Вюстит ( Fe O , иногда также пишется как Fe 0,95 O) — минеральная форма в основном оксида железа(II), встречающаяся в метеоритах и самородном железе . Он имеет серый цвет с зеленоватым оттенком в отраженном свете . Вюстит кристаллизуется в изометрической гексаоктаэдрической кристаллической системе в непрозрачных или полупрозрачных металлических зернах. Он имеет твердость по Моосу 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 исследований железа им. кайзера Вильгельма (ныне Институт исследований железа им. Макса Планка ). [2]
В дополнение к его типовому местонахождению в Германии, он был зарегистрирован на острове Диско , Гренландия; угольном месторождении Джария , Джаркханд , Индия; и в виде включений в алмазы в ряде кимберлитовых трубок. Он также зарегистрирован в глубоководных марганцевых конкрециях .
Его присутствие указывает на сильно восстановительную среду .
Железные минералы на поверхности Земли обычно сильно окисляются, образуя гематит с состоянием Fe 3+ или в несколько менее окислительных средах магнетит со смесью Fe 3+ и Fe 2+ . Вюстит в геохимии определяет окислительно-восстановительный буфер окисления внутри горных пород, в точке, когда порода настолько восстановлена, что Fe 3+ , а следовательно, и гематит, отсутствуют.
По мере дальнейшего снижения окислительно-восстановительного состояния породы магнетит преобразуется в вюстит. Это происходит путем преобразования 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 называют окислительно-восстановительным буфером , потому что до тех пор , пока все присутствующие в системе Fe 3+ не превратятся в Fe 2+ , оксидная минеральная ассоциация железа остается вюстит-магнетитом . Более того окислительно-восстановительное состояние породы остается на том же уровне летучести кислорода [ требуется разъяснение ] . Рассматривая буферизацию окислительно-восстановительного потенциала (E h ) в окислительно-восстановительной системе Fe–O , это можно сравнить с буферизацией pH в кислотно-щелочной системе H + /OH − воды.
После того, как Fe 3+ потребляется, кислород должен быть удален из системы для дальнейшего его восстановления, и вюстит преобразуется в самородное железо. Ассоциация оксидного минерального равновесия породы становится вюстит–магнетит–железо.
В природе единственные естественные системы, химически восстановленные настолько, чтобы достичь состава вюстит-магнетит, встречаются редко, включая богатые карбонатами скарны , метеориты, фульгуриты и горные породы, пострадавшие от молний, а также, возможно, мантию, где присутствует восстановленный углерод, примером чего является присутствие алмаза или графита .
Соотношение Fe 2+ к Fe 3+ в породе частично определяет силикатный минеральный состав породы. В породе заданного химического состава железо входит в минералы на основе основного химического состава и минеральных фаз, которые стабильны при данной температуре и давлении. Железо может войти в минералы, такие как пироксен и оливин, только 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 входить в оливин, а вюстит может присутствовать только в случае избытка железа сверх того, что может быть использовано кремнием. Таким образом, вюстит может быть обнаружен только в недосыщенных кремнием составах, которые также сильно химически восстановлены, удовлетворяя как потребность в удалении всего Fe 3+ , так и в сохранении железа вне силикатных минералов.
В природе карбонатные породы, потенциально карбонатиты , кимберлиты , карбонатсодержащие мелилитовые породы и другие редкие щелочные породы могут удовлетворять этим критериям. Однако в большинстве этих пород в природе вюстит не обнаружен, 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 ), который опирается на катализаторы, полученные из вюстита. Промышленный катализатор получают из тонко измельченного железного порошка, который обычно получают путем восстановления высокочистого магнетита (Fe 3 O 4 ). Измельченный металлический железо сжигают (окисляют) для получения магнетита или вюстита определенного размера частиц. Частицы магнетита (или вюстита) затем частично восстанавливают, удаляя часть кислорода в процессе. Полученные частицы катализатора состоят из ядра магнетита, заключенного в оболочку из вюстита, которая, в свою очередь, окружена внешней оболочкой из металлического железа. Катализатор сохраняет большую часть своего основного объема во время восстановления, в результате чего получается 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 для облегчения процесса кузнечной сварки . В древние времена, когда кузнечное дело выполнялось с использованием угольного горна , глубокая угольная яма, в которую помещалась сталь или железо, обеспечивала высоковосстановительную, практически бескислородную среду, создавая тонкий слой вюстита на металле. При температуре сварки железо становится высокореактивным с кислородом и будет искрить и образовывать толстые слои шлака при контакте с воздухом, что делает сварку железа или стали практически невозможной. Чтобы решить эту проблему, древние кузнецы бросали небольшое количество песка на раскаленный добела металл. Кремний в песке реагирует с вюститом, образуя фаялит , который плавится чуть ниже температуры сварки. Это создавало эффективный флюс , который защищал металл от кислорода и помогал извлекать оксиды и примеси, оставляя чистую поверхность, которую можно легко сваривать. Хотя древние люди не знали, как это работает, умение сваривать железо способствовало переходу от бронзового века к современному. [5]
Вюстит образует твердый раствор с периклазом ( Mg O), а железо заменяет магний. Периклаз при гидратации образует брусит (Mg(O H ) 2 ), распространенный продукт метаморфических реакций серпентинита .
Окисление и гидратация вюстита приводит к образованию гётита и лимонита .
Железо в вюстите может заменяться цинком, алюминием и другими металлами.
Вюстит в доломитовых скарнах может быть связан с сидеритом (карбонатом железа (II)), волластонитом , энстатитом , диопсидом и магнезитом .
