda a descomponer los alimentos.

La magnetita biológica puede almacenar información sobre los campos magnéticos a los que estuvo expuesto el organismo, lo que podría permitir a los científicos aprender sobre la migración del organismo o sobre los cambios en el campo magnético de la Tierra a lo largo del tiempo.

Cerebro humano

Los organismos vivos pueden producir magnetita. En los seres humanos, la magnetita se puede encontrar en varias partes del cerebro, incluidos los lóbulos frontal, parietal, occipital y temporal, el tronco encefálico, el cerebelo y los ganglios basales. El hierro se puede encontrar en tres formas en el cerebro: magnetita, hemoglobina (sangre) y ferritina (proteína), y las áreas del cerebro relacionadas con la función motora generalmente contienen más hierro. La magnetita se puede encontrar en el hipocampo. El hipocampo está asociado con el procesamiento de información, específicamente el aprendizaje y la memoria. Sin embargo, la magnetita puede tener efectos tóxicos debido a su carga o naturaleza magnética y su participación en el estrés oxidativo o la producción de radicales libres. La investigación sugiere que las placas beta-amiloides y las proteínas tau asociadas con enfermedades neurodegenerativas ocurren con frecuencia después del estrés oxidativo y la acumulación de hierro.

Algunos investigadores también sugieren que los humanos poseen un sentido magnético, proponiendo que esto podría permitir que ciertas personas utilicen la magnetorrecepción para la navegación. El papel de la magnetita en el cerebro aún no se comprende bien, y ha habido un retraso general en la aplicación de técnicas interdisciplinarias más modernas al estudio del biomagnetismo.

Los escaneos con microscopio electrónico de muestras de tejido cerebral humano pueden diferenciar entre la magnetita producida por las propias células del cuerpo y la magnetita absorbida por la contaminación del aire, siendo las formas naturales irregulares y cristalinas, mientras que la contaminación por magnetita se produce como nanopartículas redondeadas . Potencialmente un peligro para la salud humana, la magnetita en el aire es el resultado de la contaminación (específicamente la combustión). Estas nanopartículas pueden viajar al cerebro a través del nervio olfatorio, aumentando la concentración de magnetita en el cerebro. En algunas muestras de cerebro, la contaminación por nanopartículas supera en número a las partículas naturales hasta en 100: 1, y dichas partículas de magnetita transmitidas por la contaminación pueden estar relacionadas con un deterioro neuronal anormal. En un estudio, las nanopartículas características se encontraron en los cerebros de 37 personas: 29 de ellas, de 3 a 85 años, habían vivido y muerto en la Ciudad de México, un importante punto de contaminación del aire. Otros ocho, de 62 a 92 años, procedían de Manchester, Inglaterra, y algunos habían muerto con enfermedades neurodegenerativas de diversa gravedad. Posiblemente, estas partículas podrían contribuir a enfermedades como la enfermedad de Alzheimer . Aunque no se ha establecido un vínculo causal, los estudios de laboratorio sugieren que los óxidos de hierro como la magnetita son un componente de las placas de proteínas en el cerebro, relacionados con la enfermedad de Alzheimer.

Se han encontrado niveles elevados de hierro, específicamente hierro magnético, en partes del cerebro de pacientes con Alzheimer. La monitorización de los cambios en las concentraciones de hierro puede permitir detectar la pérdida de neuronas y el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas antes de la aparición de los síntomas debido a la relación entre magnetita y ferritina. En el tejido, la magnetita y la ferritina pueden producir pequeños campos magnéticos que interactuarán con la resonancia magnética (MRI) creando contraste. Los pacientes con Huntington no han mostrado niveles elevados de magnetita; sin embargo, se han encontrado niveles altos en ratones de estudio.

Aplicaciones

Debido a su alto contenido de hierro, la magnetita ha sido durante mucho tiempo un mineral de hierro importante . Se reduce en altos hornos a arrabio o hierro esponjoso para su conversión en acero .

Grabación magnética

La grabación de audio con cinta de acetato magnético se desarrolló en la década de 1930. El magnetofón alemán utilizó polvo de magnetita como medio de grabación. Después de la Segunda Guerra Mundial , 3M Company continuó trabajando en el diseño alemán. En 1946, los investigadores de 3M descubrieron que podían mejorar la cinta a base de magnetita, que utilizaba polvos de cristales cúbicos, reemplazando la magnetita con partículas en forma de aguja de óxido férrico gamma (γ-Fe 2 O 3 ).

Catálisis

Aproximadamente el 2-3% del presupuesto energético mundial se asigna al Proceso Haber para la fijación de nitrógeno, que se basa en catalizadores derivados de magnetita. El catalizador industrial se obtiene a partir de polvo de hierro finamente molido, que generalmente se obtiene por reducción de magnetita de alta pureza. El metal de hierro pulverizado se quema (oxida) para dar magnetita o wüstita de un tamaño de partícula definido. Las partículas de magnetita (o wüstita) luego se reducen parcialmente, eliminando parte del oxígeno en el proceso. Las partículas de catalizador resultantes consisten en un núcleo de magnetita, encerrado en una capa de wüstita, que a su vez está rodeada por una capa exterior de hierro metálico. El catalizador mantiene la mayor parte de su volumen aparente durante la reducción, lo que da como resultado un material de gran área superficial altamente poroso, que mejora su eficacia como catalizador.

Nanopartículas de magnetita

Las micropartículas y nanopartículas de magnetita se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde biomédicas hasta ambientales. Un uso es en la purificación del agua: en la separación magnética de alto gradiente, las nanopartículas de magnetita introducidas en el agua contaminada se unirán a las partículas suspendidas (sólidos, bacterias o plancton, por ejemplo) y se asentarán en el fondo del fluido, permitiendo que los contaminantes sean eliminado y las partículas de magnetita para ser recicladas y reutilizadas. Este método también funciona con partículas radiactivas y cancerígenas, lo que lo convierte en una importante herramienta de limpieza en el caso de metales pesados ​​introducidos en los sistemas de agua.

Otra aplicación de las nanopartículas magnéticas es la creación de ferrofluidos . Estos se utilizan de varias formas, además de ser divertido jugar con ellos. Los ferrofluidos se pueden utilizar para la administración de fármacos dirigida al cuerpo humano. La magnetización de las partículas unidas a las moléculas del fármaco permite el "arrastre magnético" de la solución al área deseada del cuerpo. Esto permitiría el tratamiento de solo un área pequeña del cuerpo, en lugar de todo el cuerpo, y podría ser de gran utilidad en el tratamiento del cáncer, entre otras cosas. Los ferrofluidos también se utilizan en la tecnología de imágenes por resonancia magnética (MRI).

Industria de la minería del carbón

Para la separación del carbón de los residuos se utilizaron baños medianos densos. Esta técnica empleó la diferencia de densidades entre el carbón (1,3–1,4 toneladas por m³) y las lutitas (2,2–2,4 toneladas por m³). En un medio de densidad intermedia (agua con magnetita), las piedras se hundieron y el carbón flotó.

Galería de muestras de minerales de magnetita

  • Cristales octaédricos de magnetita de hasta 1.8 cm de diámetro, sobre cristales de feldespato color crema , localidad: Cerro Huañaquino, Departamento de Potosí , Bolivia

  • Cristales de magnetita con elevaciones epitaxiales en sus caras

  • Magnetita en matriz de calcopirita contrastada

  • Magnetita con un hábito cúbico raro del condado de St. Lawrence, Nueva York

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos