Вюстит ( Fe O , иногда также обозначаемый как Fe 0,95 O) — это минеральная форма, состоящая в основном из оксида железа (II) , обнаруженная в метеоритах и самородном железе . Имеет серый цвет с зеленоватым оттенком в отраженном свете . Вюстит кристаллизуется в изометрически-гексоктаэдрической кристаллической системе в виде металлических зерен от непрозрачных до полупрозрачных. Он имеет твердость по шкале Мооса от 5 до 5,5 и удельный вес 5,88. Вюстит — типичный пример нестехиометрического соединения .
Вюстит был назван в честь Фрица Вюста (1860–1938), немецкого металлурга и директора-основателя Института кайзера Вильгельма фюр Айзенфоршунг (ныне Институт Макса Планка по исследованиям железа GmbH ). [2]
Помимо типового местонахождения в Германии, он был зарегистрирован с острова Диско в Гренландии; угольное месторождение Джариа , Джаркханд , Индия; и в виде включений в алмазах ряда кимберлитовых трубок. Сообщается также о глубоководных марганцевых конкрециях .
Его наличие указывает на сильно восстановительную среду .
Минералы железа на поверхности Земли обычно сильно окисляются, образуя гематит с состоянием Fe 3+ или в несколько менее окислительной среде магнетит со смесью Fe 3+ и Fe 2+ . Вюстит в геохимии определяет окислительно-восстановительный буфер окисления внутри горных пород, при котором порода настолько восстанавливается, что Fe 3+ и, следовательно, гематит отсутствуют.
По мере дальнейшего снижения окислительно-восстановительного состояния породы магнетит превращается в вюстит. Это происходит за счет превращения ионов Fe 3+ в магнетите в ионы Fe 2+ . Пример реакции представлен ниже:
Формула магнетита точнее записывается как FeO·Fe 2 O 3 , чем как Fe 3 O 4 . Магнетит представляет собой одну часть FeO и одну часть Fe 2 O 3 , а не твердый раствор вюстита и гематита . Магнетит называется окислительно- восстановительным буфером , поскольку до тех пор, пока весь магнетит Fe 3+ не превратится в Fe 2+ , оксидная минеральная ассоциация железа остается вюститом-магнетитом, и, кроме того, окислительно-восстановительное состояние породы остается на том же уровне летучести кислорода . Это похоже на буферизацию в кислотно-основной системе воды H + /OH- .
Когда Fe 3+ израсходовано, из системы необходимо удалить кислород для дальнейшего его восстановления, и вюстит преобразуется в самородное железо. Оксидно-минеральная равновесная ассоциация породы представляет собой вюстит-магнетит-железо.
В природе единственные природные системы, которые химически восстановлены настолько, чтобы даже достичь состава вюстита-магнетита, редки, включая богатые карбонатами скарны , метеориты, фульгуриты и пораженные молниями породы, а также, возможно, мантию, где присутствует восстановленный углерод, примером чего является наличие алмаза или графита .
Соотношение Fe 2+ и Fe 3+ в породе частично определяет силикатный минеральный комплекс породы. В породе заданного химического состава железо попадает в минералы в зависимости от объемного химического состава и минеральных фаз, которые стабильны при данной температуре и давлении. Железо может поступать в такие минералы, как пироксен и оливин, только в том случае, если оно присутствует в виде Fe 2+ ; Fe 3+ не может войти в решетку фаялита оливина и, таким образом, на каждые два иона Fe 3+ используется один Fe 2+ и создается одна молекула магнетита.
В химически восстановленных породах магнетит может отсутствовать из-за склонности железа к поступлению в оливин, а вюстит может присутствовать только при избытке железа сверх того, что может быть использовано кремнеземом. Таким образом, вюстит можно обнаружить только в составах, недонасыщенных кремнеземом, которые также сильно химически восстановлены, что удовлетворяет как потребность в удалении всего Fe 3+ , так и в сохранении железа вне силикатных минералов.
В природе этим критериям могут удовлетворять карбонатные породы, потенциально карбонатиты , кимберлиты , карбонатсодержащие мелилитовые породы и другие редкие щелочные породы. Однако вюстит не встречается в большинстве этих пород в природе, возможно, потому, что окислительно-восстановительное состояние, необходимое для превращения магнетита в вюстит, встречается очень редко.
Примерно 2–3% мирового энергетического бюджета выделяется на процесс Габера для производства аммиака ( NH 3 ), в котором используются катализаторы на основе вюстита. Промышленный катализатор получают из тонкоизмельченного порошка железа, который обычно получают восстановлением магнетита высокой чистоты (Fe 3 O 4 ). Измельченное металлическое железо сжигается (окисляется) с образованием магнетита или вюстита определенного размера частиц. Частицы магнетита (или вюстита) затем частично восстанавливаются, удаляя при этом часть кислорода . Полученные частицы катализатора состоят из ядра из магнетита, заключенного в оболочку из вюстита, которая, в свою очередь, окружена внешней оболочкой из металлического железа. Катализатор сохраняет большую часть своего объемного объема во время восстановления, в результате чего образуется высокопористый материал с большой площадью поверхности, что повышает его эффективность в качестве катализатора. [3] [4]
По словам Вагна Фабрициуса Бухвальда, вюстит был важным компонентом в железном веке , облегчавшим процесс кузнечной сварки . В древние времена, когда кузнечное дело выполнялось с использованием угольной кузницы , глубокая угольная яма, в которую помещалась сталь или железо, обеспечивала сильно восстанавливающую, практически бескислородную среду, образующую тонкий слой вюстита на металле. При температуре сварки железо становится очень активным по отношению к кислороду, при контакте с воздухом искрит и образует толстые слои шлака , что делает сварку железа или стали практически невозможной. Чтобы решить эту проблему, древние кузнецы бросали небольшое количество песка на раскаленный добела металл. Кремнезем в песке реагирует с вюститом с образованием фаялита , который плавится чуть ниже температуры сварки. Это позволило создать эффективный флюс , который защищал металл от кислорода и помогал удалять оксиды и примеси, оставляя чистую поверхность, пригодную для сварки. Хотя древние не знали, как это работает, умение сваривать железо способствовало переходу из бронзового века в современность. [5]
Вюстит образует твердый раствор с периклазом ( MgO ), а железо заменяет магний. Периклаз при гидратации образует брусит (Mg(OH ) 2 ) , обычный продукт реакций метаморфизма серпентинита .
В результате окисления и гидратации вюстита образуются гетит и лимонит .
Цинк, алюминий и другие металлы могут заменять железо в вюстите.
Вюстит в доломитовых скарнах может быть связан с сидеритом (карбонатом железа(II)), волластонитом , энстатитом , диопсидом и магнезитом .
