Magnetit

[ ]Magnetit, Magneteisenerz, Magneteisenstein, Siegelstein, nach der Stadt Magnesia bei Smyrna (Izmir) in der Türkei benanntes Mineral ( Abb. ) mit der chemischen Formel (Fe³⁺,Fe²⁺)Fe³⁺O₄ und kubisch-hexoktaedrischer Kristallform; Farbe: eisenschwarz; meist fettiger Metallglanz; undurchsichtig; Strich: schwarz; magnetisch; Härte nach Mohs: 5,5-6 (spröd); Dichte: 4,9-5,2 g/cm³; Spaltbarkeit: unvollkommen nach (111); Bruch: muschelig; Aggregate: derb, grob- bis feinkörnig, dicht massig, eingesprengt, lagenförmig, lose oder abgerollte Körner; Kristalle aufgewachsen; vor dem Lötrohr unschmelzbar; nur gepulvert in Salzsäure löslich; Begleiter: Ilmenit, Chlorit, Hämatit, Pyrit, Galenit, Sphalerit, Chalkopyrit, Löllingit; Vorkommen: als Hauptgemenge oxidischer Erze in den meisten Gesteinen, vor allem in kristallinen Schiefern und Kontaktgesteinen sowie lagenweise in fluviatilen wie marinen Sanden; Fundorte: Kirunavaara und Luossavaara (Nordschweden), Kusa (Ural) und Krivoj Rog (Ukraine).

Magnetitist das wichtigste natürliche ferrimagnetische Mineral (Ferrimagnetismus) und findet sich in allen Gesteinstypen. Seine chemische Formel Fe₃O₄ setzt sich additiv aus den beiden Oxiden FeO (Wüstit) und Fe₂O₃(Hämatit) zusammen, es enthält also sowohl dreiwertiges Eisen (Fe³⁺ mit fünf Bohrschen Magnetonen μ_B) als auch zweiwertiges Eisen (Fe²⁺ mit vier Bohrschen Magnetonen). Der kubisch flächenzentrierte Magnetit mit einer Gitterkonstante a₀ = 0,8395 nm zählt zu den inversen Spinellen und besitzt zwei antiparallel magnetisierte magnetische Untergitter in Form der Oktaederlücken (B-Plätze, besetzt mit den Fe²⁺-Ionen und der Hälfte der Fe³⁺-Ionen) und der Tetraederlücken (A-Plätze, besetzt mit der anderen Hälfte der Fe³⁺-Ionen). Die Verteilung der Ionen auf Tetraeder(A)-plätzen und Oktaeder(B)-plätzen (eckige Klammern) sieht folgendermaßen aus: Fe³⁺[Fe²⁺Fe³⁺]O⁴(. Durch die antiferromagnetische Kopplung uind die magnetischen Momente der B-Plätze mit insgesamt 5μ_B+4μ_B= 9μ_B antiparallel zu den Momenten der A-Plätze mit 5μ_B orientiert. Dadurch entsteht ein Restmoment von 9μ_B(5μ_B = 4μ_B pro Formeleinheit. Magnetit hat bei Raumtemperatur eine Sättigungsmagnetisierung von M_S = 480·10³ A/m und ist einer der wichtigsten Träger einer remanenten Magnetisierung in Gesteinen. Die Curie-Temperatur T_C beträgt 578ºC, die Koerzitivfeldstärke H_C hat Werte von höchstens 0,2 T. Magnetit zählt deshalb zu den weichmagnetischen Ferriten, deren remanente Magnetisierung auch durch magnetische Wechselfelder bis 0,2 T = 200 mT zerstört werden kann. Die Stabilität der remanenten Magnetisierung wird aber stark von der Korngröße der Minerale beeinflußt. Die spezifische Suszeptibilität χ_spez hängt von der Korngröße, kann Werte von 10⁶-10⁷·10(⁸m³/kg erreichen und übertrifft dabei diejenige der paramagnetischen Minerale um Größenordnungen. Die dadurch im Erdmagnetfeld entstehende starke induzierte Magnetisierung parallel zum örtlichen Erdmagnetfeld führt bei magnetithaltigen Gesteinen in der Regel zu starken magnetischen Anomalien. [GST, HCS]

