Magnetita

La magnetita es un mineral y uno de los principales minerales de hierro, con la fórmula química Fe²⁺Fe3+2O₄. Es uno de los óxidos de hierro y es ferrimagnético; es atraído por un imán y puede magnetizarse para convertirse en un imán permanente. Con la excepción de depósitos de hierro nativo extremadamente raros, es el más magnético de todos los minerales naturales de la Tierra. Los pedazos de magnetita naturalmente magnetizados, llamados magnetita, atraerán pequeños pedazos de hierro, que es como los pueblos antiguos descubrieron por primera vez la propiedad del magnetismo.

La magnetita es negra o marrón negruzca con un brillo metálico, tiene una dureza de Mohs de 5 a 6 y deja una raya negra. Los pequeños granos de magnetita son muy comunes en las rocas ígneas y metamórficas.

El nombre químico IUPAC es óxido de hierro (II, III) y el nombre químico común es óxido ferroso-férrico.

Propiedades

Además de las rocas ígneas, la magnetita también se encuentra en las rocas sedimentarias, incluidas las formaciones de bandas de hierro y en los sedimentos marinos y lacustres como granos detríticos y como magnetofósiles. También se cree que las nanopartículas de magnetita se forman en los suelos, donde probablemente se oxidan rápidamente a maghemita.

Estructura cristalina

La composición química de la magnetita es Fe²⁺(Fe³⁺)₂(O^2-)₄. Esto indica que la magnetita contiene hierro ferroso (divalente) y férrico (trivalente), lo que sugiere cristalización en un entorno que contiene niveles intermedios de oxígeno. Los principales detalles de su estructura se establecieron en 1915. Fue una de las primeras estructuras cristalinas obtenidas mediante difracción de rayos X. La estructura es espinela inversa, con iones O²⁻ formando una red cúbica centrada en las caras y cationes de hierro ocupando sitios intersticiales. La mitad de los cationes Fe³⁺ ocupan sitios tetraédricos mientras que la otra mitad, junto con los cationes Fe²⁺, ocupan sitios octaédricos. La celda unitaria consta de 32 iones O²⁻ y la longitud de la celda unitaria es a = 0,839 nm.

Como miembro del grupo de la espinela inversa, la magnetita puede formar soluciones sólidas con minerales de estructura similar, incluida la ulvoespinela (Fe₂TiO₄) y magnesioferrita (MgFe ₂O₄).

La titanomagnetita, también conocida como magnetita titanífera, es una solución sólida entre la magnetita y la ulvoespinela que cristaliza en muchas rocas ígneas máficas. La titanomagnetita puede sufrir una oxiexsolución durante el enfriamiento, lo que da como resultado el crecimiento interno de magnetita e ilmenita.

Morfología y tamaño del cristal

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Natural and synthetic magnetite occurs most commonly as octahedral crystals bounded by {111} planes and as rhombic-dodecahedron. Twinning occurs on the {111} plane.

La síntesis hidrotermal suele producir cristales octaédricos individuales que pueden tener un tamaño de hasta 10 mm (0,39 pulgadas) de ancho. En presencia de mineralizadores como 0,1 M HI o 2 M NH4Cl y 0,207 MPa a 416–800 °C, la magnetita creció como cristales cuyas formas eran una combinación de formas rómbico-dodecaédricas. Los cristales estaban más redondeados que de costumbre. Se consideró que la aparición de formas superiores era el resultado de una disminución de las energías superficiales provocada por la menor relación superficie/volumen en los cristales redondeados.

Reacciones

La magnetita ha sido importante para comprender las condiciones en las que se forman las rocas. La magnetita reacciona con el oxígeno para producir hematita, y el par de minerales forma un amortiguador que puede controlar cuán oxidante es su entorno (la fugacidad del oxígeno). Este tampón se conoce como tampón hematita-magnetita o HM. A niveles de oxígeno más bajos, la magnetita puede formar un amortiguador con cuarzo y fayalita conocido como amortiguador QFM. A niveles de oxígeno aún más bajos, la magnetita forma un amortiguador con la wüstita conocido como amortiguador MW. Los tampones QFM y MW se han utilizado ampliamente en experimentos de laboratorio sobre química de rocas. El amortiguador QFM, en particular, produce una fugacidad de oxígeno cercana a la de la mayoría de las rocas ígneas.

Por lo general, las rocas ígneas contienen soluciones sólidas tanto de titanomagnetita como de hemoilmenita o titanohematita. Las composiciones de los pares de minerales se utilizan para calcular la fugacidad del oxígeno: en los magmas se encuentra una variedad de condiciones oxidantes y el estado de oxidación ayuda a determinar cómo podrían evolucionar los magmas por cristalización fraccionada. La magnetita también se produce a partir de peridotitas y dunitas por serpentinización.

Propiedades magnéticas

Las piedras imán se usaban como una forma temprana de brújula magnética. La magnetita ha sido una herramienta fundamental en el paleomagnetismo, una ciencia importante para comprender la tectónica de placas y como datos históricos para la magnetohidrodinámica y otros campos científicos.

Las relaciones entre la magnetita y otros minerales de óxido de hierro, como la ilmenita, la hematita y la ulvoespinela, se han estudiado mucho; las reacciones entre estos minerales y el oxígeno influyen en cómo y cuándo la magnetita conserva un registro del campo magnético de la Tierra.

A bajas temperaturas, la magnetita experimenta una transición de fase de estructura cristalina de una estructura monoclínica a una estructura cúbica conocida como transición de Verwey. Los estudios ópticos muestran que esta transición de metal a aislante es brusca y ocurre alrededor de 120 K. La transición de Verwey depende del tamaño del grano, el estado del dominio, la presión y la estequiometría hierro-oxígeno. También se produce un punto isotrópico cerca de la transición de Verwey alrededor de 130 K, en cuyo punto el signo de la constante de anisotropía magnetocristalina cambia de positivo a negativo. La temperatura de Curie de la magnetita es de 580 °C (853 K; 1076 °F).

Si la cantidad de magnetita es lo suficientemente grande, se puede encontrar en estudios aeromagnéticos utilizando un magnetómetro que mide las intensidades magnéticas.

Punto de fusión

Las partículas sólidas de magnetita se derriten a aproximadamente 1583–1597 °C (2881–2907 °F).

Distribución de depósitos

La magnetita a veces se encuentra en grandes cantidades en la arena de la playa. Tales arenas negras (arenas minerales o arenas de hierro) se encuentran en varios lugares, como Lung Kwu Tan de Hong Kong; California, Estados Unidos; y la costa oeste de la Isla Norte de Nueva Zelanda. La magnetita, erosionada de las rocas, es llevada a la playa por los ríos y concentrada por la acción de las olas y las corrientes. Se han encontrado enormes depósitos en formaciones de bandas de hierro. Estas rocas sedimentarias se han utilizado para inferir cambios en el contenido de oxígeno de la atmósfera de la Tierra.

También se encuentran grandes depósitos de magnetita en la región de Atacama de Chile (Cinturón de Hierro de Chile); la región de Valentines de Uruguay; Kiruna, Suecia; la región de Tallawang de Nueva Gales del Sur; y en la región de Adirondack de Nueva York en los Estados Unidos. Kediet ej Jill, la montaña más alta de Mauritania, está hecha completamente de este mineral. Los depósitos también se encuentran en Noruega, Rumania y Ucrania. Las dunas de arena ricas en magnetita se encuentran en el sur de Perú. En 2005, una empresa de exploración, Cardero Resources, descubrió un vasto depósito de dunas de arena con magnetita en Perú. El campo de dunas cubre 250 kilómetros cuadrados (100 millas cuadradas), con la duna más alta a más de 2000 metros (6560 pies) sobre el suelo del desierto. La arena contiene 10% de magnetita.

En cantidades suficientemente grandes, la magnetita puede afectar la navegación con brújula. En Tasmania hay muchas áreas con rocas altamente magnetizadas que pueden influir mucho en las brújulas. Se requieren pasos adicionales y observaciones repetidas cuando se usa una brújula en Tasmania para minimizar los problemas de navegación.

Los cristales de magnetita con un hábito cúbico son raros, pero se han encontrado en Balmat, condado de St. Lawrence, Nueva York, y en Långban, Suecia. Este hábito puede ser el resultado de la cristalización en presencia de cationes como el zinc.

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Magnetite can also be found in fossils due to mineralization and are referred to as magneto fossils. There are also instances of magnetite with origins in space coming from meteorites.

Ocurrencias biológicas

El biomagnetismo suele estar relacionado con la presencia de cristales biogénicos de magnetita, que se encuentran ampliamente en los organismos. Estos organismos van desde bacterias magnetotácticas (p. ej., Magnetospirillum magnetotacticum) hasta animales, incluidos los humanos, donde se encuentran cristales de magnetita (y otros compuestos magnéticamente sensibles) en diferentes órganos, según la especie. Las biomagnetitas explican los efectos de los campos magnéticos débiles en los sistemas biológicos. También existe una base química para la sensibilidad celular a los campos eléctricos y magnéticos (galvanotaxis).

Las partículas de magnetita pura se biomineralizan en los magnetosomas, que son producidos por varias especies de bacterias magnetotácticas. Los magnetosomas consisten en largas cadenas de partículas de magnetita orientadas que las bacterias utilizan para navegar. Después de la muerte de estas bacterias, las partículas de magnetita en los magnetosomas pueden conservarse en los sedimentos como magnetofósiles. Algunos tipos de bacterias anaerobias que no son magnetotácticas también pueden crear magnetita en sedimentos libres de oxígeno al reducir el óxido férrico amorfo a magnetita.

Se sabe que varias especies de aves incorporan cristales de magnetita en la parte superior del pico para la magnetorrecepción, lo que (junto con los criptocromos en la retina) les da la capacidad de detectar la dirección, la polaridad y la magnitud del campo magnético ambiental.

Los quitones, un tipo de molusco, tienen una estructura similar a una lengua conocida como rádula, cubierta con dientes recubiertos de magnetita o dentículos. La dureza de la magnetita ayuda a descomponer los alimentos.

La magnetita biológica puede almacenar información sobre los campos magnéticos a los que estuvo expuesto el organismo, lo que podría permitir a los científicos aprender sobre la migración del organismo o sobre los cambios en el campo magnético de la Tierra a lo largo del tiempo.

Cerebro humano

Los organismos vivos pueden producir magnetita. En los seres humanos, la magnetita se puede encontrar en varias partes del cerebro, incluidos los lóbulos frontal, parietal, occipital y temporal, el tronco encefálico, el cerebelo y los ganglios basales. El hierro se puede encontrar en el cerebro en tres formas: magnetita, hemoglobina (sangre) y ferritina (proteína), y las áreas del cerebro relacionadas con la función motora generalmente contienen más hierro. La magnetita se puede encontrar en el hipocampo. El hipocampo está asociado con el procesamiento de la información, específicamente el aprendizaje y la memoria. Sin embargo, la magnetita puede tener efectos tóxicos debido a su carga o naturaleza magnética y su implicación en el estrés oxidativo o la producción de radicales libres. La investigación sugiere que las placas de beta-amiloide y las proteínas tau asociadas con la enfermedad neurodegenerativa ocurren con frecuencia después del estrés oxidativo y la acumulación de hierro.

Algunos investigadores también sugieren que los humanos poseen un sentido magnético, y proponen que esto podría permitir que ciertas personas usen la magnetorrecepción para la navegación. El papel de la magnetita en el cerebro aún no se comprende bien, y ha habido un retraso general en la aplicación de técnicas interdisciplinarias más modernas al estudio del biomagnetismo.

Las exploraciones con microscopio electrónico de muestras de tejido cerebral humano pueden diferenciar entre la magnetita producida por las propias células del cuerpo y la magnetita absorbida por la contaminación del aire; las formas naturales son irregulares y cristalinas, mientras que la contaminación por magnetita se produce como nanopartículas redondeadas.. Potencialmente un peligro para la salud humana, la magnetita en el aire es el resultado de la contaminación (específicamente la combustión). Estas nanopartículas pueden viajar al cerebro a través del nervio olfativo, aumentando la concentración de magnetita en el cerebro. En algunas muestras de cerebro, la contaminación por nanopartículas supera en número a las partículas naturales hasta en 100:1, y tales partículas de magnetita transmitidas por la contaminación pueden estar relacionadas con un deterioro neuronal anormal. En un estudio, las nanopartículas características se encontraron en los cerebros de 37 personas: 29 de ellas, de entre 3 y 85 años, habían vivido y muerto en la Ciudad de México, un importante punto crítico de contaminación del aire. Algunos de los otros ocho, de 62 a 92 años de edad, de Manchester, Inglaterra, habían muerto con diversos grados de gravedad de enfermedades neurodegenerativas. Tales partículas posiblemente podrían contribuir a enfermedades como la enfermedad de Alzheimer. Aunque aún no se ha establecido un vínculo causal, los estudios de laboratorio sugieren que los óxidos de hierro, como la magnetita, son un componente de las placas de proteínas en el cerebro. Estas placas se han relacionado con la enfermedad de Alzheimer.

