Введение

Железная руда – минерал, магнетит в его естественном залегании.

Магнетит – минерал и одна из основных железных руд с химической формулой Fe(II)Fe(III)O4. Это один из оксидов железа, обладающий ферримагнитными свойствами: он притягивается к магниту и может быть намагничен, становясь при этом постоянным магнитом. За исключением крайне редких месторождений самородного железа, магнетит является самым магнитным из всех природных минералов на Земле. Естественно намагниченные куски магнетита, известные как магнитный камень (или магнетит), притягивают мелкие железные частицы, что и позволило древним людям впервые открыть явление магнетизма. Магнетит имеет черный или коричневато-черный цвет с металлическим блеском, твердость по шкале Мооса 5–6 и оставляет черный след. Его химическое название по IUPAC – оксид железа(II,III), а распространенное химическое название – двух- и трехвалентный оксид железа.

Свойства

Помимо магматических пород, магнетит также встречается в осадочных породах, включая полосчатые железные формации, а также в озерных и морских отложениях как в виде детритных зерен, так и в виде магнитофоссилов. Предполагается, что наночастицы магнетита также формируются в почвах, где они, вероятно, быстро окисляются до маггемита.

Кристальная структура

Химический состав магнетита составляет Fe2+(Fe3+)2(O2)4. Это указывает на то, что магнетит содержит как двухвалентное (Fe2+), так и трехвалентное (Fe3+) железо, что свидетельствует о кристаллизации в среде со средним содержанием кислорода. Являясь представителем группы обратных шпинелей, магнетит способен образовывать твердые растворы с минералами, имеющими схожую структуру, включая ульвоспинель (Fe2TiO4) и магнезоферрит (MgFe2O4). Титаномагнетит, также известный как титанистый магнетит, представляет собой твердый раствор между магнетитом и ульвоспинелем, который кристаллизуется во многих ультрамафических и мафических магматических породах. Титаномагнетит может подвергаться окси-эксолюции при охлаждении, в результате чего в нем образуются включения магнетита и ильменита.

Морфология и размер кристаллов

Природный и синтетический магнетит наиболее часто встречается в виде октаэдрических кристаллов, ограниченных плоскостями {111}, и в виде ромбических додекаэдров. Как правило, магматические породы содержат твердые растворы титаномагнетита и гемоилменита или титаногематита. Состав этих минеральных пар используется для расчета парциального давления кислорода: в магмах наблюдается широкий диапазон окислительных условий, а степень окисления помогает определить, как магмы могут эволюционировать в результате фракционной кристаллизации. Магнетит также образуется из перидотитов и дунитов в процессе серпентинизации.

Магнитные свойства

Каменные магниты использовались в качестве ранней формы магнитного компаса. Магнетит является важным инструментом в палеомагнетизме – науке, имеющей важное значение для понимания тектоники плит и служащей историческими данными для магнитогидродинамики и других научных областей. Связи между магнетитом и другими минералами оксидов железа, такими как илменит, гематит и ульвоспинель, широко изучались; реакции между этими минералами и кислородом влияют на то, как и когда магнетит сохраняет запись магнитного поля Земли. При низких температурах магнетит претерпевает фазовый переход кристаллической структуры от моноклинной к кубической, известный как переход Вервея. Оптические исследования показывают, что этот переход от металла к изолятору происходит резко и наблюдается при температуре около 120 К. Переход Вервея зависит от размера зерен, состояния доменов, давления и стехиометрии железа и кислорода. Изотропная точка также возникает вблизи перехода Вервея, при температуре около 130 К, в которой знак константы магнитокристаллической анизотропии изменяется с положительного на отрицательный. Температура Кюри магнетита составляет…

Если магнетит присутствует в достаточно большом количестве, его можно обнаружить при аэромагнитных съемках с помощью магнитометра, измеряющего магнитную напряженность.

Точка плавления

Твердые частицы магнетита плавятся при температуре около 1590 градусов Цельсия.

Распределение депозитов

Магнетит иногда встречается в больших количествах в пляжном песке. Такие черные пески (минеральные или железные пески) встречаются в различных местах, таких как Лунг-Кву-Тан в Гонконге, Калифорния (США) и западное побережье Северного острова Новой Зеландии. Магнетит, вымываемый из горных пород, переносится к пляжу реками и концентрируется волновым действием и течениями. Обширные месторождения обнаружены в полосатых железных формациях. Эти осадочные породы использовались для определения изменений содержания кислорода в атмосфере Земли. Крупные залежи магнетита также найдены в регионе Атакама в Чили (Чилийский железный пояс), в районе Валентинс в Уругвае, Кируне (Швеция), в районе Таллаванг (Новый Южный Уэльс) и в горах Адирондак (Нью-Йорк, США). Кедьет-эдж-Джилл, высочайшая гора Мавритании, состоит целиком из этого минерала. В муниципалитетах Молинасека, Альбарес и Рабаналь-дель-Камино, в провинции Леон (Испания), находится месторождение магнетита в ордовикских породах, считающееся одним из крупнейших в Европе. Оно разрабатывалось с 1955 по 1982 год. Месторождения также имеются в Норвегии, Румынии и Украине. Песчаные дюны, богатые магнитом, встречаются в южной части Перу. В 2005 году компания Cardero Resources обнаружила обширные залежи песчаных дюн, содержащих магнетит, в Перу. Площадь дюн составляет 250 квадратных километров, при этом высота самой высокой дюны превышает 2000 метров над уровнем пустыни. Песок содержит 10% магнетита. В достаточно больших количествах магнетит может влиять на компасную навигацию. В Тасмании существует множество районов с сильно намагниченными породами, которые могут существенно влиять на показания компасов. Для минимизации навигационных проблем при использовании компаса в Тасмании требуются дополнительные меры предосторожности и повторные наблюдения. Кристаллы магнетита с кубической формой встречаются редко, но были обнаружены в Балмате (округ Сент-Лоуренс, штат Нью-Йорк) и Лангбане (Швеция). Такая форма может быть результатом кристаллизации в присутствии катионов, таких как цинк. Магнетит также может встречаться в ископаемых в результате биоминерализации и называется магнитофоссилами. Существуют также образцы магнетита внеземного происхождения, обнаруженные в метеоритах.

Биологические явления

Биомагнетизм обычно связан с наличием биогенных кристаллов магнетита, которые широко распространены в организмах. Эти организмы варьируются от магнитотактических бактерий (например, *Magnetospirillum magnetotacticum*) до животных, включая человека, у которых кристаллы магнетита (и другие магниточувствительные соединения) обнаруживаются в различных органах, в зависимости от вида. Биомагнетиты объясняют влияние слабых магнитных полей на биологические системы. Существует также химическая основа для клеточной чувствительности к электрическим и магнитным полям (гальванотаксис). Чистые частицы магнетита биоминерализуются в магнитосомах, которые производятся несколькими видами магнитотактических бактерий. Магнитосомы состоят из длинных цепочек ориентированных частиц магнетита, используемых бактериями для навигации. После гибели этих бактерий частицы магнетита в магнитосомах могут сохраняться в отложениях в виде магнитофоссилов. Некоторые типы анаэробных бактерий, не являющихся магнитотактическими, также способны создавать магнетит в бескислородных отложениях, восстанавливая аморфный оксид железа до магнетита. Известно, что несколько видов птиц включают кристаллы магнетита в верхний клюв для магниторецепции, что (в сочетании с криптохромами в сетчатке) позволяет им воспринимать направление, полярность и величину окружающего магнитного поля. У хитонов, типа моллюсков, имеется структура, подобная языку, известная как радула, покрытая зубами, покрытыми магнетитом, или зубчиками. Твёрдость магнетита помогает в измельчении пищи. Биологический магнетит может хранить информацию о магнитных полях, которым подвергался организм, потенциально позволяя учёным узнать о миграции организма или об изменениях магнитного поля Земли с течением времени.