Kristallstruktur

Kristallographische Daten

[1] Elementarzelle von Magnetit
Kristallsystem	kubisch
Raumgruppe	Fd3m (Nr. 227)
Gitterparameter (Elementarzelle)	a = 8,3985(5) Å
Zahl (Z) der Formeleinheiten	Z = 8

Magnetitzwilling

[2]Kristallographisch gehört Magnetit zur Spinell-Gruppe und zeigt als natürlich gewachsener Kristall Oktaederflächen {111} und seltener Rhombendodekaederflächen {110}. Häufig kommt es zu Zwillingen nach dem Spinellgesetz (Durchkreuzungszwillinge nach (111)), jedoch nur selten bei eingewachsenen Kristallen.

Die Kristallstruktur von Magnetit (chemische Summenformel Fe₃O₄) kann nach der allgemeinen Formel für SpinelleAB₂O₄ als Fe³⁺[Fe³⁺Fe²⁺]O₄ geschrieben werden. Die Bezeichnung inverse Spinell-Struktur für Magnetit trägt der Tatsache Rechnung, dass 1/3 der Eisenionen (Fe³⁺-Ionen) tetraedrisch und 2/3 der Eisenionen (Fe²⁺- und Fe³⁺-Ionen im Verhältnis 1:1) oktaedrisch vom Sauerstoff koordiniert sind, was gerade invers zum normalen Spinell ist. Die Symmetrie der Hochtemperaturphase (T > 120 K) von Magnetit wurde schon sehr früh im Jahre 1915 aufgeklärt, sie ist kubisch. Genauer gesagt handelt es sich um die Raumgruppe Fd3m (Raumgruppen-Nr. 227) bzw. O⁷_h mit einem Gitterparametera = 8,394 Å. Somit ergeben sich acht Formeleinheiten pro Elementarzelle mit insgesamt 56 Atomen.

Die Struktur der kubischen Hochtemperaturphase (T > 120 K) ist im Bild links schematisch dargestellt. Hier sind die kubisch dichteste Kugelpackung von Oxidionen (grau), die Oktaeder- (türkis) und Tetraederlücken (grau) dargestellt. Die Fe³⁺-Ionen in den Tetraederlücken sind grün und die Fe²⁺-/Fe³⁺-Ionen in den Oktaederlücken dunkelblau hervorgehoben. Das A-Untergitter, das von den tetraedrisch koordinierten Fe³⁺-Ionen aufgebaut wird bildet ein Diamantgitter, während das B-Untergitter der Fe²⁺- bzw. Fe³⁺-Ionen der oktaedrischen Sauerstoffumgebung ein Pyrochlorgitter bildet, das geometrisch frustriert ist. Geometrische Frustration bedeutet dabei, dass eine lokale Ordnung, die durch lokale Wechselwirkungen stabilisiert wird, sich nicht frei durch den Kristall fortsetzen kann. Diese besonderen geometrischen Eigenschaften ermöglichen eine große Anzahl unterschiedlicher Wechselwirkungen mit großer oder geringer Reichweite und sehr ähnlicher Energie, oft mit einem vielfach entarteten Grundzustand. Eine der Möglichkeiten die Entartung aufzuheben, ist eine langreichweitige Ladungs- oder Spinordnung, was zu extrem komplexen Kristallstrukturen führen kann, von denen bis heute nur wenige aufgeklärt sind.

Die genaue Raumgruppe der Tieftemperaturphase (T < 120 K) war bis ins Jahr 1982 nicht eindeutig bestimmt und wird sogar bis heute kontrovers diskutiert. Erst durch eine sorgfältig durchgeführte Neutronenbeugungsanalyse an synthetischen Einkristallen, die bei gleichzeitigem Anlegen von Druck entlang der [111]-Richtung und Kühlen im Magnetfeld gemessen wurden, konnte die kristalline Ordnung unterhalb von T = 120 K aufgeklärt werden. Es handelt sich um eine Verzerrung der monoklinen Raumgruppe Cc (Raumgruppen-Nr. 9) mit pseudo-orthorhombischer Symmetrie (Pmca (Nr. 57, Stellung 3); a_c /√2 ⊗ a_c /√ 2 ⊗ 2a_c), wobei a_c der Länge einer Achse der ungestörten kubischen Elementarzelle entspricht.