Кіріспе
Темір кені минералы – табиғи кен орындарында кездесетін магнит минералы. Магнетит – химиялық формуласы Fe(II)Fe(III)O4 болатын негізгі темір кендерінің бірі. Ол темір оксидтерінің бірі және ферромагниттік қасиетке ие; магнитке тартылады және өзі тұрақты магнитке айналуы мүмкін. Ерекше жағдайларда ғана кездесетін табиғи темір кендерін есептемегенде, ол Жердегі табиғи минералдардың арасында ең магниттік минерал болып табылады. Магнит тасы деп аталатын табиғи түрде магниттелген магнетит бөліктері темірдің кішкентай бөліктерін тартады, осылайша ежелгі адамдар алғаш рет магнетизмнің қасиеттерін ашты. Магнетит қара немесе қоңыр қара түсті, металдық жылтырлығы бар, Моос шкаласы бойынша қаттылығы 5-6 және қара сызық қалдырады. Химиялық IUPAC атауы – темір(II,III) оксиді, ал жалпы химиялық атауы – темірлі темір оксиді.
the mineral magnetite as found in natural deposits
Magnetite is a mineral and one of the main iron ores, with the chemical formula |Fe(2+)Fe2(3+)O4. It is one of the oxides of iron, and is ferrimagnetic; it is attracted to a magnet and can be magnetized to become a permanent magnet itself. With the exception of extremely rare native iron deposits, it is the most magnetic of all the naturally occurring minerals on Earth. Naturally magnetized pieces of magnetite, called lodestone, will attract small pieces of iron, which is how ancient peoples first discovered the property of magnetism. Magnetite is black or brownish black with a metallic luster, has a Mohs hardness of 5–6 and leaves a black streak. The chemical IUPAC name is iron(II,III) oxide and the common chemical name is ferrous ferric oxide.
Қасиеттері
Игнейлік тау жыныстарынан басқа, магнетит шөгінді тау жыныстарында да кездеседі, оның ішінде жолақты темір кен орындарында және көл және теңіз шөгінділерінде, бөлшектік дән түрінде де, сондай-ақ магнитофоссилдер түрінде де. Магнетит нанобөлшектері топырақтарда да пайда болады деп есептеледі, онда олар, әдетте, тез тотығып маггемитке айналады.
Кристалдық құрылым
Магнетиттің химиялық құрамы Fe2+(Fe3+)2(O2)4 болып табылады. Бұл магнетитте еківалентті темір (Fe2+) және үшвалентті темір (Fe3+) бар екенін көрсетеді, бұл орташа деңгейдегі оттегі бар ортада кристалдануға нұсқайды. Инверттік шпинель тобының мүшесі ретінде, магнетит ұқсас құрылымды минералдармен, соның ішінде ульвоспинел (Fe2TiO4) және магнезоферрит (MgFe2O4)пен қатты ерітінділер түзе алады. Титаномагнетит, сондай-ақ титанды магнетит деп те аталады, магнетит пен ульвоспинел арасындағы қатты ерітінді болып табылады және көптеген майлық магмалық жыныстарда кристалданады. Титаномагнетит салқындаған кезде окси-бөлшектенуге ұшырауы мүмкін, нәтижесінде магнетит пен илменит өседі.
Кристаллдың морфологиясы мен өлшемі
Табиғи және синтетикалық магнетит көбінесе {111} жазықтықтарымен шектелген октаэдр кристалдары және ромбтық додекаэдрлер түрінде кездеседі. Көбінесе, магмалық тау жыныстарында титаномагнетит және гемоилменит немесе титаногематиттің қатты ерітінділері болады. Минералдық жұптардың құрамы оттегінің қашықтығын есептеу үшін пайдаланылады: магмаларда тотығу жағдайларының кең диапазоны кездеседі және тотығу күйі магманың фракциялық кристалдану арқылы қалай эволюцияланатынын анықтауға көмектеседі. Магнетит серпентизация процесі арқылы перидотит пен дуниттен де түзіледі.
Магниттік қасиеттері
Лодстоун магниттік компастың ерте түрі ретінде қолданылды. Магнетит палеомагнетизмде маңызды құрал болды, бұл ғылым плиталардың тектоникасын түсіну үшін және магнитогидродинамика және басқа да ғылыми салалар үшін тарихи мәліметтер ретінде маңызды. Магнетит пен илменит, гематит және ульвоспинел сияқты басқа темір оксидтері арасындағы қарым-қатынас көп зерттелді; осы минералдар мен оттегі арасындағы реакциялар магнетиттің Жердің магнит өрісін қалай және қашан сақтайтынына әсер етеді. Төмен температурада магнетит моноклинді құрылымнан кубты құрылымға, Вервей ауысуы деп белгілі кристалдық құрылым фазалық өтуіне ұшырайды. Оптикалық зерттеулер бұл металлдан изоляторға өтудің өткір екенін және шамамен 120K температурада болатынын көрсетеді. Вервей ауысуы дән мөлшеріне, домендік күйге, қысымға және темір-оттегі стехиометриясына байланысты. Вервей ауысуының шамасында, 130K температурада, изотроптық нүкте пайда болады, онда магнитокристалдық анизотропия тұрақтысының таңбасы оңнан теріске өзгереді. Магнетиттің Кюри температурасы – . Егер магнетит жеткілікті мөлшерде болса, оны магниттік интенсивтілікті өлшейтін магнитометрді пайдалана отырып, аэромагниттік зерттеулерде табуға болады.
If magnetite is in a large enough quantity it can be found in aeromagnetic surveys using a magnetometer which measures magnetic intensities.
Еріту нүктесі
Қатты магниттің ұсақ бөлшектері шамамен балқиды.
Депозиттердің бөлінуі
Магнетит кейде жағажай құмында көп мөлшерде кездеседі. Мұндай қара құмдар (минералды құмдар немесе темір құмдар) әртүрлі жерлерде табылады, мысалы, Гонконгтағы Лунг Кву Тан, Калифорния (АҚШ), Жаңа Зеландияның Солтүстік аралының батыс жағалауы. Магнетит тау жыныстарынан эрозияға ұшырап, өзендер арқылы жағажайға жеткізіледі және толқындар мен ағыстардың әсерінен шоғырланады. Үлкен кен орындары темірдің жолақты формацияларында кездеседі. Бұл шөгінді жыныстар Жер атмосферасындағы оттегінің мөлшерінің өзгеруін анықтау үшін қолданылған. Магнетиттің ірі кен орындары Чилидің Атакама аймағында (Чилидің темір белдеуі), Уругвайдың Валентин аймағында, Кируна (Швеция), Жаңа Оңтүстік Уэльстің Талаванг аймағында және АҚШ-тағы Нью-Йорк штатының Адирондак тауларында орналасқан. Мавританияның ең биік тауы – Кедиет-эдж-Джилл толығымен осы минералдан тұрады. Испанияның Леон провинциясындағы Молинасека, Альбарес және Рабаналь-дель-Камино муниципалитеттерінде Ордвициан қабаттарында Еуропадағы ең ірілерінің бірі саналатын магнит кен орны бар. Ол 1955-1982 жылдар аралығында игерілген. Кен орындары сондай-ақ Норвегия, Румыния және Украинада да табылады. Магнитке бай құм төбелер Перудің оңтүстігінде кездеседі. 2005 жылы Cardero Resources компаниясы Перуда магнитті құм төбелері бар кең көлемді кен орнын ашты. Дюналық алқап 250 шаршы километрді құрайды, ал ең биік дюнасы шөлдің жер бетінен 2000 метрден астам биіктікте орналасқан. Құмның құрамында 10% магнетит бар. Магниттің жеткілікті мөлшерде болуы компастың навигациясына әсер етуі мүмкін. Тасманияда компасқа күшті әсер ететін, жоғары магниттелген тау жыныстарының көптеген аймақтары бар. Тасманияда компасты пайдалану кезінде навигациялық қателерді азайту үшін қосымша шаралар мен қайта-қайта бақылаулар қажет. Магнетит кристалдарының куб тәрізді пішіні сирек кездеседі, бірақ Нью-Йорк штатының Сент-Лоуренс округіндегі Балмат және Швецияның Лангбан қаласында табылған. Мұндай пішін мырыш сияқты катиондардың қатысуында кристалданудың нәтижесі болуы мүмкін. Магнетит биоминералдану процесінен пайда болған қазбаларда да кездеседі және олар магнетофоссилдер деп аталады. Сондай-ақ, магниттің космостан, метеориттерден келген түрі де бар.
Биологиялық құбылыстар
Биомагнетизм әдетте организмдерде кең таралған магнетиттің биогендік кристалдарының болуымен байланысты. Бұл организмдер магнитотактикалық бактериялардан (мысалы, Magnetospirillum magnetotacticum) бастап, адамдарды қоса, жануарларға дейін жетеді, мұнда түрлеріне қарай әртүрлі органдарда магнит кристалдары (және басқа да магниттік сезімтал қосылыстар) табылады. Биомагнетиттер биологиялық жүйелерге әсер ететін әлсіз магнит өрістерінің себебін түсіндіреді. Электр және магнит өрістеріне жасушалық сезімталдықтың (гальванотаксис) химиялық негізі де бар. Таза магнит бөлшектері магнитотактикалық бактериялардың бірнеше түрі өндіретін магнитосомаларда биоминералданады. Магнитосомалар бактериялар навигация үшін пайдаланатын бағдарланған магнит бөлшектерінің ұзын тізбектерінен тұрады. Бұл бактериялар өлгеннен кейін магнитосомадағы магнит бөлшектері шөгінділерде магнитофоссилдер ретінде сақталуы мүмкін. Магнитотактикалық емес, анаэробты бактериялардың кейбір түрлері де оттегісіз шөгінділерде аморфты темір оксидін магнетитке айналдыру арқылы магнит құрай алады. Құстардың бірнеше түрі магнитті қабылдау үшін жоғарғы мүңкісінде магнит кристалдарын жинақтайды, бұл (тор қабығындағы криптохромдармен бірге) оларға айналадағы магнит өрісінің бағытын, полярлығын және күшін сезу қабілетін береді. Молюскалардың бір түрі – читон, тілге ұқсас құрылымға, яғни радиулаға ие, ол магнитпен қапталған тістермен (дентикулалармен) жабылған. Магниттің беріктігі тағамды ұсақтауға көмектеседі. Биологиялық магнетит организмге әсер еткен магнит өрістері туралы ақпаратты сақтай алады, бұл ғалымдарға организмнің қоныс аударуы немесе Жердің магнит өрісінің уақыт өте келе қалай өзгеретіні туралы білуге мүмкіндік береді.
Адамның миы
Тірі организмдер магнит өндіре алады. Темір мида үш түрде кездеседі: магнит, гемоглобин (қан) және ферритин (ақуыз), ал мидың қозғалыс функциясына байланысты аймақтарында көбірек темір болады. Магнит гиппокампта табылады. Гиппокамп ақпаратты өңдеумен, әсіресе оқу және жадпен байланысты. Зерттеулер бета-амилоидтық плактар мен нейродегенеративті аурулармен байланысты тау ақуыздарының көбінесе тотығу стресі мен темірдің жиналуынан кейін пайда болатынын көрсетеді, бұл кейбір адамдарға навигация үшін магниттік сезімді пайдалануға мүмкіндік беруі мүмкін. Магнетиттің мидағы рөлі әлі толыққанды түсініксіз, және биомагнетизмді зерттеуге қазіргі заманғы, пәнаралық тәсілдерді қолдануда белгілі бір кешігу бар. Адам ми тінінің үлгілерін электронды микроскоппен сканерлеу арқылы организмнің өзіндік жасушалары өндіретін магнит пен ауадағы ластанудан сіңген магниттің аражігін ажыратуға болады, табиғи формалары өткір және кристалды, ал магнит ластануы дөңгелек нанобөлшектер түрінде кездеседі. Адам денсаулығына қауіп төндіретін ауадағы магнит ластану, негізінен, жану процесінің нәтижесі болып табылады. Бұл нанобөлшектер иіс сезу жүйкесі арқылы миға жетіп, мидағы магнит концентрациясын арттырады. Мұндай бөлшектер Альцгеймер ауруы сияқты ауруларға ықпал етуі мүмкін. Себеп-салдар байланысы әлі анықталмағанмен, зертханалық зерттеулер магнит сияқты темір оксидтерінің мидағы ақуыз плактар құрамына кіретінін көрсетеді. Мұндай плактар Альцгеймер ауруымен байланысты. Альцгеймер ауруымен ауыратын науқастардың миында темірдің, әсіресе магниттік темірдің деңгейі жоғарылағандығы анықталды. Темір концентрациясының өзгеруін қадағалау, симптомдар пайда болуына дейін нейрондардың жоғалуын және нейродегенеративті аурулардың дамуын анықтауға мүмкіндік беруі мүмкін. Ол доменді пеште шойын немесе губка тәрізді темірге дейін тотықтырылады, содан кейін болатқа айналдырылады.
Магниттік жазу
Магниттік ацетат таспасын қолданатын дыбыс жазу 1930 жылдары әзірленді. Немецтің магнитофоны алғаш рет BASF компаниясының целлюлоза ацетатына жаққан магнит ұнтағын пайдаланды, бірақ жақсырақ морфологиясы үшін тез арада гамма темір оксидіне көшті. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін 3M компаниясы неміс үлгісі бойынша жұмысын жалғастырды. 1946 жылы 3M зерттеушілері куб тәрізді кристалдардан тұратын ұнтақ қолданған, магнит негізіндегі қағаз таспаларын да жақсарта алатынын тапты, олар магнитті гамма темір оксидінің ине тәрізді бөлшектерімен (γ Fe2O3) алмастырды.
Магнит нанобөлшектері
Магниттік микро және нанобөлшектер биомедициналық және қоршаған орта салаларында қолданылады. Олардың бір қолданылуы – су тазарту: жоғары градиентті магниттік бөлу кезінде, ластанған суға енгізілген магнетит нанобөлшектері ерітілген бөлшектерге (мысалы, қатты заттар, бактериялар немесе планктон) байланысып, сұйықтықтың түбіне шөгеді, бұл ластағыштарды жоюға және магнетит бөлшектерін қайта өңдеуге және қайта пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл әдіс радиоактивті және қатерлі бөлшектермен де жұмыс істейді, сондықтан су жүйелеріне түскен ауыр металдарды тазалаудың маңызды құралы болып табылады. Магниттік нанобөлшектердің тағы бір қолданылуы – ферросуйықтықтар жасау. Олар түрлі мақсаттарда қолданылады. Ферросуйықтықтар адам организміне дәрі-дәрмектерді бағытталған жеткізу үшін пайдаланылуы мүмкін.
Көмір өндіру өнеркәсібі
Көмірді қалдықтардан бөлу үшін тығыз орталы ванналар қолданылды. Бұл техника көмірдің (1,3–1,4 тонна/м³) және тақтатастардың (2,2–2,4 тонна/м³) тығыздықтарының айырмашылығын пайдаланды. Магнетит қосылған судан жасалған орташа тығыздыққа ие ортада тақтатастар батып, көмір жүзіп шықты.
Магнитен
Магнетин – магниттің екі өлшемді, жазық қабаты, өте төмен үйкеліс қасиеттерімен ерекшеленеді.