Человеческий мозг

Живые организмы способны производить магнетит. В мозге железо встречается в трех формах – магнетит, гемоглобин (в крови) и ферритин (белок), при этом области мозга, отвечающие за двигательную функцию, как правило, содержат больше железа. Магнетит обнаруживается в гиппокампе, который связан с обработкой информации, в частности с обучением и памятью. Исследования показывают, что бета-амилоидные бляшки и тау-белки, ассоциированные с нейродегенеративными заболеваниями, часто возникают после окислительного стресса и накопления железа, что позволяет предположить, что это может давать некоторым людям возможность использовать магниторецепцию для навигации. Роль магнетита в мозге до сих пор недостаточно изучена, и наблюдается отставание в применении современных междисциплинарных методов к изучению биомагнетизма. Сканирование образцов ткани мозга человека с помощью электронного микроскопа позволяет различать магнетит, производимый клетками организма, и магнетит, поглощенный из загрязненного воздуха. При этом природные формы имеют шероховатую, кристаллическую структуру, а частицы загрязнения – форму округлых наночастиц. Воздушный магнетит, потенциально опасный для здоровья, является продуктом загрязнения, особенно при сгорании. Эти наночастицы могут проникать в мозг через обонятельный нерв, повышая концентрацию магнетита. Такие частицы теоретически могут способствовать развитию заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера. Хотя причинно-следственная связь пока не установлена, лабораторные исследования показывают, что оксиды железа, такие как магнетит, входят в состав белковых бляшек в мозге, которые связаны с болезнью Альцгеймера. У пациентов с болезнью Альцгеймера в определенных областях мозга обнаружены повышенные уровни железа, в частности, магнитного железа. Мониторинг изменений концентрации железа может позволить выявлять потерю нейронов и развитие нейродегенеративных заболеваний до появления симптомов. В доменных печах его восстанавливают до чугуна или губчатого железа для последующего преобразования в сталь.

Магнитная запись

Аудиозапись с использованием магнитной ацетатной ленты была разработана в 1930-х годах. Немецкий магнитофон впервые использовал порошок магнетита, который компания BASF наносила на ацетат целлюлозы, но вскоре перешла на гамма-железоокись из-за её лучшей морфологии. После Второй мировой войны компания 3M продолжила работу над немецкой конструкцией. В 1946 году исследователи 3M обнаружили, что они также могут улучшить свою собственную бумажную магнитную ленту, в которой использовались порошки кубических кристаллов, заменив магнетит игольчатыми частицами гамма-железоокиси (γ Fe2O3).

Наночастицы магнитита

Магнитные микро- и наночастицы используются в широком спектре применений, от биомедицинских до экологических. Одно из таких применений – очистка воды: в высокоградиентной магнитной сепарации наночастицы магнетита, добавленные в загрязненную воду, связываются со взвешенными частицами (например, твердыми веществами, бактериями или планктоном) и оседают на дно жидкости, что позволяет удалить загрязнители и переработать частицы магнетита для повторного использования. Этот метод эффективен также для удаления радиоактивных и канцерогенных частиц, что делает его важным инструментом для очистки водных систем, загрязненных тяжелыми металлами. Другое применение магнитных наночастиц – создание феррожидкостей, которые находят применение в различных областях. В частности, феррожидкости могут использоваться для целевой доставки лекарственных препаратов в организме человека.

Добыча угля

Для отделения угля от отходов использовались плотные среды. В этой технике использовалась разница в плотности между углем (1,3–1,4 тонны на м3) и сланцами (2,2–2,4 тонны на м3). В среде с промежуточной плотностью (вода с магнетитом) камни опускались на дно, а уголь оставался на поверхности.

Магнетен

Магнетен — это двумерный плоский лист магнетита, примечательный своими ультранизкими фрикционными свойствами.