Минерал пирит ( / ˈ p aɪ r aɪ t / PY -ryte ), [6] или железный колчедан , также известный как золото дураков , представляет собой сульфид железа с химической формулой Fe S 2 (дисульфид железа (II)). Пирит является наиболее распространенным сульфидным минералом . [7]
Металлический блеск пирита и бледный латунно-желтый оттенок придают ему поверхностное сходство с золотом , отсюда и известное прозвище « золото дураков» . Цвет также привел к прозвищам «латунь» , «браззл » и «бразилия» , в первую очередь используемым для обозначения пирита, обнаруженного в угле . [8] [9]
Название пирит происходит от греческого πυρίτης λίθος ( pyritēs lithos ), «камень или минерал, который высекает огонь» [10] , в свою очередь от πῦρ ( pŷr ), «огонь». [11] В древнеримские времена это название применялось к нескольким типам камня, которые создавали искры при ударе о сталь ; Плиний Старший описывал один из них как медный, что почти наверняка имело отношение к тому, что сейчас называется пиритом. [12]
Ко времени Георгия Агриколы , около 1550 года , этот термин стал общим для всех сульфидных минералов . [13]
Пирит обычно встречается в сочетании с другими сульфидами или оксидами в кварцевых жилах , осадочных породах и метаморфических породах , а также в угольных пластах и в качестве замещающего минерала в окаменелостях , но также был обнаружен в склеритах чешуйчатых брюхоногих моллюсков . [14] Несмотря на прозвище «золото дураков», пирит иногда встречается в сочетании с небольшими количествами золота. Значительная часть золота — это «невидимое золото», включенное в пирит (см. месторождение золота типа Карлин ). Было высказано предположение, что присутствие как золота, так и мышьяка является случаем сопряженного замещения , но по состоянию на 1997 год химическое состояние золота оставалось спорным. [15]
Пирит приобрел кратковременную популярность в XVI и XVII веках как источник воспламенения в раннем огнестрельном оружии , особенно в колесцовом замке , где образец пирита помещался напротив круглого напильника, чтобы высечь искры, необходимые для выстрела. [16]
Пирит используется вместе с кремнем и трутом из коры дерева народом каурна в Южной Австралии в качестве традиционного метода разжигания огня. [17]
Пирит использовался с классических времен для производства купороса ( железного купороса ). Железный колчедан складывали в кучу и оставляли выветриваться (пример ранней формы кучного выщелачивания ). Кислотный сток из кучи затем кипятили с железом для получения железного купороса. В 15 веке новые методы такого выщелачивания начали заменять сжигание серы в качестве источника серной кислоты . К 19 веку он стал доминирующим методом. [18]
Пирит остается в коммерческом использовании для производства диоксида серы , для использования в таких областях, как бумажная промышленность , и в производстве серной кислоты. Термическое разложение пирита на FeS ( сульфид железа (II) ) и элементарную серу начинается при 540 °C ( 1004 °F); при температуре около 700 °C (1292 °F) p S2 составляет около 1 атм . [19]
Более новым коммерческим применением пирита является использование его в качестве катодного материала в неперезаряжаемых литий-металлических батареях марки Energizer . [20]
Пирит — полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны 0,95 эВ . [21] Чистый пирит по своей природе является n-типом как в кристаллической, так и в тонкопленочной форме, что может быть связано с вакансиями серы в кристаллической структуре пирита, действующими как n-легирующие примеси. [22]
В первые годы 20-го века пирит использовался в качестве детектора минералов в радиоприемниках и до сих пор используется любителями кристаллического радио . До тех пор, пока не появились электронные лампы , кристаллический детектор был самым чувствительным и надежным детектором из всех доступных — со значительными различиями между типами минералов и даже отдельными образцами в пределах определенного типа минерала. Пиритовые детекторы занимали промежуточное положение между детекторами галенита и более механически сложными парами минералов перикона . Пиритовые детекторы могут быть такими же чувствительными, как современный германиевый диодный детектор 1N34A. [23] [24]
Пирит был предложен как распространенный, нетоксичный, недорогой материал для недорогих фотоэлектрических солнечных панелей. [25] Синтетический сульфид железа использовался с сульфидом меди для создания фотоэлектрического материала. [26] Более поздние попытки направлены на создание тонкопленочных солнечных элементов, полностью состоящих из пирита. [22]
