Вюстит

Вюстит
Вюстит
Общий
Категория	Оксидный минерал
Формула ; (повторяющаяся единица)	Fe O
Имеет символ IMA.	Вюс
Классификация Штрунца	4.AB.25
Кристаллическая система	Кубический
Кристаллический класс	Шестиоктаэдрический (м 3 м) ; Символ H–M : (4/м 3 2/м)
Космическая группа	Фм3м (№ 225)
Идентификация
Цвет	От серовато-белого до желтого или коричневого; бесцветный в шлифе
Кристальная привычка	Пирамидальный, призматический
Расщепление	{001} идеально
Перелом	От субконхоидального до шероховатого
шкала Мооса твердость	5–5.5
Удельный вес	5.88
Плотность	5,7 г/см 3
Показатель преломления	1,735–2,32 в синтетических кристаллах.
Плеохроизм	Никто
Растворимость	Растворим в разбавленной HCl
Другие характеристики	Образует твердый раствор с периклазом.

Вюстит ( Fe O , иногда также обозначаемый как Fe _0,95 O) — это минеральная форма, состоящая в основном из оксида железа (II), обнаруженная в метеоритах и самородном железе . Имеет серый цвет с зеленоватым оттенком в отраженном свете . Вюстит кристаллизуется в изометрически-гексоктаэдрической кристаллической системе в виде металлических зерен от непрозрачных до полупрозрачных. Он имеет твердость по шкале Мооса от 5 до 5,5 и удельный вес 5,88. Вюстит — типичный пример нестехиометрического соединения .

Вюстит был назван в честь Фрица Вюста (1860–1938), немецкого металлурга и директора-основателя Института кайзера Вильгельма фюр Айзенфоршунг (ныне Институт Макса Планка по исследованиям железа GmbH ). ^{[ 2 ]}

Помимо типового местонахождения в Германии, он был зарегистрирован с острова Диско в Гренландии; угольное месторождение Джариа ; , Джаркханд , Индия и в виде включений в алмазах ряда кимберлитовых трубок. Сообщается также о глубоководных марганцевых конкрециях .

Его наличие указывает на сильно восстановительную среду .

Вюститовый окислительно-восстановительный буфер

Минералы железа на поверхности Земли обычно сильно окисляются, образуя гематит с содержанием железа. ³⁺ состоянии, или в несколько менее окислительных средах магнетита , с примесью Fe ³⁺ и Fe ²⁺. Вюстит в геохимии определяет окислительно-восстановительный буфер окисления внутри горных пород, в этот момент порода настолько восстанавливается, что Fe ³⁺и, следовательно, гематит отсутствует.

По мере дальнейшего снижения окислительно-восстановительного состояния породы магнетит превращается в вюстит. Это происходит за счет превращения Fe ³⁺ ионы в магнетите в Fe ²⁺ ионы. Пример реакции представлен ниже:

{\ce {{\underset {magnetite}{FeO.Fe2O3}}+{\underset {graphite/diamond}{C}}->{3FeO}+{\underset {carbon\ monoxide}{CO}}}}

Формула магнетита точнее записывается как FeO·Fe ₂ O _3, чем как Fe ₃ O ₄ . Магнетит представляет собой одну часть FeO и одну часть Fe ₂ O ₃ , а не твердый раствор вюстита и гематита . Магнетит называют окислительно-восстановительным буфером , потому что до тех пор, пока весь Fe ³⁺ присутствующий в системе, преобразуется в Fe ²⁺оксидная минеральная ассоциация железа представляет собой вюстит-магнетит. При этом окислительно-восстановительное состояние породы остается на том же уровне кислорода. летучести ^{[ нужны разъяснения ]}. Учитывая буферизацию окислительно-восстановительного потенциала (E _h ) в окислительно-восстановительной системе Fe-O, это можно сравнить с буферизацией pH в H ⁺/ОЙ ⁻ кислотно-основная система воды.

Как только Фе ³⁺ расходуется, затем кислород необходимо удалить из системы для дальнейшего его восстановления, и вюстит преобразуется в самородное железо. Оксидно-минеральная равновесная ассоциация породы представляет собой вюстит-магнетит-железо.

В природе единственные природные системы, которые химически восстановлены настолько, чтобы даже достичь состава вюстита-магнетита, редки, включая богатые карбонатами скарны , метеориты, фульгуриты и пораженные молниями породы, а также, возможно, мантию, где присутствует восстановленный углерод, примером которого является наличие алмаза или графита .

Воздействие на силикатные минералы

Соотношение Fe ²⁺ в Фе ³⁺ Внутри породы частично определяется силикатный минеральный комплекс породы. В породе заданного химического состава железо попадает в минералы в зависимости от объемного химического состава и минеральных фаз, которые стабильны при данной температуре и давлении. Железо может проникать в такие минералы, как пироксен и оливин, только в том случае, если оно присутствует в виде Fe. ²⁺; Фе ³⁺ не может войти в решетку фаялита оливина и, следовательно, для каждых двух Fe ³⁺ ионы, один Fe ²⁺ используется и создается одна молекула магнетита.

В химически восстановленных породах магнетит может отсутствовать из-за склонности железа к поступлению в оливин, а вюстит может присутствовать только в том случае, если имеется избыток железа сверх того, что может быть использовано кремнеземом. Таким образом, вюстит можно обнаружить только в составах, недонасыщенных кремнеземом, которые также сильно химически восстановлены, что удовлетворяет как необходимость удаления всего Fe, так и ³⁺ и сохранять железо вне силикатных минералов.

В природе этим критериям могут удовлетворять карбонатные породы, потенциально карбонатиты , кимберлиты , карбонатсодержащие мелилитовые породы и другие редкие щелочные породы. Однако вюстит не встречается в большинстве этих пород в природе, возможно, потому, что окислительно-восстановительное состояние, необходимое для превращения магнетита в вюстит, встречается очень редко.

Роль в фиксации азота

Примерно 2–3% мирового энергетического бюджета выделяется на процесс Габера для получения аммиака ( Производство NH ₃ ), основанное на катализаторах на основе вюстита. Промышленный катализатор получают из тонкоизмельченного порошка железа, который обычно получают восстановлением магнетита высокой чистоты (Fe ₃ O ₄ ). Измельченное металлическое железо сжигается (окисляется) с образованием магнетита или вюстита определенного размера частиц. Частицы магнетита (или вюстита) затем частично восстанавливаются, удаляя часть кислорода при этом . Полученные частицы катализатора состоят из ядра из магнетита, заключенного в оболочку из вюстита, которая, в свою очередь, окружена внешней оболочкой из металлического железа. Катализатор сохраняет большую часть своего объемного объема во время восстановления, в результате чего образуется высокопористый материал с большой площадью поверхности, что повышает его эффективность в качестве катализатора. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Историческое использование

По словам Вагна Фабрициуса Бухвальда, вюстит был важным компонентом в железном веке, облегчавшим процесс кузнечной сварки . В древние времена, когда кузнечное дело выполнялось с использованием угольной кузницы , глубокая угольная яма, в которую помещалась сталь или железо, обеспечивала сильно восстановительную, практически бескислородную среду, образуя тонкий слой вюстита на металле. При температуре сварки железо становится очень активным по отношению к кислороду, искрит и образует толстые слои шлака при контакте с воздухом , что делает сварку железа или стали практически невозможной. Чтобы решить эту проблему, древние кузнецы бросали небольшое количество песка на раскаленный добела металл. Кремнезем в песке реагирует с вюститом с образованием фаялита , который плавится чуть ниже температуры сварки. Это позволило создать эффективный флюс , который защищал металл от кислорода и помогал удалять оксиды и примеси, оставляя чистую поверхность, пригодную для сварки. Хотя древние не знали, как это работает, способность сварное железо способствовало переходу из бронзового века в современность. ^{[ 5 ]}

Родственные минералы

Вюстит образует твердый раствор с периклазом ( MgO ), а железо заменяет магний. Периклаз при гидратации образует брусит (Mg(OH ) 2 ₎ , обычный продукт серпентинита реакций метаморфизма .

В результате окисления и гидратации вюстита образуются гетит и лимонит .

Цинк, алюминий и другие металлы могут заменять железо в вюстите.

Вюстит в доломитовых скарнах может быть связан с сидеритом (карбонатом железа(II)), волластонитом , энстатитом , диопсидом и магнезитом .

См. также

Нормативная минералогия

Ссылки

^ Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .
^ Шенк, Рудольф; Дингманн, Томас (1927). «Равновесные исследования процессов восстановления, окисления и карбонизации в железе III» [Стехиометрические исследования процессов восстановления, окисления и карбонизации в железе III]. Журнал неорганической и общей химии . 166 : 113–154. дои : 10.1002/zaac.19271660111 .
^ Йозвяк, ВК; Качмарек, Э.; и др. (2007). «Восстановительное поведение оксидов железа в атмосфере водорода и угарного газа». Прикладной катализ А: Общие сведения . 326 : 17–27. doi : 10.1016/j.apcata.2007.03.021 .
^ Аппл, Макс (2006). «Аммиак». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a02_143.pub2 . ISBN 978-3527306732 .
^ Бухвальд, Вагн Фабрициус (2005). Железо и сталь в древние времена . Королевское датское общество наук. п. 65.

Паб минеральных данных. PDF-файл, по состоянию на 5 марта 2006 г.
Евромин, доступ: 5 марта 2006 г.
Wüstite на Mindat.org, по состоянию на 5 марта 2006 г.
Веб-минеральные данные , доступ осуществлен 5 марта 2006 г.

[1] Уорр, Л.Н. (2021). «Утвержденные IMA–CNMNC символы минералов» . Минералогический журнал . 85 (3): 291–320. Бибкод : 2021MinM...85..291W . дои : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID 235729616 .

[2] Шенк, Рудольф; Дингманн, Томас (1927). «Равновесные исследования процессов восстановления, окисления и карбонизации в железе III» [Стехиометрические исследования процессов восстановления, окисления и карбонизации в железе III]. Журнал неорганической и общей химии . 166 : 113–154. дои : 10.1002/zaac.19271660111 .

[jozwiak-3] Йозвяк, ВК; Качмарек, Э.; и др. (2007). «Восстановительное поведение оксидов железа в атмосфере водорода и угарного газа». Прикладной катализ А: Общие сведения . 326 : 17–27. doi : 10.1016/j.apcata.2007.03.021 .

[Appl-4] Аппл, Макс (2006). «Аммиак». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a02_143.pub2 . ISBN 978-3527306732 .

[5] Бухвальд, Вагн Фабрициус (2005). Железо и сталь в древние времена . Королевское датское общество наук. п. 65.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]