Төмендетілген ортада түзілген темір(II) тотығы (FeO) минералы
Wüstite
Вюстит (FeO) – минерал, құрамында темір(II) оксиді бар. Метеориттерде кездеседі, сұр түсті, металл жылтыры бар. Қасиеттері, құрамы туралы толық ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Темір(II) оксиді (FeO) минералы, тотығуын төмендету жағдайында пайда болады.
Iron(II) oxide (FeO) mineral formed under reducing conditions
Вюстит (FeO, кейде Fe0.95O деп те жазылады) – көбінесе темір(II) оксидінен тұратын минералдық форма, метеориттермен және табиғи темірмен бірге табылады. Ол сұр түсті, шағылысқан жарықта жасыл реңді болады. Вюстит изометриялық гексоктаэдрлі кристалл жүйесінде жартылай мөлдір немесе мөлдір емес металл түйіршіктері түрінде кристалданады. Оның Мосс шкаласы бойынша қаттылығы 5-тен 5,5-ке дейін, ал меншікті салмағы 5,88-ге тең. Вюстит – стехиометриялық емес қосылыстың классикалық мысалы. Вюстит неміс металлургі және Кайзер Вильгельм институтының негізін қалаушы директоры Фриц Вюсттің (1860–1938) құрметіне аталған. Германиядағы типтік орнынан басқа, Гренландияның Диско аралынан, Үндістанның Джаркханд штатындағы Джария көмір кенінен, сондай-ақ бірнеше кимберлит түтікшелеріндегі алмастардың ішінен де табылған. Бұған қоса, теңіз түбіндегі марганец түйіндерінде де кездеседі. Оның болуы күшті тотығуын төмендету ортасын көрсетеді.
Wüstite (FeO, sometimes also written as Fe0.95O) is a mineral form of mostly iron(II) oxide found with meteorites and native iron. It has a grey colour with a greenish tint in reflected light. Wüstite crystallizes in the isometric hexoctahedral crystal system in opaque to translucent metallic grains. It has a Mohs hardness of 5 to 5.5 and a specific gravity of 5.88. Wüstite is a typical example of a non stoichiometric compound. Wüstite was named after Fritz Wüst (1860–1938), a German metallurgist and founding director of the Kaiser Wilhelm Institut für Eisenforschung (presently Max Planck Institute for Iron Research GmbH). In addition to its type locality in Germany, it has been reported from Disko Island, Greenland; the Jharia coalfield, Jharkhand, India; and as inclusions in diamonds in a number of kimberlite pipes. It also is reported from deep sea manganese nodules. Its presence indicates a highly reducing environment.
Wüstite тотықсыздандыру буфері
Жер бетіндегі темір минералдары әдетте толығымен тотыққан, гематит түзеді, Fe3+ күйінде, немесе аздап тотықсыздану ортасында – магнит, Fe3+ және Fe2+ қоспасымен. Геохимияда вюстит тау жыныстарындағы тотығудың редокс буферін анықтайды, яғни тау жынысы Fe3+ және осымен гематит жоқ болғанша тотықсыздануға ұшырайды. Тау жынысының редокс күйі одан әрі төмендегенде, магнит вюститке айналады. Бұл магниттегі Fe3+ иондарының Fe2+ иондарына өтуі арқасында болады. Төменде реакцияның мысалы келтірілген:
\underset{магнетит}{FeO. Fe2O3} + \underset{графит/алмаз}{C} > {3FeO} + \underset{көміртек монооксиді}{CO}
Iron minerals on the Earth's surface are typically richly oxidized, forming hematite, with Fe3+ state, or in somewhat less oxidizing environments, magnetite, with a mixture of Fe3+ and Fe2+. Wüstite, in geochemistry, defines a redox buffer of oxidation within rocks at which point the rock is so reduced that Fe3+, and thus hematite, is absent. As the redox state of a rock is further reduced, magnetite is converted to wüstite. This occurs by conversion of the Fe3+ ions in magnetite to Fe2+ ions. An example reaction is presented below:
\underset{magnetite}{FeO. Fe2O3} + \underset{graphite/diamond}{C} > {3FeO} + \underset{carbon\ monoxide}{CO}
Магнетит формуласы Fe3O4 емес, FeO·Fe2O3 ретінде дұрыс жазылады. Магнетит – устит пен гематиттің қатты ерітіндісі емес, бір бөлігі FeO және бір бөлігі Fe2O3. Магнетит редокс буфері деп аталады, себебі жүйедегі барлық Fe3+ Fe2+ түріне айналғанша, темірдің оксид минералды жиынтығы магнит-вюстит болып қалады. Сонымен қатар, тау жынысының редокс күйі оттегінің бірдей парциалдық қысымы деңгейінде сақталады. Fe–O редокс жүйесінде редокс потенциалын (Eh) буферлеуді ескере отырып, оны судың H+/OH− қышқылдық-негіздік жүйесіндегі pH буферлеумен салыстыруға болады. Fe3+ тотықсызданғаннан кейін, оны одан әрі азайту үшін жүйеден оттегі алынып тасталуы керек, сонда вюстит табиғи темірге айналады. Тау жынысының оксид минералды тепе-теңдік жиынтығы вюстит-магнетит-темірге айналады. Табиғатта, химиялық тұрғыдан вюстит-магнетит құрамына жету үшін жеткілікті тотықсыздануға ұшыраған табиғи жүйелер сирек кездеседі, олардың ішінде карбонатқа бай сарндар, метеориттер, фулгуриттер және шағын метеориттерден зардап шеккен тау жыныстары, сондай-ақ алмаз немесе графит мысалындағы азайтылған көміртек бар мантия жатады.
