Магнетит

Магнетит — это широко распространённый минерал класса оксидов, природный оксид железа с химической формулой Fe₃O₄ (или FeO·Fe₂O₃). Является важнейшей железной рудой (содержит до 72,4 % железа) и обладает сильными ферромагнитными свойствами, благодаря чему получил своё название (от греч. «магнетис» — магнит). Магнетит — один из главных компонентов многих магматических, метаморфических и осадочных горных пород, а также входит в состав некоторых биологических объектов.

Физические и химические свойства

Магнетит представляет собой непрозрачный минерал чёрного или тёмно-серого цвета с металлическим или полуметаллическим блеском. Твёрдость по шкале Мооса составляет 5,5–6,5, плотность — 4,9–5,2 г/см³. Сингония кубическая, кристаллы обычно имеют октаэдрический, реже ромбододекаэдрический облик. Характерен излом раковистый или неровный. Минерал хрупок.

Главное отличительное свойство магнетита — сильный ферромагнетизм. Он способен притягиваться к магниту и сам может намагничиваться, становясь постоянным магнитом. Точка Кюри (температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают) для магнетита составляет около 580 °C. При нагревании выше этой температуры магнетит переходит в парамагнитное состояние.

В химическом отношении магнетит устойчив, но медленно растворяется в концентрированных кислотах (соляной, серной, азотной). При длительном выветривании в присутствии кислорода и воды магнетит окисляется, переходя в гематит (Fe₂O₃) или лимонит (FeO(OH)·nH₂O). Этот процесс называется мартитизацией, а псевдоморфозы гематита по магнетиту — мартитом.

Кристаллическая структура

Магнетит имеет структуру обращённой шпинели. В элементарной ячейке ионы кислорода (O²⁻) образуют кубическую плотнейшую упаковку. Катионы железа занимают тетраэдрические и октаэдрические пустоты в этой упаковке. Особенность структуры заключается в том, что в октаэдрических позициях находятся ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ в равных количествах, а в тетраэдрических — только Fe³⁺. Быстрый обмен электронами между ионами Fe²⁺ и Fe³⁺ в октаэдрических позициях и обусловливает высокую электропроводность и магнитные свойства магнетита.

Разновидности

Выделяют несколько разновидностей магнетита, различающихся по составу и морфологии:

• Титаномагнетит — содержит примесь титана (до 15–20 % TiO₂), часто в виде твёрдого раствора с ульвошпинелью (Fe₂TiO₄). Является важным компонентом основных магматических пород.
• Ванадиевый магнетит — содержит примесь ванадия (V₂O₅ до 1–2 %), что повышает его промышленную ценность.
• Хроммагнетит — содержит примесь хрома (Cr₂O₃ до 10–20 %), встречается в ультраосновных породах.
• Магнитный песок — мелкозернистые скопления магнетита в россыпях, часто обогащённые титаном и ванадием.

Происхождение и месторождения

Магнетит образуется в различных геологических условиях. Основные генетические типы месторождений:

• Магматические — образуются при кристаллизации магмы основного и ультраосновного состава. Крупные месторождения титаномагнетитов связаны с расслоенными интрузивами (например, Бушвельдский комплекс в ЮАР, месторождения Скандинавии, Урала).
• Скарновые (контактово-метасоматические) — формируются на контакте магматических пород с карбонатными (известняками, доломитами) под воздействием горячих растворов. Это один из важнейших промышленных типов. Крупные скарновые месторождения магнетита известны на Урале (гора Магнитная, гора Высокая, гора Благодать), в Казахстане (Соколовско-Сарбайское), в Сибири (Коршуновское, Тагарское).
• Метаморфические — образуются при метаморфизме железистых кварцитов (джеспилитов). К этому типу относятся крупнейшие месторождения мира — Курская магнитная аномалия (КМА) в России, Криворожский бассейн на Украине, месторождения района озера Верхнее в США и Канаде.
• Гидротермальные — связаны с деятельностью горячих минерализованных растворов, часто встречаются в жилах.
• Экзогенные (осадочные) — образуются в прибрежно-морских и речных россыпях за счёт разрушения магнетитсодержащих пород. Магнетитовые пески встречаются на побережьях многих морей (например, в Чёрном море, у берегов Новой Зеландии).

Крупнейшие месторождения магнетита в мире: КМА (Россия), Кривой Рог (Украина), Бушвельд (ЮАР), месторождения района озера Верхнее (США, Канада), Кируна (Швеция), Дама (Индия).

Применение

В металлургии

Магнетит является главным сырьём для производства чугуна и стали. Из магнетитовых руд выплавляют чугун в доменных печах, а затем перерабатывают его в сталь. Высокое содержание железа и низкое содержание вредных примесей (серы, фосфора) делают магнетитовые руды одними из наиболее ценных. Титаномагнетитовые и ванадиевые руды используются для получения ферротитана и феррованадия — важных легирующих добавок.

В промышленности

• Производство магнитов — из магнетита изготавливают постоянные магниты (в чистом виде или в составе ферритов).
• Тяжёлые среды — тонкоизмельчённый магнетит используется для приготовления суспензий, применяемых при обогащении полезных ископаемых (гравитационное разделение угля, руд).
• Катализаторы — магнетит применяется как катализатор в некоторых химических процессах, например, в синтезе аммиака (процесс Габера — Боша).
• Пигменты — чёрный пигмент на основе магнетита используется в производстве красок, цемента, пластмасс.
• Магнитные жидкости — коллоидные растворы наночастиц магнетита в жидкости (феррофлюиды) применяются в технике (уплотнения, демпферы, динамики).

В науке и технике

• Палеомагнитология — магнетит является главным носителем остаточной намагниченности горных пород. Изучение его магнитных свойств позволяет реконструировать положение магнитных полюсов Земли в прошлом, определять возраст пород и изучать движение литосферных плит.
• Биоминерализация — магнетит обнаружен в организмах некоторых бактерий (магнитотактические бактерии), а также в тканях пчёл, голубей, дельфинов и даже человека. Считается, что он играет роль в способности животных к ориентации по магнитному полю Земли.
• Медицина — наночастицы магнетита используются в качестве контрастного вещества для магнитно-резонансной томографии (МРТ), для адресной доставки лекарств и в гипертермии (нагревание опухолей в переменном магнитном поле).

Интересные факты

• С магнетитом связано название магнитного железняка, известного с древности. Легенда гласит, что пастух Магнес впервые обнаружил, что его сандалии, подбитые железными гвоздями, прилипают к чёрным камням на горе Ида (Крит).
• Магнетит является одним из немногих минералов, который может быть природным магнитом. Такие образцы называют «естественными магнитами» или «магнитными камнями».
• В 1960-х годах в СССР на месторождении КМА был добыт уникальный кристалл магнетита массой около 2 тонн.
• Магнетит присутствует в марсианском реголите, что подтверждено данными марсоходов. Его наличие свидетельствует о прошлых геологических процессах на Марсе.

Источники

• Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра, 1978.
• Минералы. Справочник. Том III, выпуск 1. — М.: Наука, 1972.
• Бетехтин А. Г. Курс минералогии. — М.: КДУ, 2007.
• Рамадорф П., Йоханнес В. Руководство по минералогии. — М.: Мир, 1988.
• Данные Геологической службы США (USGS) по товарным рудам железа.