Введение

Обычный минерал оксида железа, минерал гематит ( /ˈh//iː//m//ə//, / /t//aɪ//t//, /ˈh//ɛ//m//ə// /), также пишется как гематит, – это распространенное соединение оксида железа с формулой Fe2O3, широко встречающееся в горных породах и почвах. Кристаллы гематита принадлежат к ромбоэдрической кристаллической системе и обозначаются как альфа-полиморф. Он имеет ту же кристаллическую структуру, что и корунд и ильменит, и образует с ними полный твердый раствор при температурах выше 950 °C (1742 °F). В природе гематит встречается в черном, стальном или серебристо-сером, коричневом, красновато-коричневом или красном цветах. Он добывается как важное железное рудное вещество и является электропроводником. Разновидностями гематита являются почечная руда, мартит (псевдоморфозы по магнетиту), железная роза и спекулярит (зеркальный гематит). Несмотря на различия в форме, все они имеют ржаво-красный цвет черты. Гематит не только тверже чистого железа, но и гораздо более хрупкий. Магемит является полиморфной модификацией гематита (γ) с той же химической формулой, но со шпинельной структурой, как у магнетита. Крупные месторождения гематита встречаются в полосчатых железных формациях. Серый гематит обычно встречается в местах со стоячей водой или минеральными горячими источниками, таких как в Йеллоустонском национальном парке в Северной Америке. Минерал может осаждаться в воде и накапливаться слоями на дне озера, источника или другого водоема. Гематит также может образовываться в отсутствие воды, обычно в результате вулканической активности. Кристаллы гематита размером с глину также могут встречаться как вторичный минерал, образующийся в результате процессов выветривания в почве, наряду с другими оксидами железа или оксигидроксидами, такими как гётит, который отвечает за красный цвет многих тропических, древних или сильно выветренных почв.

Этимология и история

Название гематит происходит от греческого слова, означающего кровь (haima), из-за красного цвета, встречающегося в некоторых разновидностях гематита. Красная охра содержит безводный гематит, а жёлтая охра – гидратированный гематит (Fe2O3 · H2O). Основное применение охры – придание стойкого цвета. Остатки гематита также находят в захоронениях возрастом 80 000 лет. Вблизи Рыдно (Польша) и Ловаша (Венгрия) обнаружены рудники красного мела, датируемые 5000 годом до нашей эры и принадлежащие культуре линейной керамики Верхнего Рейна. Богатые залежи гематита были найдены на острове Эльба и разрабатывались со времён этрусков. Подземная добыча гематита классифицируется как канцерогенный фактор для человека.

Магнетизм

Гематит проявляет лишь очень слабую реакцию на магнитное поле. В отличие от магнетита, он не заметно притягивается к обычному магниту. Гематит является антиферромагнитным материалом ниже перехода Морина при , и наклонным антиферромагнитом или слабо ферромагнитным выше перехода Морина и ниже его температуры Нееля при , выше которой он становится парамагнитным. Магнитная структура α-гематита была предметом значительных дискуссий и дебатов в 1950-х годах, поскольку он казался ферромагнитным с температурой Кюри приблизительно , но с чрезвычайно малым магнитным моментом (0,002 магнитона Бора). Удивление усиливал переход при понижении температуры около в фазу, не имеющую результирующего магнитного момента. Было показано, что система по существу антиферромагнитна, но низкая симметрия катионных позиций позволяет спин-орбитальному взаимодействию вызывать наклон моментов, когда они лежат в плоскости, перпендикулярной оси c. Исчезновение момента при понижении температуры при вызвано изменением анизотропии, которое приводит к выравниванию моментов вдоль оси c. В этой конфигурации наклон спина не снижает энергию. Магнитные свойства массивного гематита отличаются от свойств его наноразмерных аналогов. Например, температура перехода Морина гематита уменьшается с уменьшением размера частиц. Подавление этого перехода наблюдается в наночастицах гематита и связывается с наличием примесей, молекул воды и дефектов в кристаллической решетке. Гематит является частью сложной системы твердых растворов оксигидроксидов с различным содержанием H2O (воды), гидроксильных групп и вакансий, которые влияют на магнитные и кристаллические химические свойства минерала. Два других крайних члена называются протогематитом и гидрогематитом. Повышенная магнитная коэрцитивность гематита была достигнута путем сухой термообработки двухлинейного предшественника ферригидрита, полученного из раствора. Гематит демонстрирует температурно-зависимые значения магнитной коэрцитивности в диапазоне . Происхождение этих высоких значений коэрцитивности было интерпретировано как следствие субчастичной структуры, индуцированной различными скоростями роста частиц и кристаллитов при повышении температуры отжига. Эти различия в скоростях роста приводят к прогрессивному развитию субчастичной структуры в наномасштабе (сверхмалом). При более низких температурах (350–600 °C) кристаллизуются отдельные частицы. Однако при более высоких температурах (600–1000 °C) благоприятствуется рост кристаллических агрегатов и субчастичной структуры.

Отходы шахт

Гематит содержится в отвалах железных рудников. Недавно разработанный процесс, магнетизация, использует магниты для извлечения гематита из старых хвостохранилищ в обширном железном районе Месаби-Рендж штата Миннесота. Красная охра Фалу – пигмент, используемый в традиционных шведских красках для домов. Изначально она производилась из отходов рудника Фалу.

Марс

Спектральная подпись гематита была зарегистрирована на планете Марс инфракрасным спектрометром, установленным на борту аппаратов "Марсианский глобальный исследователь" (Mars Global Surveyor) и "Марс Одиссея-2001" (2001 Mars Odyssey), находящихся на орбите вокруг Марса. Минерал был обнаружен в большом количестве в двух областях планеты: Terra Meridiani, расположенной вблизи марсианского экватора на 0° долготы, и Aram Chaos, недалеко от Valles Marineris. Гематит также был зафиксирован в нескольких других областях, таких как Aureum Chaos. Поскольку на Земле гематит обычно образуется в водных средах или в результате водного изменения пород, это открытие представляло значительный научный интерес, что послужило причиной отправки второго из двух марсоходов для исследования Марса в район Terra Meridiani, получивший название Meridiani Planum. Непосредственные исследования, проведенные марсоходом Opportunity, показали значительное количество гематита, большая часть которого представлена в виде небольших "марсианских сферических образований", неофициально прозванных "голубиками" научной группой. Анализ указывает на то, что эти сферические образования, вероятно, являются конкрециями, сформировавшимися из водного раствора. "Понимание того, как образовался гематит на Марсе, поможет нам охарактеризовать условия окружающей среды в прошлом и определить, были ли они благоприятны для существования жизни".

Ювелирные изделия

Гематит часто шлифуют в бусины, галтованные камни и другие компоненты для ювелирных изделий. Ранее гематит использовался для изготовления траурных украшений.

Пигмент

Гематит использовался для получения пигментов с самых ранних этапов развития изобразительного искусства, например, для росписи стен пещер и других поверхностей, и непрерывно применялся в художественных произведениях на протяжении всей истории. Он служит основой для красных, пурпурных и коричневых пигментов оксида железа, а также является важным компонентом пигментов охры, сиены и умбры.

Промышленные цели

Как уже упоминалось, гематит является важным минералом для железной руды. Физические свойства гематита также находят применение в производстве медицинского оборудования, судостроении и добыче угля. Благодаря высокой плотности и способности эффективно поглощать рентгеновское излучение, он часто используется в радиационной защите. Подобно другим железным рудам, он часто служит компонентом балластных цистерн судов благодаря своей плотности и экономичности. В угольной промышленности его можно использовать для создания раствора с высокой плотностью, который помогает отделять угольную пыль от примесей.