Введение

Оксид железа(II) (FeO) – минерал, образующийся в восстановительных условиях.

Вюстит (FeO, иногда также записывается как Fe0.95O) – минеральная форма, состоящая преимущественно из оксида железа(II), встречающаяся в метеоритах и самородном железе. Он имеет серый цвет с зеленоватым оттенком в отраженном свете. Вюстит кристаллизуется в изометрической гектооктаэдрической кристаллической системе в виде непрозрачных или полупрозрачных металлических зерен. Твердость по Моосу составляет 5–5,5, а удельный вес – 5,88. Вюстит является типичным примером нестехиометрического соединения. Назван в честь Фрица Вуста (1860–1938), немецкого металлурга и основателя Кайзер-Вильгельмовского института исследования железа (в настоящее время Институт Макса Планка по исследованию железа GmbH). Помимо своего типового местонахождения в Германии, он был обнаружен на острове Диско (Гренландия), в угольном бассейне Джария (Джаркханд, Индия), а также в виде включений в алмазах в ряде кимберлитовых трубок. Также встречается в глубоководных марганцевых конкрециях. Его присутствие свидетельствует о сильно восстановительной среде.

Буфер редоксогеноксидации

Железные минералы на поверхности Земли обычно сильно окислены, образуя гематит с состоянием Fe3+, или в несколько менее окисляющей среде – магнетит, содержащий смесь Fe3+ и Fe2+. В геохимии вустит определяет редокс-буфер окисления в породах, точку, при которой порода настолько восстановлена, что Fe3+, а следовательно, и гематит, отсутствуют. При дальнейшем снижении редокс-состояния породы магнетит превращается в вустит. Это происходит в результате преобразования ионов Fe3+ в магнетите в ионы Fe2+. Пример реакции приведен ниже:
\underset{магнетит}{FeO. Fe2O3} + \underset{графит/алмаз}{C} > {3FeO} + \underset{оксид углерода}{CO}

Формула магнетита точнее записывается как FeO·Fe2O3, чем как Fe3O4. Магнетит состоит из одной части FeO и одной части Fe2O3, а не является твердым раствором вустита и гематита. Магнетит называют редокс-буфером, поскольку до тех пор, пока весь Fe3+ в системе не будет преобразован в Fe2+, минеральный состав железа остается вустит-магнетит. Кроме того, редокс-состояние породы остается на одном и том же уровне кислородной фугативности. Учитывая буферизацию редокс-потенциала (Eh) в системе Fe–O, это можно сравнить с буферизацией pH в кислотно-основной системе H+/OH− воды. После израсходования Fe3+ для дальнейшего восстановления необходимо удалять кислород из системы, и вустит превращается в самородное железо. Минеральный равновесный состав породы становится вустит-магнетит-железо. В природе лишь немногие природные системы химически достаточно восстановлены, чтобы достичь состава вустит-магнетит, включая богатые карбонатом скарны, метеориты, фулгуриты и породы, пораженные молнией, а также, возможно, мантию, где присутствует восстановленный углерод, например, в виде алмаза или графита.

Влияние на силикатные минералы

Соотношение Fe2+ к Fe3+ в породе частично определяет состав силикатных минералов породы. В породе с заданным химическим составом железо включается в минералы в зависимости от общего химического состава и минеральных фаз, стабильных при данной температуре и давлении. Железо может входить в минералы, такие как пироксен и оливин, только в форме Fe2+; Fe3+ не может входить в кристаллическую решетку оливина фаялита, поэтому на каждые два иона Fe3+ используется один ион Fe2+ и образуется одна молекула магнетита. В химически восстановленных породах магнетит может отсутствовать из-за тенденции железа включаться в оливин, а вустит может присутствовать только при избытке железа по сравнению с тем, которое может быть использовано кремнием. Таким образом, вустит может быть найден только в породах с недостаточным содержанием кремния, которые также сильно восстановлены, удовлетворяя как необходимости удаления всего Fe3+, так и удержания железа вне силикатных минералов. В природе этим критериям могут соответствовать карбонатные породы, потенциально карбонатиты, кимберлиты, карбонатные мелилитные породы и другие редкие щелочные породы. Однако вустит редко встречается в большинстве этих пород, возможно, потому что окислительно-восстановительные условия, необходимые для превращения магнетита в вустит, встречаются крайне редко.

Роль в фиксации азота

Примерно 2–3% мирового энергетического бюджета расходуется на процесс Габера для производства аммиака, который использует катализаторы на основе устита. Промышленный катализатор получают из мелкодисперсного порошка железа, обычно получаемого восстановлением магнетита высокой чистоты (Fe3O4). Измельченный железный металл подвергают прокаливанию (окислению) для получения магнетита или устита с заданным размером частиц. Затем частицы магнетита (или устита) частично восстанавливают, удаляя часть кислорода. В результате получающиеся каталитические частицы состоят из ядра магнетита, покрытого оболочкой устита, которая, в свою очередь, окружена внешней оболочкой из металлического железа. Катализатор сохраняет большую часть своего исходного объема в процессе восстановления, что приводит к образованию высокопористого материала с большой удельной поверхностью, повышающей его каталитическую активность.

Историческое использование

По словам Вагна Фабриция Бухвальда, в эпоху железа устит был важным компонентом, облегчающим процесс кузнечной сварки. В древности, когда кузнечное дело осуществлялось в угольной горне, глубокая яма для угля, в которую помещали сталь или железо, обеспечивала сильно восстановительную, практически лишенную кислорода среду, что приводило к образованию тонкого слоя устита на металле. При температуре сварки железо становится крайне реакционноспособным по отношению к кислороду и при контакте с воздухом искрит и образует толстые слои шлака, что делает сварку железа или стали почти невозможной. Чтобы решить эту проблему, древние кузнецы бросали небольшое количество песка на раскаленный добела металл. Содержащийся в песке кремнезем реагирует с уститом, образуя фаялит, который плавится чуть ниже температуры сварки. Это создавало эффективный флюс, который защищал металл от кислорода и способствовал удалению оксидов и примесей, оставляя чистую поверхность, пригодную для сварки. Хотя древние люди не понимали принципов этого процесса, возможность сварки железа способствовала переходу от бронзового века к современности.

Связанные минералы

Вюстит образует твердый раствор с периклазом (MgO), в котором железо замещает магний. Периклаз при гидратации образует бруцит (Mg(OH)2), распространенный продукт метаморфических реакций в серпентинитах. Окисление и гидратация вюстита приводят к образованию гётита и лимонита. Цинк, алюминий и другие металлы могут замещать железо в структуре вюстита. Вюстит в доломитовых скарнах может быть связан с сидеритом (карбонатом железа(II)), волластонитом, энстатитом, диопсидом и магнезитом.