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Magnetita

La magnetita es uno de los pocos minerales que es ferromagnético ; es atraído por un imán como se muestra aquí.
Celda unitaria de magnetita. Las esferas grises representan el oxígeno, las verdes el hierro divalente y las azules el hierro trivalente. También se muestran un átomo de hierro en un espacio octaédrico (azul claro) y otro en un espacio tetraédrico (gris).

La magnetita es un mineral y uno de los principales minerales de hierro , con la fórmula química Fe 2+ Fe3+2O 4 . Es uno de los óxidos de hierro , y es ferromagnético ; [6] es atraído por un imán y puede magnetizarse para convertirse en un imán permanente. [7] [8] Con la excepción de los depósitos de hierro nativo extremadamente raros , es el más magnético de todos los minerales naturales de la Tierra. [7] [9] Los trozos de magnetita magnetizados naturalmente, llamados piedra imán , atraerán pequeños trozos de hierro, que es como los pueblos antiguos descubrieron por primera vez la propiedad del magnetismo. [10]

La magnetita es de color negro o marrón oscuro con un brillo metálico, tiene una dureza Mohs de 5-6 y deja una veta negra . [7] Los granos pequeños de magnetita son muy comunes en rocas ígneas y metamórficas . [11]

El nombre químico IUPAC es óxido de hierro (II, III) y el nombre químico común es óxido ferroso-férrico . [12]

Propiedades

Además de las rocas ígneas, la magnetita también se encuentra en rocas sedimentarias , incluidas las formaciones de hierro bandeado y en sedimentos marinos y lacustres, tanto en forma de granos detríticos como de magnetofósiles . También se cree que las nanopartículas de magnetita se forman en los suelos, donde probablemente se oxidan rápidamente a maghemita . [13]

Estructura cristalina

La composición química de la magnetita es Fe2 + (Fe3 + ) 2 (O2- ) 4 . Esto indica que la magnetita contiene hierro ferroso ( divalente ) y férrico ( trivalente ), lo que sugiere la cristalización en un entorno que contiene niveles intermedios de oxígeno. [14] [15] Los principales detalles de su estructura se establecieron en 1915. Fue una de las primeras estructuras cristalinas que se obtuvieron utilizando 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 treinta y dos iones  O2- y la longitud de la celda unitaria es a = 0,839 nm. [15] [16]

Como miembro del grupo de espinela inversa, la magnetita puede formar soluciones sólidas con minerales de estructura similar, incluidos la ulvoespinela ( Fe 2 TiO 4 ) y la magnesioferrita ( MgFe 2 O 4 ). [17]

La titanomagnetita, también conocida como magnetita titanífera, es una solución sólida entre magnetita y ulvoespinela que cristaliza en muchas rocas ígneas máficas . La titanomagnetita puede sufrir oxiexolución durante el enfriamiento, lo que da lugar a la formación de magnetita e ilmenita. [17]

Morfología y tamaño de los cristales

La magnetita natural y sintética se presenta más comúnmente como cristales octaédricos delimitados por planos {111} y como dodecaedros rómbicos . [15] El maclado ocurre en el plano {111}. [3]

La síntesis hidrotermal produce generalmente cristales octaédricos individuales que pueden tener un tamaño de hasta 10 mm (0,39 pulgadas) de diámetro. [15] En presencia de mineralizadores como 0,1  M HI o 2  M NH 4 Cl y a 0,207 MPa a 416–800 °C, la magnetita creció como cristales cuyas formas eran una combinación de formas rómbico-dodecaédricas. [15] Los cristales eran más redondeados de lo habitual. La aparición de formas superiores se consideró como resultado de una disminución en las energías superficiales causada por la menor relación superficie-volumen en los cristales redondeados. [15] 