Пирит используется для изготовления ювелирных изделий из марказита . Ювелирные изделия из марказита, в которых используются небольшие ограненные кусочки пирита, часто вставленные в серебро , изготавливались с древних времен и были популярны в викторианскую эпоху . [27] В то время, когда этот термин стал общепринятым в ювелирном деле, «марказит» относился ко всем сульфидам железа, включая пирит, а не к орторомбическому минералу марказиту FeS2 , который светлее по цвету, хрупкий и химически нестабильный, и поэтому не подходит для изготовления ювелирных изделий. Ювелирные изделия из марказита на самом деле не содержат минерал марказит. Образцы пирита, когда он выглядит как кристаллы хорошего качества, используются в украшениях. Они также очень популярны в коллекционировании минералов. Среди мест, где можно найти лучшие образцы, — провинции Сория и Ла-Риоха (Испания). [28]
В стоимостном выражении Китай (47 миллионов долларов) является крупнейшим рынком для импортируемых необожженных железных колчеданных в мире, составляя 65% мирового импорта. Китай также является самым быстрорастущим в плане импорта необожженных железных колчеданных, с CAGR +27,8% с 2007 по 2016 год. [29]
В июле 2020 года ученые сообщили, что они наблюдали вызванную напряжением трансформацию обычно диамагнитного пирита в ферромагнитный материал, что может найти применение в таких устройствах, как солнечные батареи или магнитные хранилища данных. [30] [31]
Исследователи из Тринити-колледжа в Дублине , Ирландия, продемонстрировали, что FeS 2 может быть расслоен на несколько слоев, как и другие двумерные слоистые материалы, такие как графен, простым способом жидкофазного расслоения. Это первое исследование, демонстрирующее производство неслоистых 2D-пластин из 3D-объемного FeS 2 . Кроме того, они использовали эти 2D-пластины с 20% однослойной углеродной нанотрубкой в качестве анодного материала в литий-ионных аккумуляторах, достигая емкости 1000 мАч/г, что близко к теоретической емкости FeS 2 . [32]
В 2021 году природный пиритовый камень был измельчен и предварительно обработан, а затем подвергнут жидкофазному расслоению в двумерные нанолисты, которые показали емкость 1200 мАч/г в качестве анода в литий-ионных аккумуляторах. [33]
С точки зрения классической неорганической химии , которая присваивает формальные степени окисления каждому атому, пирит и марказит, вероятно, лучше всего описываются как Fe 2+ [S 2 ] 2− . Этот формализм признает, что атомы серы в пирите встречаются парами с четкими связями S–S. Эти персульфидные [ – S–S – ] единицы можно рассматривать как производные от дисульфида водорода , H 2 S 2 . Таким образом, пирит было бы более описательно называть персульфидом железа, а не дисульфидом железа. Напротив, молибденит , Mo S 2 , отличается изолированными сульфидными центрами S 2− , а степень окисления молибдена составляет Mo 4+ . Минерал арсенопирит имеет формулу Fe As S. В то время как пирит имеет [S 2 ] 2– единицы, арсенопирит имеет [AsS] 3– единицы, формально полученные из депротонирования арсенотиола (H 2 AsSH). Анализ классических степеней окисления рекомендовал бы описание арсенопирита как Fe 3+ [AsS] 3− . [34]
Железный колчедан FeS 2 представляет собой прототипное соединение кристаллографической структуры пирита. Структура является кубической и была одной из первых кристаллических структур, решенных с помощью рентгеновской дифракции . [35] Он принадлежит к кристаллографической пространственной группе Pa 3 и обозначается обозначением Strukturbericht C2. При термодинамических стандартных условиях постоянная решетки стехиометрического железного колчедана FeS 2 составляет 541,87 пм . [36] Элементарная ячейка состоит из гранецентрированной кубической подрешетки Fe , в которой S
2ионы внедрены. (Однако следует отметить, что атомы железа на гранях не эквивалентны только по трансляции атомам железа в углах.) Структура пирита также наблюдается в других соединениях MX 2 переходных металлов M и халькогенов X = O , S , Se и Te . Известно, что некоторые дипниктиды , где X обозначает P , As и Sb и т. д., также принимают структуру пирита. [37]
Атомы Fe связаны с шестью атомами S, что дает искаженный октаэдр. Материал является полупроводником . Ионы Fe обычно считаются низкоспиновыми двухвалентными (как показано мессбауэровской спектроскопией, а также XPS). Материал в целом ведет себя как парамагнетик Ван Флека , несмотря на его низкоспиновую двухвалентность. [38]
Центры серы встречаются парами, описываемыми как S 2 2− . [39] Восстановление пирита калием дает дитиоферрат калия , KFeS 2 . Этот материал содержит ионы железа и изолированные сульфидные (S 2- ) центры.
