Magnetita - Magnetite

Magnetita
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Magnetita da bolívia
Em geral
Categoria
Fórmula
(unidade de repetição)
óxido de ferro (II, III), Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4
Classificação de Strunz 4.BB.05
Sistema de cristal Isométrico
Classe de cristal Hexoctahedral (m 3 m)
símbolo HM : (4 / m 3 2 / m)
Grupo espacial F d 3 m
Célula unitária a = 8,397 Å; Z = 8
Identificação
Cor Preto, cinza com tonalidade acastanhada no reflexo do sol
Hábito de cristal Octaédrico , granular fino a maciço
Geminação Em {Ill} como ambos os planos gêmeos e de composição, a lei espinélio, como gêmeos de contato
Decote Indistinto, partindo em {Ill}, muito bom
Fratura Desigual
Tenacidade Frágil
Dureza da escala de Mohs 5,5-6,5
Brilho Metálico
Onda Preto
Diafaneidade Opaco
Gravidade Específica 5,17-5,18
Solubilidade Dissolve-se lentamente em ácido clorídrico
Referências
Variedades principais
Lodestone Magnético com pólos norte e sul definidos
Célula unitária de magnetita. As esferas cinzas são de oxigênio, as verdes são de ferro divalente e as azuis são de ferro trivalente. Também é mostrado um átomo de ferro em um espaço octaédrico (azul claro) e outro em um espaço tetraédrico (cinza).

A magnetita é um mineral e um dos principais minérios de ferro , com fórmula química Fe 3 O 4 . É um dos óxidos de ferro e é ferrimagnético ; ele é atraído por um ímã e pode ser magnetizado para se tornar um ímã permanente . É o mais magnético de todos os minerais naturais da Terra. Pedaços de magnetita naturalmente magnetizados, chamados magnetita , atrairão pequenos pedaços de ferro, que é como os povos antigos descobriram pela primeira vez a propriedade do magnetismo .

A magnetita é preta ou marrom-escura com brilho metálico, tem dureza de Mohs de 5–6 e deixa uma faixa preta . Pequenos grãos de magnetita são muito comuns em rochas ígneas e metamórficas .

O nome químico IUPAC é óxido de ferro (II, III) e o nome químico comum é óxido ferroso-férrico .

Propriedades

Além das rochas ígneas, a magnetita também ocorre em rochas sedimentares , incluindo formações ferríferas bandadas e em sedimentos lacustres e marinhos, tanto como grãos detríticos quanto como magnetofósseis . Acredita-se que as nanopartículas de magnetita também se formem no solo, onde provavelmente oxidam rapidamente em maghemita .

Estrutura de cristal

A composição química da magnetita é Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Isso indica que a magnetita contém ferro ferroso ( divalente ) e férrico ( trivalente ), sugerindo cristalização em um ambiente contendo níveis intermediários de oxigênio. Os principais detalhes de sua estrutura foram estabelecidos em 1915. Foi uma das primeiras estruturas cristalinas a ser obtida por difração de raios-X . A estrutura é espinélio inverso , com íons O 2 formando uma rede cúbica centrada na face e cátions de ferro ocupando sítios intersticiais. Metade dos cátions Fe 3+ ocupam sítios tetraédricos enquanto a outra metade, junto com cátions Fe 2+ , ocupam sítios octaédricos. A célula unitária consiste em 32  O 2− íons e o comprimento da célula unitária é a = 0,839 nm.

Como um membro do grupo espinélio inverso, a magnetita pode formar soluções sólidas com minerais estruturados de forma semelhante, incluindo ulvospinel ( Fe
2
TiO
4
) e magnesioferrita ( MgFe
2
O
4
)

A titanomagnetita, também conhecida como magnetita titanífera, é uma solução sólida entre a magnetita e o ulvospinel que cristaliza em muitas rochas ígneas máficas . A titanomagnetita pode sofrer oxissolução durante o resfriamento, resultando em crescimentos internos de magnetita e ilmenita.

Morfologia e tamanho do cristal

A magnetita natural e sintética ocorre mais comumente como cristais octaédricos delimitados por planos {111} e como dodecaedros rômbico . A geminação ocorre no plano {111}.

A síntese hidrotérmica geralmente produz cristais octaédricos únicos que podem ter até 10 mm (0,39 pol.) De diâmetro. Na presença de mineralizantes, como 0,1  M HI ou 2  M NH 4 Cl e a 0,207 MPa a 416-800 ° C, a magnetita cresceu como cristais cujas formas eram uma combinação de formas rômbico-dodechaedro. Os cristais eram mais arredondados do que o normal. O aparecimento de formas superiores foi considerado como resultado de uma diminuição nas energias de superfície causada pela menor relação superfície / volume nos cristais arredondados.  

Reações

A magnetita tem sido importante para a compreensão das condições sob as quais as rochas se formam. A magnetita reage com o oxigênio para produzir hematita , e o par mineral forma um buffer que pode controlar o quão oxidante é seu ambiente (a fugacidade do oxigênio ). Este buffer é conhecido como hematita-magnetita ou buffer HM. Em níveis mais baixos de oxigênio, a magnetita pode formar um buffer com quartzo e faialita conhecido como buffer QFM. Em níveis de oxigênio ainda mais baixos, a magnetita forma um buffer com wüstita conhecido como buffer MW. Os buffers QFM e MW têm sido usados ​​extensivamente em experimentos de laboratório em química de rochas. O buffer QFM, em particular, produz uma fugacidade de oxigênio próxima à da maioria das rochas ígneas.

Normalmente, as rochas ígneas contêm soluções sólidas de titanomagnetita e hemoilmenita ou titanohematita. As composições dos pares minerais são usadas para calcular a fugacidade do oxigênio: uma variedade de condições de oxidação são encontradas nos magmas e o estado de oxidação ajuda a determinar como os magmas podem evoluir por cristalização fracionada . A magnetita também é produzida a partir de peridotitos e dunitos por serpentinização .

Propriedades magneticas

Lodestones foram usados ​​como uma forma inicial de bússola magnética . A magnetita tem sido uma ferramenta crítica no paleomagnetismo , uma ciência importante para a compreensão das placas tectônicas e como dados históricos para a magneto - hidrodinâmica e outros campos científicos .

As relações entre a magnetita e outros minerais de óxido de ferro, como ilmenita , hematita e ulvospinel , foram muito estudadas; as reações entre esses minerais e o oxigênio influenciam como e quando a magnetita preserva um registro do campo magnético da Terra .

Em baixas temperaturas, a magnetita sofre uma transição de fase da estrutura cristalina de uma estrutura monoclínica para uma estrutura cúbica conhecida como transição de Verwey . Estudos ópticos mostram que a transição desse metal para o isolador é nítida e ocorre por volta de 120  K. A transição de Verwey depende do tamanho do grão, do estado do domínio, da pressão e da estequiometria ferro-oxigênio . Um ponto isotrópico também ocorre perto da transição de Verwey em torno de 130  K, ponto no qual o sinal da constante da anisotropia magnetocristalina muda de positivo para negativo. A temperatura Curie da magnetita é 580 ° C (853 K; 1.076 ° F).

Se a magnetita estiver em uma quantidade grande o suficiente, ela pode ser encontrada em pesquisas aeromagnéticas usando um magnetômetro que mede as intensidades magnéticas.

Distribuição de depósitos

Magnetita e outros minerais pesados ​​(escuros) em uma praia de areia de quartzo ( Chennai , Índia ).

A magnetita é às vezes encontrada em grandes quantidades na areia da praia. Essas areias negras ( areias minerais ou de ferro ) são encontradas em vários lugares, como Lung Kwu Tan de Hong Kong ; Califórnia , Estados Unidos ; e a costa oeste da Ilha do Norte da Nova Zelândia . A magnetita, erodida das rochas, é carregada para a praia pelos rios e concentrada pela ação das ondas e das correntes. Enormes depósitos foram encontrados em formações de ferro em faixas. Essas rochas sedimentares têm sido usadas para inferir mudanças no conteúdo de oxigênio da atmosfera da Terra.

Grandes depósitos de magnetita também são encontrados na região de Atacama , no Chile ( Cinturão Ferrífero Chileno ); a região de São Valentim do Uruguai ; Kiruna , Suécia ; a região de Tallawang de New South Wales ; e na região de Adirondack , em Nova York, nos Estados Unidos . Kediet ej Jill , a montanha mais alta da Mauritânia , é feita inteiramente do mineral. Os depósitos também são encontrados na Noruega , Romênia e Ucrânia . Dunas de areia ricas em magnetita são encontradas no sul do Peru. Em 2005, uma empresa de exploração, Cardero Resources, descobriu um vasto depósito de dunas de areia contendo magnetita no Peru . O campo de dunas cobre 250 quilômetros quadrados (100 sq mi), com a duna mais alta em mais de 2.000 metros (6.560 pés) acima do solo do deserto. A areia contém 10% de magnetita.

Em grandes quantidades, a magnetita pode afetar a navegação da bússola . Na Tasmânia, existem muitas áreas com rochas altamente magnetizadas que podem influenciar bastante as bússolas. Etapas extras e observações repetidas são necessárias ao usar uma bússola na Tasmânia para manter os problemas de navegação ao mínimo.

Cristais de magnetita com hábito cúbico são raros, mas foram encontrados em Balmat, Condado de St. Lawrence, Nova York , e em Långban, Suécia . Esse hábito pode ser resultado da cristalização na presença de cátions como o zinco.

A magnetita também pode ser encontrada em fósseis devido à biomineralização e são denominados magnetofósseis . Existem também exemplos de magnetita com origens no espaço provenientes de meteoritos .

Ocorrências biológicas

O biomagnetismo geralmente está relacionado à presença de cristais biogênicos de magnetita, que ocorrem amplamente nos organismos. Esses organismos variam de bactérias magnetotáticas (por exemplo, Magnetospirillum magnetotacticum ) a animais, incluindo humanos, onde cristais de magnetita (e outros compostos magneticamente sensíveis) são encontrados em diferentes órgãos, dependendo da espécie. Os biomagnetitos são responsáveis ​​pelos efeitos dos campos magnéticos fracos nos sistemas biológicos. Também existe uma base química para a sensibilidade celular a campos elétricos e magnéticos ( galvanotaxia ).

Magnetossomas de magnetita em Gammaproteobactérias

Partículas de magnetita pura são biomineralizadas em magnetossomos , que são produzidos por várias espécies de bactérias magnetotáticas . Os magnetossomos consistem em longas cadeias de partículas de magnetita orientadas que são usadas pelas bactérias para navegação. Após a morte dessas bactérias, as partículas de magnetita nos magnetossomos podem ser preservadas nos sedimentos como magnetofósseis. Alguns tipos de bactérias anaeróbicas que não são magnetotáticas também podem criar magnetita em sedimentos livres de oxigênio, reduzindo o óxido férrico amorfo a magnetita.

Várias espécies de pássaros são conhecidas por incorporar cristais de magnetita no bico superior para a magnetorecepção , o que (em conjunto com os criptocromos na retina ) lhes dá a capacidade de sentir a direção, polaridade e magnitude do campo magnético ambiente .

Os quitônios , um tipo de molusco, têm uma estrutura semelhante a uma língua conhecida como rádula , coberta por dentes revestidos de magnetita ou dentículos . A dureza da magnetita ajuda a quebrar os alimentos.

A magnetita biológica pode armazenar informações sobre os campos magnéticos aos quais o organismo foi exposto, permitindo que os cientistas aprendam sobre a migração do organismo ou sobre as mudanças no campo magnético da Terra ao longo do tempo.

Cérebro humano

Os organismos vivos podem produzir magnetita. Em humanos, a magnetita pode ser encontrada em várias partes do cérebro, incluindo os lobos frontal, parietal, occipital e temporal, tronco cerebral, cerebelo e gânglios da base. O ferro pode ser encontrado em três formas no cérebro - magnetita, hemoglobina (sangue) e ferritina (proteína), e as áreas do cérebro relacionadas à função motora geralmente contêm mais ferro. A magnetita pode ser encontrada no hipocampo. O hipocampo está associado ao processamento de informações, especificamente ao aprendizado e à memória. No entanto, a magnetita pode ter efeitos tóxicos devido à sua carga ou natureza magnética e seu envolvimento no estresse oxidativo ou na produção de radicais livres. A pesquisa sugere que as placas beta-amilóides e as proteínas tau associadas a doenças neurodegenerativas ocorrem frequentemente após o estresse oxidativo e o acúmulo de ferro.

Alguns pesquisadores também sugerem que os humanos possuem um sentido magnético, propondo que isso pode permitir que certas pessoas usem a recepção magnética para navegação. O papel da magnetita no cérebro ainda não é bem compreendido e tem havido um atraso geral na aplicação de técnicas interdisciplinares mais modernas ao estudo do biomagnetismo.

Varreduras de microscópio eletrônico de amostras de tecido cerebral humano são capazes de diferenciar entre magnetita produzida pelas próprias células do corpo e magnetita absorvida da poluição do ar, as formas naturais sendo irregulares e cristalinas, enquanto a poluição de magnetita ocorre como nanopartículas arredondadas . Potencialmente um perigo para a saúde humana, a magnetita aerotransportada é resultado da poluição (especificamente da combustão). Essas nanopartículas podem viajar para o cérebro através do nervo olfatório, aumentando a concentração de magnetita no cérebro. Em algumas amostras de cérebro, a poluição de nanopartículas supera as partículas naturais em até 100: 1, e essas partículas de magnetita transmitidas pela poluição podem estar ligadas à deterioração neural anormal. Em um estudo, as nanopartículas características foram encontradas nos cérebros de 37 pessoas: 29 delas, com idades entre 3 e 85 anos, viveram e morreram na Cidade do México, um importante ponto crítico de poluição do ar. Outros oito, com idades entre 62 e 92 anos, vieram de Manchester, Inglaterra, e alguns morreram com gravidades variadas de doenças neurodegenerativas. Essas partículas podem contribuir para doenças como a doença de Alzheimer . Embora uma ligação causal não tenha sido estabelecida, estudos de laboratório sugerem que óxidos de ferro como a magnetita são um componente das placas de proteínas no cérebro, ligadas à doença de Alzheimer.