The formula for magnetite is more accurately written as FeO·Fe2O3 than as Fe3O4. Magnetite is one part FeO and one part Fe2O3, rather than a solid solution of wüstite and hematite. Magnetite is termed a redox buffer because, until all Fe3+ present in the system is converted to Fe2+, the oxide mineral assemblage of iron remains wüstite magnetite. Furthermore, the redox state of the rock remains at the same level of oxygen fugacity. Considering buffering the redox potential (Eh) in the Fe–O redox system, this can be compared to buffering the pH in the H+/OH− acid–base system of water. Once the Fe3+ is consumed, then oxygen must be stripped from the system to further reduce it and wüstite is converted to native iron. The oxide mineral equilibrium assemblage of the rock becomes wüstite–magnetite–iron. In nature, the only natural systems which are chemically reduced enough to even attain a wüstite–magnetite composition are rare, including carbonate rich skarns, meteorites, fulgurites and lightning affected rock, and perhaps the mantle where reduced carbon is present, exemplified by the presence of diamond or graphite.
Силикатты минералдарға әсері
Тау жынысы құрамындағы Fe2+ пен Fe3+ арақатынасы, ішінара, тау жынысының силикатты минералдар жиынтығын анықтайды. Белгілі бір химиялық құрамға ие тау жынысы ішінде темір, сол температура мен қысымда тұрақты болатын химиялық құрам мен минералды фазаларға сәйкес минералдарға енеді. Темір пироксин және оливин сияқты минералдарға тек Fe2+ түрінде болған жағдайда ғана сіңе алады; Fe3+ фаялит оливинінің кристалдық торына енбейді, сондықтан әр екі Fe3+ ионы үшін бір Fe2+ пайдаланылады және бір магнетит молекуласы түзіледі. Химиялық жағынан тотығуға ұшыраған тау жыныстарында магниттің болуы оливинге темірдің енуіне байланысты болуы мүмкін, ал устит кремнийдің жетіспеуінен туындаған артық темір болған жағдайда ғана кездеседі. Осылайша, устит тек кремнийге қанықпаған және химиялық жағынан тотығуға ұшыраған құрастарда ғана табылуы мүмкін, бұл барлық Fe3+ иондарын жою қажеттілігін және темірді силикатты минералдардан тыс ұстау талабын қанағаттандырады. Табиғатта карбонатты жыныстар, карбонатиттер, кимберлиттер, карбонатты мелилиттер және басқа сирек сілтілі жыныстар осы шарттарға сай болуы мүмкін. Дегенмен, осы жыныстардың көпшілігінде устит кездеспейді, себебі магнетитті уститке айналдыруға қажетті тотығу-тотықсыздану күйі (redox state) өте сирек.
The ratio of Fe2+ to Fe3+ within a rock determines, in part, the silicate mineral assemblage of the rock. Within a rock of a given chemical composition, iron enters minerals based on the bulk chemical composition and the mineral phases which are stable at that temperature and pressure. Iron may only enter minerals such as pyroxene and olivine if it is present as Fe2+; Fe3+ cannot enter the lattice of fayalite olivine and thus for every two Fe3+ ions, one Fe2+ is used and one molecule of magnetite is created. In chemically reduced rocks, magnetite may be absent due to the propensity of iron to enter olivine, and wüstite may only be present if there is an excess of iron above what can be used by silica. Thus, wüstite may only be found in silica undersaturated compositions which are also heavily chemically reduced, satisfying both the need to remove all Fe3+ and to maintain iron outside of silicate minerals. In nature, carbonate rocks, potentially carbonatite, kimberlites, carbonate bearing melilitic rocks, and other rare alkaline rocks may satisfy these criteria. However, wüstite is not reported in most of these rocks in nature, potentially because the redox state necessary to drive magnetite to wüstite is so rare.
