La wüstita ( Fe2O3 , a veces también escrita como Fe2O3 ) es una forma mineral de óxido de hierro (II) que se encuentra principalmente en meteoritos y en hierro nativo . Tiene un color gris con un tinte verdoso en la luz reflejada . La wüstita cristaliza en el sistema cristalino isométrico-hexoctaédrico en granos metálicos opacos a translúcidos. Tiene una dureza de Mohs de 5 a 5,5 y una gravedad específica de 5,88. La wüstita es un ejemplo típico de un compuesto no estequiométrico .
La wüstita debe su nombre a 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 ). [2]
Además de su localidad tipo en Alemania, se ha informado de su presencia en la isla Disko , Groenlandia; en el yacimiento de carbón de Jharia , Jharkhand , India; y como inclusiones en diamantes en varias chimeneas de kimberlita . También se ha informado de su presencia en nódulos de manganeso en aguas profundas .
Su presencia indica un ambiente altamente reductor .
Los minerales de hierro en la superficie de la Tierra suelen estar muy oxidados, formando hematita , con estado Fe 3+ , o en entornos algo menos oxidantes, magnetita , con una mezcla de Fe 3+ y Fe 2+ . La wüstita, en geoquímica, define un tampón redox de oxidación dentro de las rocas en cuyo punto la roca está tan reducida que el Fe 3+ , y por lo tanto la hematita, está ausente.
A medida que el estado redox de una roca se reduce aún más, la magnetita se convierte en wüstita. Esto ocurre mediante la conversión de los iones Fe 3+ de la magnetita en iones Fe 2+ . A continuación se presenta un ejemplo de reacción:
La fórmula de la magnetita se escribe con mayor precisión como FeO·Fe 2 O 3 que como Fe 3 O 4 . La magnetita es una parte de FeO y una parte de Fe 2 O 3 , en lugar de una solución sólida de wüstita y hematita . La magnetita se denomina un tampón redox porque, hasta que todo el Fe 3+ presente en el sistema se convierte en Fe 2+ , el conjunto mineral de óxido de hierro permanece wüstita-magnetita. Además, el estado redox de la roca permanece en el mismo nivel de fugacidad de oxígeno [ aclaración necesaria ] . Teniendo en cuenta la amortiguación del potencial redox (E h ) en el sistema redox Fe–O, esto se puede comparar a la amortiguación del pH en el sistema ácido-base H + /OH − del agua.
Una vez que se consume el Fe 3+ , se debe extraer 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 químicamente reducidos lo suficiente como para alcanzar una composición de wüstita-magnetita son raros, incluyendo skarns ricos en carbonato , meteoritos, fulguritas y rocas afectadas por rayos, y quizás el manto donde hay carbono reducido, ejemplificado por la presencia de diamante o grafito .
La proporción de Fe 2+ a Fe 3+ dentro de una roca determina, en parte, el conjunto de minerales de silicato de la roca. Dentro de una roca de una composición química dada, el hierro entra en los minerales en función de la composición química en masa y las fases minerales que son estables a esa temperatura y presión. El hierro solo puede entrar en minerales como el piroxeno y el olivino si está presente como Fe 2+ ; el Fe 3+ no puede entrar en la red del olivino de fayalita y, por lo tanto, por cada dos iones Fe 3+ , se utiliza un Fe 2+ y se crea una molécula de magnetita.
En rocas químicamente reducidas, la magnetita puede estar ausente debido a la propensión del hierro a entrar en el olivino, y la wüstita puede estar presente solo si hay un exceso de hierro por encima del que puede ser utilizado por la sílice. Por lo tanto, la wüstita solo puede encontrarse en composiciones subsaturadas en sílice que también están muy reducidas químicamente, satisfaciendo tanto la necesidad de eliminar todo el Fe 3+ como de mantener el hierro fuera de los minerales de silicato.
En la naturaleza, las rocas carbonatadas, potencialmente carbonatitas , kimberlitas , rocas melilíticas que contienen carbonato y otras rocas alcalinas raras pueden satisfacer estos criterios. Sin embargo, no se ha informado de wüstita en la mayoría de estas rocas en la naturaleza, posiblemente porque el estado redox necesario para convertir la magnetita en wüstita es muy raro.
Aproximadamente entre el 2 y el 3 % del presupuesto energético mundial se destina al proceso Haber para la producción de amoníaco ( NH3 ), que se basa en catalizadores derivados de la wüstita. El catalizador industrial se deriva de polvo de hierro finamente molido, que generalmente se obtiene mediante la reducción de magnetita de alta pureza ( Fe3O4 ) . El metal de hierro pulverizado se quema (oxida) para dar 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 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 superficie y muy poroso, lo que mejora su eficacia como catalizador. [3] [4]
Según Vagn Fabritius Buchwald, la wüstita era un componente importante durante la Edad del Hierro para facilitar el proceso de soldadura en forja . En la antigüedad, cuando se realizaba la herrería utilizando una forja de carbón , el pozo de carbón profundo en el que se colocaba el acero o el hierro proporcionaba un entorno 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 y generará chispas y formará capas gruesas de escoria cuando se exponga al aire, lo que hace que soldar el hierro o el acero sea casi imposible. Para resolver este problema, los herreros antiguos arrojaban pequeñas cantidades de arena sobre el metal al rojo vivo. La sílice en la arena reacciona con la wüstita para formar fayalita , que se funde justo por debajo de la temperatura de soldadura. Esto producía un fundente eficaz que protegía al metal del oxígeno y ayudaba a extraer óxidos e impurezas, dejando una superficie pura que se puede soldar fácilmente. Aunque los antiguos no tenían conocimiento de cómo funcionaba esto, la capacidad de soldar hierro contribuyó al movimiento de salir de la Edad del Bronce hacia la Edad Moderna. [5]
La wüstita forma una solución sólida con periclasa ( MgO ) y sustitutos de hierro por 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 los skarns de dolomita puede estar relacionada con la siderita (carbonato de hierro (II)), la wollastonita , la enstatita , la diópsido y la magnesita .
