Wüstita

Wüstita (FeO) es una forma mineral de óxido de hierro (II) que se encuentra en meteoritos y hierro nativo. Tiene un color gris con un tinte verdoso cuando se refleja la luz. La wüstita cristaliza en el sistema cristalino isométrico-hexoctaédrico en granos metálicos opacos a translúcidos. Tiene una dureza Mohs de 5 a 5,5 y una gravedad específica de 5,88. La wüstita es un ejemplo típico de compuesto no estequiométrico.

La Wüstita lleva el nombre de Fritz Wüst (1860-1938), un metalúrgico alemán y director fundador del Kaiser-Wilhelm-Institut für Eisenforschung (actualmente Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro GmbH).

Además de su localidad tipo en Alemania, se ha reportado en la isla Disko, Groenlandia; la cuenca minera de Jharia, Jharkhand, India; y como inclusiones en diamantes en varias pipas de kimberlita. También se ha observado en nódulos de manganeso de aguas profundas.

Su presencia indica un ambiente altamente reductor.

Tampón redox de Wüstita

Los minerales de hierro de la superficie terrestre suelen estar ricamente oxidados, formando hematita, con estado Fe³⁺, o en ambientes algo menos oxidantes, magnetita, con una mezcla de Fe³⁺ y Fe²⁺. La wüstita, en geoquímica, define un tampón redox de oxidación dentro de las rocas, momento en el que la roca se reduce tanto que el Fe³⁺ y, por tanto, la hematita, están ausentes.

A medida que el estado redox de una roca se reduce aún más, la magnetita se convierte en wüstita. Esto ocurre por conversión de los iones Fe³⁺ de la magnetita en iones Fe²⁺. A continuación se presenta un ejemplo de reacción:

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La fórmula de la magnetita se escribe con mayor precisión como FeO·Fe₂O₃ que como Fe₃O₄. La magnetita es una parte de FeO y una parte de Fe₂O₃, en lugar de una solución sólida de wüstita y hematita. La magnetita se denomina tampón redox porque hasta que toda la magnetita Fe³⁺ se convierte en Fe²⁺, el conjunto de minerales de óxido de hierro permanece wüstita- magnetita y, además, el estado redox de la roca permanece en el mismo nivel de fugacidad de oxígeno. Esto es similar a la amortiguación en el sistema ácido-base H⁺/OH⁻ del agua.

Una vez que se consume el Fe³⁺, se debe eliminar el oxígeno del sistema para reducirlo aún más y la wüstita se convierte en hierro nativo. El conjunto de minerales de óxido en equilibrio de la roca se convierte en wüstita-magnetita-hierro.

En la naturaleza, los únicos sistemas naturales que están lo suficientemente reducidos químicamente como para alcanzar incluso una composición de wüstita-magnetita son raros, incluidos skarns ricos en carbonatos, meteoritos, fulguritas y rocas afectadas por rayos, y tal vez el manto donde está presente el carbono reducido., ejemplificado por la presencia de diamante o grafito.

Efectos sobre los minerales de silicato

La proporción de Fe²⁺ a Fe³⁺ dentro de una roca determina, en parte, el conjunto de minerales de silicato de la roca. Dentro de una roca de una composición química determinada, el hierro ingresa a los minerales según la composición química general y las fases minerales que son estables a esa temperatura y presión. El hierro sólo puede entrar en minerales como el piroxeno y el olivino si está presente como Fe²⁺; Fe³⁺ no puede entrar en la red de fayalita olivina y, por tanto, por cada dos iones Fe³⁺, se utiliza un Fe²⁺ y una molécula de magnetita.

En rocas químicamente reducidas, la magnetita puede estar ausente debido a la propensión del hierro a ingresar al olivino, y la wüstita solo puede estar presente si hay un exceso de hierro por encima del que puede ser utilizado por la sílice. Por lo tanto, la wüstita solo se puede encontrar en composiciones subsaturadas de sílice que también están muy reducidas químicamente, satisfaciendo tanto la necesidad de eliminar todo el Fe³⁺ como de mantener el hierro fuera de los minerales de silicato.

En la naturaleza, las rocas carbonatadas, potencialmente carbonatitas, kimberlitas, rocas melilíticas que contienen carbonatos y otras rocas alcalinas raras pueden satisfacer estos criterios. Sin embargo, la wüstita no se encuentra en la mayoría de estas rocas en la naturaleza, posiblemente porque el estado redox necesario para convertir la magnetita en wüstita es muy raro.

Papel en la fijación de nitrógeno

Aproximadamente entre el 2 y el 3 % del presupuesto energético mundial se asigna al proceso Haber para obtener amoníaco (NH₃), que se basa en catalizadores derivados de wüstita. El catalizador industrial se deriva de polvo de hierro finamente molido, que normalmente se obtiene mediante reducción de magnetita de alta pureza (Fe₃O₄). El hierro metálico pulverizado se quema (oxida) para obtener magnetita o wüstita de un tamaño de partícula definido. Luego, las partículas de magnetita (o wüstita) 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 hierro metálico. El catalizador mantiene la mayor parte de su volumen aparente durante la reducción, lo que da como resultado un material altamente poroso de alta superficie, lo que mejora su eficacia como catalizador.

Uso histórico

Según Vagn Fabritius Buchwald, la wüstita fue un componente importante durante la Edad del Hierro para facilitar el proceso de soldadura de forja. En la antigüedad, cuando la herrería se realizaba utilizando una forja de carbón, el profundo pozo de carbón en el que se colocaba el acero o el hierro proporcionaba un ambiente altamente reductor, prácticamente libre de oxígeno, produciendo una fina capa de wüstita sobre el metal. A la temperatura de soldadura, el hierro se vuelve altamente reactivo con el oxígeno, chisporrotea y forma capas gruesas de escoria cuando se expone al aire, lo que hace que soldar el hierro o el acero sea casi imposible. Para resolver este problema, los antiguos herreros arrojaban pequeñas cantidades de arena sobre el metal candente. La sílice de la arena reacciona con la wüstita para formar fayalita, que se funde justo por debajo de la temperatura de soldadura. Esto produjo un fundente eficaz que protegió el metal del oxígeno y ayudó a extraer óxidos e impurezas, dejando una superficie pura que se puede soldar fácilmente. Aunque los antiguos no sabían cómo funcionaba esto, la capacidad de soldar hierro contribuyó al paso de la Edad del Bronce a la moderna.

Minerales relacionados

Wüstite forma una solución sólida con periclasa (MgO) y sustitutos del hierro para el magnesio. La periclasa, cuando se hidrata, forma brucita (Mg(OH)₂), un producto común de las reacciones metamórficas de la serpentinita.

La oxidación e hidratación de la wüstita forma goethita y limonita.

El zinc, el aluminio y otros metales pueden sustituir al hierro en la wüstita.

La wüstita en skarns de dolomita puede estar relacionada con siderita (carbonato de hierro (II)), wollastonita, enstatita, diópsido y magnesita.