Атомы S тетраэдрические, они связаны с тремя центрами Fe и одним другим атомом S. Симметрия сайта в позициях Fe и S объясняется группами точечной симметрии C 3 i и C 3 соответственно. Отсутствующий центр инверсии в узлах решетки S имеет важные последствия для кристаллографических и физических свойств железного пирита. Эти последствия вытекают из кристаллического электрического поля, активного в узле решетки серы, которое вызывает поляризацию ионов S в решетке пирита. [40] Поляризация может быть рассчитана на основе констант Маделунга более высокого порядка и должна быть включена в расчет энергии решетки с использованием обобщенного цикла Борна-Габера . Это отражает тот факт, что ковалентная связь в паре серы недостаточно учитывается строго ионной обработкой. [41]
Арсенопирит имеет родственную структуру с гетероатомными парами As–S, а не парами SS. Марказит также обладает гомоатомными анионными парами, но расположение металлических и двухатомных анионов отличается от такового у пирита. Несмотря на свое название, халькопирит ( CuFeS
2) не содержит дианионных пар, а содержит одиночные анионы сульфида S 2− .
Пирит обычно образует кубовидные кристаллы, иногда образуя тесную связь, образуя малиновые массы, называемые фрамбоидами . Однако при определенных обстоятельствах он может образовывать анастомозирующие нити или Т-образные кристаллы. [42] Пирит также может образовывать формы, почти такие же, как правильный додекаэдр , известные как пиритоэдры, и это предполагает объяснение искусственных геометрических моделей, найденных в Европе еще в V веке до нашей эры. [43] [ необходимо разъяснение ]
Каттьерит ( CoS2 ), ваесит ( NiS2 ) и гауэрит ( MnS2 ) , а также сперрилит ( PtAs2 ) схожи по своей структуре и также относятся к группе пирита .
Бравоит — это никель-кобальтсодержащая разновидность пирита с > 50% замещениемNi2+на Fe2+в пирите. Бравоит не является официально признанным минералом и назван в честь перуанского ученого Хосе Х. Браво (1874–1928).[44]
Пирит отличается от самородного золота своей твердостью, хрупкостью и формой кристаллов. Изломы пирита очень неровные , иногда раковистые, поскольку он не раскалывается по предпочтительной плоскости. Самородные золотые самородки , или блестки, не ломаются, а деформируются пластичным образом. Пирит хрупкий, золото ковкое.
Природное золото, как правило, ксеноморфно (неправильной формы без четко определенных граней), тогда как пирит имеет форму кубов или многогранных кристаллов с хорошо развитыми и острыми гранями, которые легко распознать. Хорошо кристаллизованные кристаллы пирита являются эугедральными ( т. е . с красивыми гранями). Пирит часто можно отличить по полосам, которые во многих случаях можно увидеть на его поверхности. Халькопирит ( CuFeS2 ) имеет более яркий желтый цвет с зеленоватым оттенком во влажном состоянии и более мягкий (3,5–4 по шкале Мооса). [45] Арсенопирит (FeAsS) имеет серебристо-белый цвет и не становится более желтым во влажном состоянии.
Железный колчедан нестабилен в окислительных условиях, преобладающих на поверхности Земли: при контакте с кислородом воздуха и водой или сыростью железный колчедан в конечном итоге разлагается на оксигидроксиды железа ( ферригидрит , FeO(OH)) и серную кислоту ( H
2ТАК
4). Этот процесс ускоряется действием бактерий Acidithiobacillus , которые окисляют пирит, в первую очередь образуя ионы железа ( Fe2+
), сульфат -ионы ( SO2−
4), и высвобождают протоны ( H + , или H 3 O + ). На втором этапе ионы железа ( Fe 2+
) окисляются O 2 в ионы железа ( Fe3+
), которые гидролизуются, также высвобождая ионы H + и производя FeO(OH). Эти реакции окисления происходят быстрее, когда пирит тонкодисперсный (фрамбоидальные кристаллы, изначально образованные сульфатредуцирующими бактериями (SRB) в глинистых отложениях или пыли от горнодобывающих работ).
Окисление пирита атмосферным O 2 в присутствии влаги ( H 2 O ) первоначально приводит к образованию ионов железа ( Fe2+
) и серной кислоты , которая диссоциирует на сульфат -ионы и протоны , что приводит к кислотному дренажу шахты (AMD). Примером кислотного дренажа горных пород, вызванного пиритом, является разлив сточных вод с рудника Gold King в 2015 году .
Окисление пирита является достаточно экзотермическим процессом , поэтому в подземных угольных шахтах в пластах с высоким содержанием серы время от времени возникали серьезные проблемы с самовозгоранием . [47] Решением является использование буферного взрывания и использование различных герметизирующих или облицовочных материалов для герметичной изоляции выработанных зон с целью исключения доступа кислорода. [48]
В современных угольных шахтах известняковая пыль распыляется на открытые угольные поверхности, чтобы снизить опасность взрывов пыли . Это имеет вторичное преимущество нейтрализации кислоты, выделяемой при окислении пирита, и, следовательно, замедления цикла окисления, описанного выше, тем самым снижая вероятность самовозгорания. Однако в долгосрочной перспективе окисление продолжается, и образующиеся гидратированные сульфаты могут оказывать давление кристаллизации, которое может расширить трещины в породе и в конечном итоге привести к обрушению кровли . [49]
Строительный камень, содержащий пирит, имеет тенденцию окрашиваться в коричневый цвет по мере окисления пирита. Эта проблема, по-видимому, значительно усугубляется, если присутствует марказит . [50] Присутствие пирита в заполнителе , используемом для изготовления бетона, может привести к серьезному ухудшению качества по мере окисления пирита. [ 51] В начале 2009 года проблемы с китайской гипсокартонной плитой, импортированной в США после урагана Катрина, были приписаны окислению пирита, за которым последовало микробное восстановление сульфата, выделившее сероводород ( H2S ). Эти проблемы включали неприятный запах и коррозию медной проводки. [52] В США, Канаде, [53] и совсем недавно в Ирландии, [ 54] [55] [56] , где он использовался в качестве заполнения под полом, загрязнение пиритом привело к серьезным структурным повреждениям. Бетон, подвергающийся воздействию сульфатных ионов или серной кислоты, разрушается под воздействием сульфата : образование расширяющихся минеральных фаз, таких как эттрингит (мелкие игольчатые кристаллы, оказывающие огромное давление кристаллизации внутри пор бетона) и гипс, создает внутренние силы растяжения в матрице бетона, которые разрушают затвердевшее цементное тесто, образуют трещины и щели в бетоне и могут привести к окончательному разрушению конструкции. Нормализованные испытания для строительного заполнителя [57] сертифицируют такие материалы как не содержащие пирита или марказита.
Пирит является наиболее распространенным из сульфидных минералов и широко распространен в магматических, метаморфических и осадочных породах. Это распространенный акцессорный минерал в магматических породах, где он также иногда встречается в виде более крупных масс, возникающих из несмешивающейся сульфидной фазы в исходной магме. Он встречается в метаморфических породах как продукт контактного метаморфизма . Он также образуется как высокотемпературный гидротермальный минерал , хотя иногда он образуется и при более низких температурах. [2]
Пирит встречается как первичный минерал, присутствующий в исходных отложениях, так и как вторичный минерал, отложившийся во время диагенеза . [2] Пирит и марказит обычно встречаются как замещающие псевдоморфозы после ископаемых в черных сланцах и других осадочных породах, образовавшихся в восстановительных условиях окружающей среды. [58] Пирит часто встречается как акцессорный минерал в сланцах, где он образуется путем осаждения из бескислородной морской воды, а угольные пласты часто содержат значительное количество пирита. [59]
Известные месторождения в виде линзовидных масс обнаружены в Вирджинии, США, и в меньших количествах во многих других местах. Крупные месторождения добываются в Рио-Тинто в Испании и в других местах на Пиренейском полуострове. [60]
В верованиях тайцев (особенно на юге) пирит известен как Кхао ток Пхра Руанг , Кхао Кхон Бат Пхра Руанг (ข้าวตอกพระร่วง, ข้าวก้นบาตรพ). ระร่วง) или Phet na tang , Hin na tang (เพชรหน้าทั่ง , หินหน้าทั่ง). Считается, что это священный предмет , обладающий силой предотвращать зло, черную магию или демонов. [61] [62]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )