Kamacite

Kamacite é uma liga de ferro e níquel, encontrada na Terra apenas em meteoritos. De acordo com a International Mineralogical Association (IMA), é considerada uma variedade rica em níquel do mineral nativo ferro. A proporção ferro:níquel está entre 90%:10% e 95%:5%; pequenas quantidades de outros elementos, como cobalto ou carbono, também podem estar presentes. O mineral tem brilho metálico, é cinza e não apresenta clivagem clara, embora sua estrutura cristalina seja isométrica-hexoctaédrica. Sua densidade é de cerca de 8 g/cm³ e sua dureza é 4 na escala de Mohs. Às vezes também é chamado de balkeneisen.

O nome foi cunhado em 1861 e é derivado da raiz grega καμακ- "kamak" ou κάμαξ "kamaks", significando videira. É um dos principais constituintes de meteoritos de ferro (tipos octaedrito e hexaedrito). Nos octaedritos é encontrado em bandas intercaladas com taenita formando padrões de Widmanstätten. Nos hexaedritos, linhas paralelas finas chamadas linhas de Neumann são freqüentemente vistas, que são evidências de deformação estrutural de placas de kamacita adjacentes devido ao choque de impactos.

Às vezes, a kamacita pode ser encontrada tão intimamente misturada com a taenita que é difícil distingui-los visualmente, formando plessite. O maior cristal de kamacita documentado media 92 × 54 × 23 cm (36,2 × 21,3 × 9,1 pol.).

Propriedades físicas

Kamacite tem muitas propriedades físicas únicas, incluindo estruturas de Thomson e densidade extremamente alta.

Identificação

Kamacite é opaco e sua superfície geralmente exibe vários tons de listras cinza ou "quilting" padrões. Kamacite tem um brilho metálico. Kamacite pode variar em dureza com base na extensão do choque que sofreu, mas geralmente classifica um quatro na escala de dureza de Mohs. O choque aumenta a dureza da kamacita, mas isso não é 100% confiável para determinar histórias de choque, pois há inúmeras outras razões pelas quais a dureza da kamacita pode aumentar.

Kamacite tem uma densidade medida de 7,9 g/cm3. Tem um hábito de cristal maciço, mas normalmente cristais individuais são indistinguíveis em ocorrências naturais. Não há planos de clivagem presentes na kamacita, o que lhe confere uma fratura grosseira. Kamacite é magnético e isométrico, o que faz com que se comporte opticamente isometricamente.

Kamacite ocorre com taenita e uma área mista de kamacita e taenita chamada de plessita.

A taenita contém mais níquel (12 a 45% em peso de Ni) do que a kamacita (que tem de 5 a 12% em peso de Ni). O aumento no teor de níquel faz com que a taenita tenha uma célula unitária centrada na face, enquanto o maior teor de ferro da kamacita faz com que sua célula unitária seja centrada no corpo. Essa diferença é causada por níquel e ferro terem um tamanho semelhante, mas diferentes interações magnéticas e quânticas interatômicas.

Fase tetragonal

Há evidências de uma fase tetragonal, observada em testes de pó de raios-X e posteriormente ao microscópio. Quando testados, dois meteoritos deram valores d que poderiam "ser indexados com base em uma célula unitária tetragonal, mas não com base em uma célula unitária cúbica ou hexagonal". Especula-se que seja e-ferro, um polimorfo hexagonal de ferro.

Estruturas de Thomson

Estruturas de Thomson, geralmente referidas como padrões de Widmanstätten, são texturas frequentemente vistas em meteoritos que contêm kamacite. Estas são bandas que geralmente se alternam entre kamacite e taenite. Em 1804, William Thomson se deparou com essas estruturas quando notou padrões geométricos inesperados após limpar uma amostra com ácido nítrico (HNO
₃). Ele publicou suas observações em um jornal francês, mas devido às guerras napoleônicas, os cientistas ingleses, que faziam grande parte da pesquisa de meteoritos da época, nunca descobriram seu trabalho. Somente em 1808, quatro anos depois, os mesmos padrões de gravura foram descobertos pelo conde Alois von Beck Widmanstätten, que estava aquecendo meteoritos de ferro quando notou padrões geométricos causados pelas diferentes taxas de oxidação de kamacita e taenita. Widmanstätten contou a muitos de seus colegas sobre esses padrões em correspondência, levando-os a serem referidos como padrões de Widmanstätten na maior parte da literatura.

Estruturas Thomson ou padrões Widmanstätten são criados à medida que o meteorito esfria; em altas temperaturas, tanto o ferro quanto o níquel têm redes de face centrada. Quando o meteorito é formado, ele começa como taenito totalmente derretido (maior que 1500 °C) e, à medida que esfria além de 723 °C, a fase metaestável primária da liga se transforma em taenito e a kamacita começa a precipitar. É nesta janela onde o meteorito está esfriando abaixo de 723 °C onde as estruturas de Thomson se formam e podem ser muito afetadas pela temperatura, pressão e composição do meteorito.

Propriedades ópticas

Kamacite é opaco e pode ser observado apenas em microscopia de luz refletida. É isométrico e, portanto, se comporta isotropicamente.

Magnetismo

À medida que o meteorito esfria abaixo de 750 °C, o ferro se torna magnético à medida que se move para a fase kamacite. Durante esse resfriamento, o meteorito assume uma magnetização termorremanente não convencional. A magnetização termomanente na Terra dá aos minerais de ferro formados na crosta terrestre uma magnetização maior do que se fossem formados no mesmo campo à temperatura ambiente. Esta é uma magnetização termorremanente não convencional porque parece ser devido a um processo químico remanente que é induzido quando a taenita é resfriada em kamacita. O que torna isso especialmente interessante é que isso explica todo o campo magnético dos condritos comuns, que se mostrou tão forte quanto 0,4 oersted (símbolo Oe).

Cristalografia

Kamacite é um mineral isométrico com uma célula unitária centrada no corpo cúbico. A kamacita geralmente não é encontrada em cristais grandes; no entanto, o cristal kamacite anormalmente maior encontrado e documentado media 92 × 54 × 23 centímetros. Mesmo com cristais grandes sendo tão raros, é extremamente importante entender a cristalografia que desempenha um papel importante na formação das estruturas de Thomson.

Simetria

Kamacite forma cristais isométricos e hexoctaédricos, o que faz com que os cristais tenham muitos elementos de simetria. Kamacite se enquadra na classe 4/m32/m na notação Hermann-Mauguin, o que significa que tem três eixos quádruplos, quatro eixos triplos e seis eixos duplos e nove planos de espelho. Kamacite tem um grupo espacial de Fm3m.

Célula unitária

Kamacite é composto de uma unidade repetida de α-(Fe, Ni), Fe
_0,9Ni
_0.1, que compõe as dimensões da célula de a = 8,603 Å, Z = 54 Å; V = 636,72 Å3. As interações magnéticas e quânticas interatômicas dos átomos de ferro (Fe⁰) de valência zero interagindo uns com os outros fazem com que a kamacita tenha uma estrutura centrada no corpo.

Química

Fórmula e elementos dominantes

Kamacite é composto de uma unidade repetida de α-(Fe, Ni), Fe
_0,9Ni
_0.1, em que tanto o ferro quanto o níquel têm valência zero (Fe⁰ e Ni⁰) por serem elementos metálicos nativos comumente encontrados em meteoritos de ferro. Além dos oligoelementos, normalmente é considerado composto de 90% de ferro e 10% de níquel, mas pode ter uma proporção de 95% de ferro e 5% de níquel. Isso torna o ferro o elemento dominante em qualquer amostra de kamacite. É agrupado com os elementos nativos nos sistemas de classificação Dana e Nickel-Strunz.

Condições de formação

A kamacita começa a se formar por volta de 723 °C, onde o ferro se divide de centrado na face para centrado no corpo, enquanto o níquel permanece centrado na face. Para acomodar essas áreas, começa a se formar uma concentração de ferro mais alta, deslocando o níquel para as áreas ao seu redor, o que cria taenita, que é o membro final do níquel.

Elementos de rastreamento

Tem havido muita pesquisa sobre os oligoelementos da kamacite. Os oligoelementos mais notáveis na kamacita são o gálio, o germânio, o cobalto, o cobre e o cromo. O cobalto é o mais notável deles, onde o teor de níquel varia de 5,26% a 6,81% e o teor de cobalto pode ser de 0,25% a 0,77%. Todos esses oligoelementos são metálicos e sua aparência perto da borda taenita kamacita pode fornecer pistas importantes sobre o ambiente em que o meteorito foi formado., irídio uma média de 5,40 (μg/g), ósmio uma média de 3,89 (μg/g), tungstênio uma média de 1,97 (μg/g), ouro uma média de 0,75 (μg/g g) e rênio em média 0,22 (μg/g). As quantidades consideráveis de cobalto e platina são as mais notáveis.

Elementos secundários importantes, substituições, soluções sólidas

A sulfuração de Kamacite foi feita experimentalmente em condições de laboratório. A sulfuração resultou em três fases distintas: uma solução sólida de monosulfeto (Fe
_x(Ni,Co)
_1-xS), uma fase pentlandita (Fe
_x(Ni,Co)
_9-xS
₈), bem como uma fase rica em P. Isso foi feito em um laboratório para construir condições concorrentes com as da nebulosa solar. Com esta informação seria possível extrair informações sobre as condições termodinâmicas, cinéticas e físicas do sistema solar primitivo. Isso ainda permanece especulativo, pois muitos dos sulfetos em meteoritos são instáveis e foram destruídos. Kamacite também se altera para tochilinite (Fe²⁺
· 5-6 (Mg, Fe²⁺
)
₅S
₆(OH)
₁₀). Isso é útil para dar pistas sobre o quanto o meteorito como um todo foi alterado. A alteração de kamacita para tochilinita pode ser vista em microscópios petrológicos, microscópio eletrônico de varredura e análise de microssonda eletrônica. Isso pode ser usado para permitir que os pesquisadores indexem facilmente a quantidade de alteração que ocorreu na amostra. Este índice pode ser referenciado posteriormente ao analisar outras áreas do meteorito onde a alteração não é tão clara.

Relação com taenita

A taenita é o membro final rico em níquel da solução sólida de kamacita-taenita. A taenita ocorre naturalmente na Terra, enquanto a kamacita só é encontrada na Terra quando vem do espaço. Kamacite forma taenite à medida que se forma e expele o níquel para a área circundante, esta área forma taenite. Devido à natureza centrada na face da rede de kamacita e à natureza centrada no corpo da rede de níquel, os dois formam ângulos intrincados quando entram em contato um com o outro. Esses ângulos se revelam macroscopicamente na estrutura de Thomson. Também devido a esta relação obtemos os termos ataxita, hexaedrita e octaedrita. Ataxita refere-se a meteoritos que não apresentam uma estrutura grosseiramente hexaédrica ou octaédrica. Os meteoritos compostos de 6% em peso ou menos de níquel são frequentemente referidos como hexaedritos devido à estrutura cristalina da kamacita ser isométrica e fazer com que o meteorito seja cúbico. Da mesma forma, se o meteorito for dominado pelo taenito centrado na face, ele é chamado de octaedrito, pois a kamacita se dissolverá dos limites do cristal octaédrico do taenito, fazendo com que o meteorito pareça octaédrico. Tanto os hexaedritos quanto os octaedritos só aparecem quando o meteorito se rompe ao longo dos planos cristalinos ou quando preparados para acentuar as estruturas de Thomson, portanto muitos são erroneamente chamados de ataxitos primeiro.

Explicação química do calor

Oligoelementos foram analisados na formação de kamacite em diferentes temperaturas, mas os oligoelementos em taenita parecem mais adequados para dar pistas da temperatura de formação do meteorito. À medida que o meteorito esfria e a taenita e a kamacita vão se separando, alguns dos oligoelementos preferirão estar localizados na taenita ou na kamacita. A análise do limite da taenita kamacita pode fornecer pistas sobre a rapidez com que ocorreu o resfriamento, bem como uma miríade de outras condições durante a formação pela localização final dos oligoelementos.

Intervalo de estabilidade

Kamacite só é estável em temperaturas abaixo de 723 °C ou 600 °C (Stacey e Banerjee, 2012), pois é aí que o ferro fica frio o suficiente para se organizar em uma estrutura de cristal centrada no corpo. Kamacite também é estável apenas em baixas pressões, como pode ser assumido, porque só se forma no espaço.

Efeito do choque

A difração metalográfica e de raios-X pode ser usada em kamacite para determinar a história de choque de um meteorito. O uso de dureza para determinar histórias de choque foi experimentado, mas foi considerado muito pouco confiável. O teste de dureza Vickers foi aplicado a uma série de amostras de kamacita e os meteoritos chocados apresentaram valores de 160–170 kg/mm e os meteoritos não chocados podem ter valores de até 244 kg/mm. O choque causa uma estrutura única de transformação de ferro que pode ser medida usando técnicas metalográficas e de difração de raios-X. Depois de usar técnicas metalográficas e de difração de raios X para determinar a história do choque, descobriu-se que 49% dos meteoritos encontrados na Terra contêm evidências de choque.

Ocorrências geológicas

Meteoritos Kamacite foram encontrados em todos os continentes da Terra e também em Marte.

Meteoritos

Kamacite é principalmente associado a meteoritos porque precisa de altas temperaturas, baixas pressões e poucos outros elementos mais reativos como o oxigênio. Os meteoritos condritos podem ser divididos em grupos com base nos côndrulos presentes. Existem três tipos principais: condritos enstatíticos, condritos carbonáceos e condritos comuns. Condritos comuns são o tipo mais abundante de meteorito encontrado na Terra, perfazendo 85% de todos os meteoritos registrados. Acredita-se que todos os condritos comuns tenham se originado de três fontes diferentes, portanto, eles vêm em três tipos LL, L e H; LL significa baixo teor de ferro, baixo teor de metal, L significa baixa abundância de ferro e H é alto teor de ferro. Todos os condritos comuns contêm kamacite em abundância decrescente à medida que você passa dos condritos H para LL. Kamacite também é encontrado em muitos dos mesosideritos de meteoritos menos comuns e condritos E. E condritos são condritos que são feitos principalmente de enstatita e representam apenas 2% dos meteoritos que caem na Terra. Os condritos E têm uma rocha-mãe totalmente diferente da dos condritos comuns. Na análise de kamacite em condritos E, descobriu-se que eles contêm geralmente menos níquel do que a média.

Abundância

Como a kamacita é formada apenas no espaço e só é encontrada na Terra em meteoritos, ela tem uma abundância muito baixa na Terra. Sua abundância fora do nosso sistema solar é difícil de determinar. O ferro, principal componente da kamacita, é o sexto elemento mais abundante no universo e o mais abundante dos elementos geralmente considerados metálicos.

Minerais associados

A taenita e a tochilinita são minerais comumente associados à kamacita.

Exemplos específicos

Cratera do meteoro Arizona

Kamacite foi encontrado e estudado em Meteor Crater, Arizona. A Cratera do Meteoro foi o primeiro local de impacto de meteoro confirmado no planeta e não foi universalmente reconhecida como tal até a década de 1950. Na década de 1960, o Serviço Geológico dos Estados Unidos descobriu kamacita em espécimes coletados em todo o local, ligando o mineral a meteoritos.

Planetas

Kamacite se forma principalmente em meteoritos, mas foi encontrado em corpos extraterrestres como Marte. Isso foi descoberto pelo The Mars Exploration Rover (MER) Opportunity. O kamacite não se originou em Marte, mas foi colocado lá por um meteorito. Isso foi particularmente interessante porque o meteorito caiu na classe menos conhecida de mesosideritos. Os mesosideritos são muito raros na Terra e sua ocorrência em Marte fornece pistas sobre a origem de sua maior rocha geradora.

Usos

O principal uso de pesquisa de kamacite é lançar luz sobre a história de um meteorito. Quer se trate da história do choque nas estruturas de ferro ou das condições durante a formação do meteorito usando o limite kamacite-taenite, compreender a kamacite é a chave para compreender o nosso universo.

Museus, universidade e preparação de espécimes fotográficos

Devido à raridade e à aparência geralmente monótona da kamacite, ela não é popular entre os colecionadores particulares. No entanto, muitos museus e universidades têm amostras de kamacite em suas coleções. Normalmente amostras de kamacite são preparadas usando polimento e ácido para mostrar as estruturas de Thomson. Preparar espécimes envolve lavá-los em um solvente, como Thomson fez com ácido nítrico para revelar as estruturas de Thomson. Então eles são fortemente polidos para que pareçam brilhantes. Geralmente, a kamacite pode ser facilmente diferenciada da taenite, pois após este processo a kamacite parece ligeiramente mais escura do que a taenite.

Olhando para o futuro

A kamacita e a taenita têm potencial para serem economicamente valiosas. Uma opção que tornaria a mineração de asteroides mais lucrativa seria coletar os oligoelementos. Uma dificuldade seria refinar elementos como platina e ouro. A platina vale cerca de 12.000 US$/kg e (a kamacita contém 16,11 μg/g de platina) e o ouro vale cerca de 12.000 US$/kg (a kamacita contém 0,52 μg/g de ouro); no entanto, a probabilidade de um retorno lucrativo é bastante pequena. A mineração de asteróides para usos espaciais pode ser mais prática, já que o transporte de materiais da Terra é caro. Semelhante aos planos atuais de reutilizar os módulos da Estação Espacial Internacional em outras missões, um meteorito de ferro poderia ser usado para construir espaçonaves no espaço. A NASA apresentou planos preliminares para construir uma nave espacial no espaço.