La magnetite (simbolo IMA: Mag) è il minerale ferroso con il più alto contenuto di ferro (72,5%) utilizzabile industrialmente. È inoltre il minerale con le più intense proprietà magnetiche esistente in natura. Appartiene al supergruppo dello spinello e in particolare degli ossispinelli, nella cui famiglia occupa un posto nel sottogruppo dello spinello; la sua composizione chimica è ,
Storia Già nell'XI secolo a.C. i cinesi utilizzavano le proprietà magnetiche del minerale.
La magnetite è il più antico materiale magnetico conosciuto: era infatti già noto agli antichi Greci e prende appunto il nome dalla città di Magnesia ad Sipylum, nei pressi del monte Sipilo, dove si trovava in grandi quantità. Il termine "magnetismo" deriva quindi dal nome del minerale, non viceversa. La magnetite è un materiale ferromagnetico. In particolare, si tratta di un minerale con comportamento ferrimagnetico.
Lo scrittore romano Plinio il Vecchio menziona una pietra chiamata magnes, che si dice prenda il nome da un pastore con lo stesso nome. Questo pastore trovò la pietra sul monte Ida quando i chiodi delle sue scarpe e la punta del suo bastone si conficcarono nel terreno. Plinio distingueva diversi tipi di magnes, ma soprattutto un "maschio" e una "femmina", di cui però solo il maschio aveva il potere di attrarre il ferro, e corrispondeva quindi alla magnetite vera e propria. Le magnes "femminili" erano probabilmente minerali di manganese, simili nell'aspetto al minerale "maschile", o un minerale di colore bianco, che in seguito fu chiamato magnesite (MgCO3).
Più probabile, tuttavia, è l'interpretazione che il minerale abbia preso il nome dalla magnesia, un paesaggio della Tessaglia o la città di Magnesia al Meandro.
Classificazione A causa della sua struttura cristallo-chimica, le classificazioni minerali di Strunz e Dana classificano la magnetite nella classe minerale degli ossidi e la divisione del rapporto quantitativo materiale metallo: ossigeno = 3 : 4. Nella nuova classificazione dei minerali secondo Strunz (9ª edizione), i minerali di questa divisione sono ulteriormente ordinati in base alla dimensione dei cationi coinvolti, per cui lo ione ferro caricato positivamente è uno dei cationi di medie dimensioni.
La classificazione dei minerali di Dana, d'altra parte, ordina in base allo ione metallico (Fe) coinvolto e alla simmetria cristallina, in modo che la magnetite si trovi qui nel sottogruppo ferroso con il gruppo puntuale comune 4/m 3 2/m all'interno della divisione di "ossidi multipli con la formula generale (A+B2+)2X4, gruppo spinello".
Forma in cui si presenta in natura Si presenta in cristalli neri, opachi, oppure in masse granulari o compatte. È presente in piccole quantità nel corpo umano, dove è localizzata tra il naso e gli occhi, all'interno dell'osso etmoide. La magnetite è facilmente riconoscibile all'interno di vecchi radiatori di riscaldamento (termosifoni) in ferro e ghisa ed è la responsabile del colore nero scuro dell'acqua che vi circola.
Abito cristallino La struttura cristallina della magnetite, di formula chimica Fe3O4, a volte riportata come FeO·Fe2O3, può essere scritta come Fe3+[Fe3+Fe2+]O4 secondo la formula generale per gli spinelli, AB2O4. In particolare, la magnetite ha la struttura cosiddetta a spinello inverso. In questa struttura 1/3 degli atomi Fe, come ioni Fe2+, sono sono presenti esacoordinati in cavità ottaedriche e gli altri 2/3, come ioni Fe3+, sono tetracoordinai in cavità tetraedriche; gli atomi di ossigeno sono disposti in una sottostruttua cubica. La simmetria della fase ad alta temperatura (T > 120 K) della magnetite è stata chiarita molto presto nel 1915, ed è cubica. Più precisamente, si tratta del sistema cubico Fdm (gruppo spaziale n. 227) con una costante di reticolo a = 839,4 pm, e con Z = 8, si hanno cioè otto unità di formula Fe3O4 per cella elementare con un totale di 56 atomi.
L'esatto gruppo spaziale della fase a bassa temperatura (T < 120 K) non è stato chiaramente determinato fino al 1982 ed è ancora discusso in modo controverso. È stato solo attraverso un'analisi di diffrazione di neutroni accuratamente eseguita su monocristalli sintetici, che sono stati misurati con l'applicazione simultanea di pressione lungo la direzione e il raffreddamento nel campo magnetico, che l'ordine cristallino al di sotto di T = 120 K ha potuto essere chiarito. Si tratta di una distorsione del gruppo spaziale monoclino Cc (gruppo spaziale n. 9) con simmetria pseudo-ortorombica (Pmca (n. 57, posizione 3); ac /√2 ⊗ ac /√ 2 ⊗ 2ac), dove ac corrisponde alla lunghezza di un asse della cella unitaria cubica indisturbata.
Proprietà La magnetite è altamente resistente agli acidi e agli alcali. La sua durezza Mohs varia tra 5,5 e 6,5 e la sua densità tra 5,1 e 5,2 g/cm³, a seconda della sua purezza. Il colore del suo striscio è nero
Magnetismo La magnetite è uno dei minerali ferrimagnetici più forti. Quando la temperatura scende al di sotto della temperatura di Curie di 578 °C, la magnetizzazione è per lo più allineata nella direzione del campo magnetico terrestre, risultando in una polarizzazione magnetica residua dell'ordine di 500 nT. In questo modo, i cristalli di magnetite possono preservare la direzione del campo magnetico terrestre al momento della loro formazione. Lo studio della direzione di magnetizzazione delle rocce laviche (basalto) ha portato i geologi a credere che in un lontano passato la polarità magnetica della Terra dovesse effettivamente essersi invertita di tanto in tanto.
Le proprietà magnetiche della magnetite, che sono note e utilizzate da molto tempo, possono essere spiegate molto bene osservando la struttura cristallina locale. Fe3O4 è un ferrimagnete, archetipo per le ferriti degli spinelli. L'ordine magnetico nella magnetite può essere ben compreso nel contesto del modello di Néel di due sottogriglie. Nel modello, si assume che l'interazione di scambio tra i siti ottaedrici e tetraedrici degli ioni di ferro coordinati con l'ossigeno sia fortemente negativa e che l'interazione di scambio tra gli ioni sugli stessi sottoreticoli sia anch'essa negativa, ma in quantità inferiore. Ne consegue che gli ioni dello stesso sottoreticolo assumerebbero una posizione di spin antiferromagnetico l'uno rispetto all'altro se questa inclinazione non fosse contrastata da una più forte interazione di scambio tra gli ioni dei diversi sottoreticoli. La forza relativa dell'interazione di scambio tra gli ioni di diversi sottoreticoli è dovuta alle differenze nelle distanze tra gli ioni dello stesso sottoreticolo e gli ioni di sottoreticoli diversi. Questo ordinamento preferisce una disposizione antiparallela dei momenti magnetici dei sottoreticoli, di cui gli ioni del sottoreticolo hanno una disposizione parallela di spin l'uno all'altro. Nella magnetite, i momenti efficaci dei sottoreticoli A/B si accoppiano antiferromagneticamente tramite superscambio. Lo ione Fe2+ ha lo spin S = 2 (4 μB; μB sta a indicare il magnetone di Bohr.) e lo ione Fe3+ lo spin S = 5/2 (5 μB), in modo che la disposizione antiparallela degli ioni Fe3+ sul sottoreticolo A e degli ioni Fe2+/3+ sul sottoreticolo B come spiegato sopra si traduce in un momento di saturazione effettivo di (5-5+4) µB =4 µB. La temperatura di Néel o di Curie della magnetite è insolitamente alta ed è TN = 850 K.
Transizione di Verwey Nella curva di conducibilità della magnetite, dove la conducibilità è tracciata sulla temperatura, la caratteristica più sorprendente è un brusco cambiamento di due ordini di grandezza a T=120 K. La magnetite passa da un cattivo conduttore nella fase ad alta temperatura (circa 0,2 mΩm a T > 120 K) a un isolante nella fase a bassa temperatura (40 mΩm a T < 120 K). Questo comportamento fu sistematicamente studiato da Evert Verwey nel 1939 e fu pubblicata la prima spiegazione teorica dell'effetto. In suo onore, questa transizione e tutte le transizioni fisicamente simili sono chiamate transizioni di Verwey. Le prime indicazioni di una transizione di fase in un intervallo di temperatura intorno a 120 K sono state fornite dalle prime misurazioni della capacità termica su campioni prodotti sinteticamente. La transizione di fase può essere caratterizzata come una transizione isolante-isolante.
Pseudosfaldatura La magnetite non presenta sfaldatura ma in alcuni esemplari può accadere che si rompano in blocchetti di forma ottaedrica a causa del fenomeno della pseudosfaldatura.
Proprietà chimico-fisiche È un buon conduttore di elettricità Lentamente e difficilmente solubile in acido cloridrico Peso molecolare: 231,54 gm Indice di fermioni: 0,01 Indice di bosoni: 0,99 Fotoelettricità: 22,14 barn/elettroni
Modifiche e varietà La titanomagnetite (nota anche come magnetite titanifera) è il nome dato ai cristalli misti della serie magnetite (Fe3O4) e ulvöspinello (Fe2TiO4). La formula del cristallo misto è generalmente definita come Fe2+(Fe3+,Ti)2O4 (più precisamente anche con xFe2TiO4·(1-x)Fe3O4). Questa serie di miscelazione è completa solo al di sopra di circa 600 °C. Quando le temperature scendono, i cristalli misti si disintegrano e si formano lamelle di segregazione di ulvöspinello e magnetite. La variante più comune di titanomagnetite è la cosiddetta TM60 con un contenuto di ulvöspinello di circa il 60%.
La tinomagnetite è di grande importanza nello studio del paleomagnetismo, in quanto diventano ferromagnetiche quando vengono raffreddate al di sotto delle rispettive temperatura di Curie e quindi si allineano permanentemente con il campo magnetico terrestre nella roccia circostante. Ad esempio, nei basalti su entrambi i lati della dorsale di Juan de Fuca, non solo è stato possibile determinare l'età crescente della roccia in generale in funzione della sua distanza dalla cresta, ma anche la polarità del campo magnetico terrestre sulla base della titanomagnetite che contenevano.
Origine e giacitura Formazione naturale La magnetite può formarsi nelle magmatiti, nelle metamorfiti e nelle sedimentiti (come nelle rocce delle sequenze ofiolitiche). Nelle magmatiti mafiche come i basalti (soprattutto quelle appartenenti alle serie tholeiitiche) o i gabbri, ad esempio, è spesso un importante componente secondario che spesso cristallizza precocemente e quindi forma cristalli ben definiti. Tuttavia, può anche formare dendriti in rocce rapidamente solidificate (limburgiti). Inoltre, può essere trovato facilmente in numerose altre rocce vulcaniche e plutoniche.
Di particolare rilievo sono principalmente le rocce di magmatite e apatite, che sono importanti depositi commerciali (ad esempio Kiruna nel nord della Svezia) e si pensa siano di origine magmatica liquida: la differenziazione magmatica ha portato a una fusione parziale che ha il carattere dell'ossido, cioè non contiene praticamente componenti di silicati. A Kiruna, questa fusione parziale ha formato un corpo intrusivo; tuttavia, sono note anche colate laviche da tali rocce (ad esempio a El Laco in Cile).
In combinazione con l'attività vulcanica, la magnetite può anche essere formata dalla pneumatolisi, quando i gas vulcanici contenenti ferro (che trasportano composti di ferro volatili come il cloruro ferrico) possono reagire con le rocce carbonatiche ospiti. Questo meccanismo può essere utilizzato anche per formare depositi (depositi di minerale di Skarn) con magnetite.
Nelle rocce metamorfiche, la magnetite è un minerale comune che può essere formato da numerosi minerali precursori contenenti ferro, specialmente in condizioni di metamorfismo di contatto. Un esempio di metamorfiti, spesso ad alto contenuto di magnetite, sono le rocce smerigliose formate dalle bauxiti. Esempi di rocce di magnetite metamorfiche a livello regionale sono le pietre di ferro a bande di quarzo, che sono anche importanti come depositi di ferro.