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 mineral forma un tampón que puede controlar cuán oxidante es su entorno (la fugacidad del oxígeno ). Este tampón se conoce como tampón hematita-magnetita o tampón HM. A niveles de oxígeno más bajos, la magnetita puede formar un tampón con cuarzo y fayalita conocido como tampón QFM. A niveles de oxígeno aún más bajos, la magnetita forma un tampón con wüstita conocido como tampón MW. Los tampones QFM y MW se han utilizado ampliamente en experimentos de laboratorio sobre química de rocas. El tampón QFM, en particular, produce una fugacidad de oxígeno cercana a la de la mayoría de las rocas ígneas. [18] [19]

Comúnmente, las rocas ígneas contienen soluciones sólidas tanto de titanomagnetita como de hemoilmenita o titanohematita. Las composiciones de los pares minerales se utilizan para calcular la fugacidad del oxígeno: en los magmas se encuentran diversas condiciones de oxidación y el estado de oxidación ayuda a determinar cómo podrían evolucionar los magmas mediante cristalización fraccionada . [20] La magnetita también se produce a partir de peridotitas y dunitas mediante serpentinización . [21]

Propiedades magnéticas

Las piedras imán se utilizaron como una forma primitiva de brújula magnética . La magnetita ha sido una herramienta fundamental en el paleomagnetismo , una ciencia importante para comprender la tectónica de placas y como dato histórico para la magnetohidrodinámica y otros campos científicos . [22]

Las relaciones entre la magnetita y otros minerales de óxido de hierro como la ilmenita , la hematita y la ulvoespinela han sido muy estudiadas; las reacciones entre estos minerales y el oxígeno influyen en cómo y cuándo la magnetita preserva un registro del campo magnético de la Tierra . [23]

A bajas temperaturas, la magnetita experimenta una transición de fase de estructura cristalina de una estructura monoclínica a una estructura cúbica conocida como la transición de Verwey . Los estudios ópticos muestran que esta transición de metal a aislante es aguda y ocurre alrededor de 120  K. [24] La transición de Verwey depende del tamaño del grano, el estado del dominio, la presión, [25] y la estequiometría hierro-oxígeno . [26] También se produce un punto isotrópico cerca de la transición de Verwey alrededor de 130  K, punto en el que el signo de la constante de anisotropía magnetocristalina cambia de positivo a negativo. [27] La ​​temperatura de Curie de la magnetita es de 580 °C (853 K; 1076 °F). [28]

Si la magnetita se encuentra en una cantidad suficientemente grande, se puede encontrar en estudios aeromagnéticos utilizando un magnetómetro que mide las intensidades magnéticas. [29]

Punto de fusión

Las partículas de magnetita sólida se funden a unos 1583–1597 °C (2881–2907 °F). [30] [31] : 794 

Distribución de depósitos

Magnetita y otros minerales pesados ​​(oscuros) en una arena de playa de cuarzo ( Chennai , India ).

La magnetita se encuentra a veces en grandes cantidades en la arena de la playa. Estas arenas negras (arenas minerales o arenas de hierro ) se encuentran en varios lugares, como Lung Kwu Tan en Hong Kong; California , Estados Unidos; y la costa oeste de la Isla Norte de Nueva Zelanda. [32] La magnetita, erosionada de las rocas, es transportada 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 hierro bandeado. [33] [34] Estas rocas sedimentarias se han utilizado para inferir cambios en el contenido de oxígeno de la atmósfera de la Tierra. [35]

También se encuentran grandes yacimientos de magnetita en la región de Atacama de Chile ( Cinturón de Hierro chileno ); [36] la región de Valentines de Uruguay; [37] Kiruna , Suecia; [38] la región de Tallawang de Nueva Gales del Sur; [39] y en las montañas Adirondack de Nueva York en los Estados Unidos. [40] Kediet ej Jill , la montaña más alta de Mauritania , está hecha completamente de este mineral. [41] En los municipios de Molinaseca, Albares y Rabanal del Camino, en la provincia de León (España), existe un yacimiento de magnetita en terreno ordovícico, considerado uno de los más grandes de Europa. Fue explotado entre 1955 y 1982. [42] También se encuentran yacimientos en Noruega , Rumania y Ucrania . [43] En el sur de Perú se encuentran dunas de arena ricas en magnetita. [44] En 2005, una empresa de exploración, Cardero Resources, descubrió un vasto depósito de dunas de arena que contenían magnetita en Perú . El campo de dunas cubre 250 kilómetros cuadrados (100 millas cuadradas), y la duna más alta se encuentra a más de 2000 metros (6560 pies) sobre el suelo del desierto. La arena contiene un 10% de magnetita. [45]