Se han encontrado niveles elevados de hierro, específicamente hierro magnético, en partes del cerebro en pacientes con Alzheimer. El seguimiento de los cambios en las concentraciones de hierro puede permitir detectar la pérdida de neuronas y el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas antes de la aparición de los síntomas debido a la relación entre la magnetita y la ferritina. En el tejido, la magnetita y la ferritina pueden producir pequeños campos magnéticos que interactuarán con la resonancia magnética nuclear (RMN) creando contraste. Los pacientes de Huntington no han mostrado niveles elevados de magnetita; sin embargo, se han encontrado niveles altos en ratones de estudio.

Aplicaciones

Debido a su alto contenido de hierro, la magnetita ha sido durante mucho tiempo un mineral de hierro importante. Se reduce en los altos hornos a arrabio o hierro esponja para convertirlo en acero.

Grabación magnética

La grabación de audio con cinta de acetato magnético se desarrolló en la década de 1930. El magnetofón alemán utilizó polvo de magnetita como medio de grabación. Después de la Segunda Guerra Mundial, la empresa 3M continuó trabajando en el diseño alemán. En 1946, los investigadores de 3M descubrieron que podían mejorar la cinta a base de magnetita, que utilizaba polvos de cristales cúbicos, reemplazando la magnetita con partículas en forma de aguja de óxido férrico gamma (γ-Fe₂O₃).

Catálisis

Aproximadamente, entre el 2 y el 3 % del presupuesto energético mundial se asigna al Proceso Haber para la fijación de nitrógeno, que se basa en catalizadores derivados de la magnetita. El catalizador industrial se obtiene a partir de polvo de hierro finamente molido, que normalmente se obtiene por reducción de magnetita de alta pureza. El metal de hierro pulverizado se quema (oxida) para dar magnetita o wüstita de un tamaño de partícula definido. Las partículas de magnetita (o wüstita) luego se reducen parcialmente, eliminando parte del oxígeno en el proceso. Las partículas de catalizador resultantes consisten en un núcleo de magnetita, encerrado en una capa de wüstita, que a su vez está rodeada por una capa exterior de metal de hierro. El catalizador mantiene la mayor parte de su volumen a granel durante la reducción, lo que da como resultado un material de gran área superficial altamente poroso, lo que mejora su eficacia como catalizador.

Nanopartículas de magnetita

Las micropartículas y nanopartículas de magnetita se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde biomédicas hasta medioambientales. Uno de los usos es en la purificación del agua: en la separación magnética de alto gradiente, las nanopartículas de magnetita introducidas en el agua contaminada se unirán a las partículas suspendidas (sólidos, bacterias o plancton, por ejemplo) y se asentarán en el fondo del fluido, permitiendo que los contaminantes sean eliminados. eliminado y las partículas de magnetita para ser recicladas y reutilizadas. Este método también funciona con partículas radiactivas y cancerígenas, lo que lo convierte en una importante herramienta de limpieza en el caso de metales pesados que se introducen en los sistemas de agua.

Otra aplicación de las nanopartículas magnéticas es la creación de ferrofluidos. Estos se utilizan de varias maneras. Los ferrofluidos se pueden utilizar para la administración dirigida de fármacos en el cuerpo humano. La magnetización de las partículas unidas a las moléculas del fármaco permite el "arrastre magnético" de la solución al área deseada del cuerpo. Esto permitiría el tratamiento de solo una pequeña área del cuerpo, en lugar de todo el cuerpo, y podría ser muy útil en el tratamiento del cáncer, entre otras cosas. Los ferrofluidos también se utilizan en la tecnología de imágenes por resonancia magnética (IRM).

Industria minera del carbón

Para la separación del carbón de los residuos se utilizaron baños de medio denso. Esta técnica empleó la diferencia de densidades entre el carbón (1,3–1,4 toneladas por m³) y las lutitas (2,2–2,4 toneladas por m³). En un medio de densidad intermedia (agua con magnetita), las piedras se hundían y el carbón flotaba.

Magneteno

El magneteno es una hoja plana bidimensional de magnetita que destaca por su comportamiento de fricción ultrabaja.

Galería de especímenes minerales de magnetita

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  Cristales octadales de magnetita de hasta 1,8 cm de ancho, sobre cristales de feldespa de color crema, localidad: Cerro Huañaquino, Departamento Potosí, Bolivia

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  Cristales magnéticos con elevaciones epitaxiales en sus caras

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  Magnetita en contraste matriz de chalcopyrite

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  Magnetita con un raro hábito cúbico del condado de San Lorenzo, Nueva York