Азотты бекітудегі рөлі
Әлемдік энергия бюджетінің шамамен 2–3% аммиак өндіруге арналған Хабер процесіне жұмсалады, ол виститтен алынған катализаторларға негізделген. Өнеркәсіптік катализатор ұсақ ұнтақталған темір ұнтағынан жасалады, ол әдетте жоғары тазалықтағы магнетитті (Fe3O4) тотығудан айыру арқылы алынады. Ұнтақталған темір металл белгілі бір бөлшек мөлшері бар магнетит немесе вистит алу үшін күйдіріледі (тотықтырылады). Магнетит (немесе вистит) бөлшектері кейін жартылай тотығудан айырылады, осы процесте бір бөлігі оттегі алынып тасталады. Нәтижесіндегі катализатор бөлшектері магнетиттен тұратын өзегінен, вистит қабығымен оралған, ал одан сыртқа темір металл қабығымен оралған. Тотығудан айыру кезінде катализатор көлемінің көп бөлігін сақтайды, нәтижесінде жоғары кеуекті, үлкен беті бар материал пайда болады, бұл оның катализатор ретінде тиімділігін арттырады.
Approximately 2–3% of the world's energy budget is allocated to the Haber process for ammonia production, which relies on wüstite derived catalysts. The industrial catalyst is derived from finely ground iron powder, which is usually obtained by reduction of high purity magnetite (Fe3O4). The pulverized iron metal is burnt (oxidized) to give magnetite or wüstite of a defined particle size. The magnetite (or wüstite) particles are then partially reduced, removing some of the oxygen in the process. The resulting catalyst particles consist of a core of magnetite, encased in a shell of wüstite, which in turn is surrounded by an outer shell of iron metal. The catalyst maintains most of its bulk volume during the reduction, resulting in a highly porous high surface area material, which enhances its effectiveness as a catalyst.
Тарихи қолданысы
Вагн Фабрициус Бухвальдтың пікірінше, устит темір дәуірінде металлдарды біріктіру процесін жеңілдету үшін маңызды компонент болған. Ежелгі заманда, көмірмен қыздырылатын пеште теміршілік жасалған кезде, болат немесе темір салынған терең көмір шұңқыры, металл бетінде жұқа устит қабатын түзетін, оттегіге қатысты өте төмендеу және дерлік оттегі жоқ ортаны қамтамасыз еткен. Дәнекерлеу температурасында темір оттегімен өте белсенді болады, ауамен жанасқанда ұшқын шығарып, қалың шлак қабаттарын түзетіп, темірді немесе болатты дәнекерлеуді қиын етеді. Бұл мәселені шешу үшін ежелгі теміршілер ақ қызған металға аз мөлшерде құм сепкен. Құмдағы кремний диоксиді уститпен әрекеттесіп, фаялитті түзген, ол дәнекерлеу температурасынан сәл төмен балқиды. Бұл металлдың оттегіден қорғалуын және оксидтер мен қоспаларды кетіруге көмектесетін тиімді флюстың пайда болуын қамтамасыз етті, нәтижесінде дәнекерлеуге дайын таза бет пайда болды. Ежелгі адамдар бұл процестің қалай жұмыс істейтінін білмесе де, темірді дәнекерлеу мүмкіндігі қола дәуірінен қазіргі заманға өтуге үлкен үлес қосты.
According to Vagn Fabritius Buchwald, wüstite was an important component during the Iron Age to facilitate the process of forge welding. In ancient times, when blacksmithing was performed using a charcoal forge, the deep charcoal pit in which the steel or iron was placed provided a highly reducing, virtually oxygen free environment, producing a thin wüstite layer on the metal. At the welding temperature, the iron becomes highly reactive with oxygen, and will spark and form thick layers of slag when exposed to the air, which makes welding the iron or steel nearly impossible. To solve this problem, ancient blacksmiths would toss small amounts of sand onto the white hot metal. The silica in the sand reacts with the wüstite to form fayalite, which melts just below the welding temperature. This produced an effective flux that shielded the metal from oxygen and helped extract oxides and impurities, leaving a pure surface that can weld readily. Although the ancients had no knowledge of how this worked, the ability to weld iron contributed to the movement out of the Bronze Age and into the modern.
Қарым-қатынас минералдар
Вюстит периклазбен (MgO) және магнийдің теміре алмастырғыштарымен қатты ерітінді түзеді. Периклаз суланғанда бруцитке (Mg(OH)2) айналады, ол серпентинит метаморфтық реакцияларының жиі кездесетін өнімі болып табылады. Вюститтің тотығуы мен сулануы нәтижесінде гоетит және лимонит пайда болады. Вюститтегі темірді цинк, алюминий және басқа металдар алмастыра алады. Доломит шкарналарындағы вюстит сидерит (темір(II) карбонаты), волластонит, энстатит, диопсид және магнезитпен байланысты болуы мүмкін.
Wüstite forms a solid solution with periclase (MgO), and iron substitutes for magnesium. Periclase, when hydrated, forms brucite (Mg(OH)2), a common product of serpentinite metamorphic reactions. Oxidation and hydration of wüstite forms goethite and limonite. Zinc, aluminium, and other metals may substitute for iron in wüstite. Wüstite in dolomite skarns may be related to siderite (iron(II) carbonate), wollastonite, enstatite, diopside, and magnesite.