En cantidades suficientemente grandes, la magnetita puede afectar la navegación con brújula . En Tasmania hay muchas áreas con rocas altamente magnetizadas que pueden influir en gran medida en las brújulas. Se requieren pasos adicionales y observaciones repetidas cuando se usa una brújula en Tasmania para mantener los problemas de navegación al mínimo. [46]

Los cristales de magnetita con un hábito cúbico son raros, pero se han encontrado en Balmat, condado de St. Lawrence, Nueva York , [47] [48] y en Långban, Suecia . [49] Este hábito puede ser el resultado de la cristalización en presencia de cationes como el zinc. [50]

La magnetita también se puede encontrar en fósiles debido a la biomineralización y se denominan magnetofósiles . [51] También hay casos de magnetita con orígenes en el espacio provenientes de meteoritos . [52]

Apariciones biológicas

El biomagnetismo suele estar relacionado con la presencia de cristales biogénicos de magnetita, que se encuentran ampliamente distribuidos en los organismos. [53] Estos organismos van desde bacterias magnetotácticas (por ejemplo, Magnetospirillum magnetotacticum ) hasta animales, incluidos los humanos, donde los cristales de magnetita (y otros compuestos sensibles al magnetismo) se encuentran en diferentes órganos, según la especie. [54] [55] Las biomagnetitas explican los efectos de los campos magnéticos débiles en los sistemas biológicos. [56] También existe una base química para la sensibilidad celular a los campos eléctricos y magnéticos ( galvanotaxis ). [57]

Magnetosomas de magnetita en Gammaproteobacteria

Las partículas de magnetita pura se biomineralizan en magnetosomas , que son producidos por varias especies de bacterias magnetotácticas . Los magnetosomas consisten en largas cadenas de partículas de magnetita orientadas que son utilizadas por las bacterias para la navegación. Después de la muerte de estas bacterias, las partículas de magnetita en los magnetosomas pueden conservarse en sedimentos como magnetofósiles. Algunos tipos de bacterias anaeróbicas que no son magnetotácticas también pueden crear magnetita en sedimentos libres de oxígeno al reducir el óxido férrico amorfo a magnetita. [58]

Se sabe que varias especies de aves incorporan cristales de magnetita en el pico superior para la magnetorrecepción , [59] 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 . [54] [60]

Los quitones , un tipo de molusco, tienen una estructura similar a una lengua conocida como rádula , cubierta de dientes recubiertos de magnetita, o dentículos . [61] 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 potencialmente permitiría 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. [62]

Cerebro humano

Los organismos vivos pueden producir magnetita. [55] En los 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 . [55] [63] El hierro se puede encontrar en tres formas en el cerebro: magnetita, hemoglobina (sangre) y ferritina (proteína), y las áreas del cerebro relacionadas con la función motora generalmente contienen más hierro. [63] [64] La magnetita se puede encontrar en el hipocampo . El hipocampo está asociado con el procesamiento de la información, específicamente el aprendizaje y la memoria. [63] Sin embargo, la magnetita puede tener efectos tóxicos debido a su carga o naturaleza magnética y su participación en el estrés oxidativo o la producción de radicales libres . [65] La investigación sugiere que las placas beta-amiloide y las proteínas tau asociadas con la enfermedad neurodegenerativa ocurren con frecuencia después del estrés oxidativo y la acumulación de hierro. [63]

Algunos investigadores también sugieren que los humanos poseen un sentido magnético, [66] proponiendo que esto podría permitir a ciertas personas utilizar la magnetorrecepción para la navegación. [67] El papel de la magnetita en el cerebro aún no se entiende bien, y ha habido un retraso general en la aplicación de técnicas interdisciplinarias más modernas al estudio del biomagnetismo. [68]

Los escaneos de microscopio electrónico de muestras de tejido cerebral humano son capaces de diferenciar entre la magnetita producida por las propias células del cuerpo y la magnetita absorbida de la contaminación atmosférica, siendo las formas naturales irregulares y cristalinas, mientras que la contaminación por magnetita se presenta como nanopartículas redondeadas . Potencialmente un peligro para la salud humana, la magnetita transportada por 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. [63] [65] 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 transportadas por la contaminación pueden estar vinculadas a un deterioro neuronal anormal. En un estudio, las nanopartículas características se encontraron en los cerebros de 37 personas: 29 de ellas, de 3 a 85 años, habían vivido y muerto en la Ciudad de México, un importante foco de contaminación del aire. Algunos de los otros ocho, de entre 62 y 92 años, de Manchester, Inglaterra, habían muerto con diferentes grados de gravedad de enfermedades neurodegenerativas. [69] Es posible que dichas partículas contribuyan a enfermedades como la enfermedad de Alzheimer . [70] Aunque todavía 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. Dichas placas se han vinculado con la enfermedad de Alzheimer . [71]

Se han encontrado niveles elevados de hierro, específicamente hierro magnético, en partes del cerebro de pacientes con Alzheimer. [72] 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 [64] [72] debido a la relación entre la magnetita y la ferritina . [63] En el tejido, la magnetita y la ferritina pueden producir pequeños campos magnéticos que interactuarán con la resonancia magnética (IRM) creando contraste. [72] Los pacientes con Huntington no han mostrado niveles elevados de magnetita; sin embargo, se han encontrado niveles elevados en ratones de estudio. [63]

Aplicaciones

Debido a su alto contenido de hierro, la magnetita ha sido durante mucho tiempo un mineral de hierro importante . [73] Se reduce en altos hornos a arrabio o hierro esponjado para su conversión en acero . [74]

Grabación magnética

La grabación de audio mediante cinta de acetato magnético se desarrolló en la década de 1930. El magnetofón alemán utilizó por primera vez polvo de magnetita que BASF recubrió sobre acetato de celulosa antes de cambiar pronto a óxido férrico gamma por su morfología superior. [75] Después de la Segunda Guerra Mundial , la empresa 3M continuó trabajando en el diseño alemán. En 1946, los investigadores de 3M descubrieron que también podían mejorar su propia cinta de papel basada en magnetita, que utilizaba polvos de cristales cúbicos, reemplazando la magnetita con partículas en forma de aguja de óxido férrico gamma (γ-Fe 2 O 3 ). [75]

Catálisis

Aproximadamente entre el 2 y el 3 % del presupuesto energético mundial se destina 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 generalmente se obtiene mediante la 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. A continuación, 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 metal de hierro. El catalizador mantiene la mayor parte de su volumen aparente durante la reducción, lo que da como resultado un material de gran superficie y alta porosidad, lo que mejora su eficacia como catalizador. [76] [77]

Nanopartículas de magnetita

Las micropartículas y nanopartículas de magnetita se utilizan en diversas aplicaciones, desde la biomédica hasta la medioambiental. Una de ellas es 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 depositarán en el fondo del fluido, lo que permitirá eliminar los contaminantes y reciclar y reutilizar las partículas de magnetita. [78] Este método funciona también con partículas radiactivas y cancerígenas, lo que lo convierte en una herramienta de limpieza importante en el caso de la introducción de metales pesados ​​en los sistemas hídricos. [79]

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. [78] La magnetización de las partículas unidas a las moléculas del fármaco permite el "arrastre magnético" de la solución a la zona deseada del cuerpo. Esto permitiría el tratamiento de sólo una pequeña zona 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). [80]

Industria minera del carbón

Para la separación del carbón de los residuos se utilizaron baños de medio denso. Esta técnica aprovechó 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 con densidad intermedia (agua con magnetita), las piedras se hundían y el carbón flotaba. [81]

Magneteno

El magneteno es una lámina plana bidimensional de magnetita conocida por sus propiedades de fricción ultrabaja. [82]

Galería

Véase también

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