Níveis elevados de ferro, especificamente ferro magnético, foram encontrados em partes do cérebro em pacientes com Alzheimer. O monitoramento das mudanças nas concentrações de ferro pode tornar possível detectar a perda de neurônios e o desenvolvimento de doenças neurodegenerativas antes do início dos sintomas devido à relação entre a magnetita e a ferritina. No tecido, a magnetita e a ferritina podem produzir pequenos campos magnéticos que irão interagir com a imagem por ressonância magnética (MRI) criando contraste. Os pacientes de Huntington não mostraram níveis aumentados de magnetita; no entanto, níveis elevados foram encontrados em ratos de estudo.

Formulários

Devido ao seu alto teor de ferro, a magnetita é há muito um importante minério de ferro . É reduzido em altos-fornos a ferro-gusa ou ferro - esponja para conversão em aço .

Gravação magnética

A gravação de áudio com fita magnética de acetato foi desenvolvida na década de 1930. O magnetofone alemão utilizou pó de magnetita como meio de gravação. Após a Segunda Guerra Mundial , a 3M Company continuou a trabalhar no design alemão. Em 1946, os pesquisadores da 3M descobriram que poderiam melhorar a fita à base de magnetita, que utilizava pós de cristais cúbicos, substituindo a magnetita por partículas em forma de agulha de óxido férrico gama (γ-Fe 2 O 3 ).

Catálise

Aproximadamente 2–3% do orçamento mundial de energia é alocado para o Processo Haber para fixação de nitrogênio, que depende de catalisadores derivados de magnetita. O catalisador industrial é obtido a partir de pó de ferro finamente moído, que geralmente é obtido por redução de magnetita de alta pureza. O metal de ferro pulverizado é queimado (oxidado) para dar magnetita ou wüstita de um tamanho de partícula definido. As partículas de magnetita (ou wüstita) são então parcialmente reduzidas, removendo parte do oxigênio no processo. As partículas de catalisador resultantes consistem em um núcleo de magnetita, envolto em uma camada de wüstita, que por sua vez é cercada por uma camada externa de metal de ferro. O catalisador mantém a maior parte de seu volume durante a redução, resultando em um material de alta área superficial altamente poroso, o que aumenta sua eficácia como catalisador.

Nanopartículas de magnetita

As micro e nanopartículas de magnetita são usadas em uma variedade de aplicações, desde biomédicas até ambientais. Um uso é na purificação de água: na separação magnética de alto gradiente, as nanopartículas de magnetita introduzidas na água contaminada se ligam às partículas suspensas (sólidos, bactérias ou plâncton, por exemplo) e se acomodam no fundo do fluido, permitindo que os contaminantes sejam removidos e as partículas de magnetita para serem recicladas e reutilizadas. Este método também funciona com partículas radioativas e cancerígenas, tornando-se uma importante ferramenta de limpeza no caso de metais pesados ​​introduzidos em sistemas de água.

Outra aplicação das nanopartículas magnéticas é na criação de ferrofluidos . Eles são usados ​​de várias maneiras, além de serem divertidos de se brincar. Os ferrofluidos podem ser usados ​​para a administração de drogas direcionadas ao corpo humano. A magnetização das partículas ligadas às moléculas do fármaco permite o “arrasto magnético” da solução para a área desejada do corpo. Isso permitiria o tratamento de apenas uma pequena área do corpo, ao invés do corpo como um todo, e poderia ser muito útil no tratamento do câncer, entre outras coisas. Os ferrofluidos também são usados ​​na tecnologia de imagem por ressonância magnética (MRI).

Indústria de mineração de carvão

Para a separação do carvão dos resíduos , foram usados ​​banhos médios densos. Esta técnica empregou a diferença de densidades entre carvão (1,3–1,4 toneladas por m³) e xisto (2,2–2,4 toneladas por m³). Em um meio com densidade intermediária (água com magnetita), as pedras afundaram e o carvão flutuou.

Galeria de espécimes minerais de magnetita

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos