Psilomelan

Psilomelan je baryum mangan oxidový minerál, typicky černý nebo tmavě šedý se submetalickým až matným leskem. Často tvoří botryoidní nebo krápníkové hmoty, díky čemuž je vizuálně výrazný. Jako důležitá manganová ruda je psilomelan nedílnou součástí výroby oceli, výroby baterií a různých průmyslových aplikací. Nachází se v oxidačních zónách manganu vklady, hydrotermální žíly a sedimentární prostředí, těží se globálně v lokalitách, jako jsou Spojené státy, Brazílie, Indie a Jižní Afrika.

Psilomelan je znám a využíván již od starověku, především pro svůj obsah manganu. Název minerálu je odvozen z řeckých slov „psilos“, což znamená hladký a „melas“ znamená černý, což odkazuje na jeho typický vzhled. Historicky se psilomelan používal v prehistorických dobách jako pigment a při výrobě skla a keramiky. Poznání jeho významu vzrostlo v 19. století, kdy byl objeven význam manganu v průmyslových procesech, zejména při výrobě oceli.

Objev ložisek psilomelanu byl zásadní během průmyslové revoluce, kdy prudce vzrostla poptávka po manganu. Bylo zjištěno, že mangan zvyšuje pevnost a odolnost oceli, takže je nepostradatelný při výrobě železnic, stavebních materiálů a strojů. Významná ložiska psilomelanu byla nalezena v oblastech, jako jsou Spojené státy, Brazílie, Indie a Jižní Afrika, což přispělo ke globální dodávce manganu a podpořilo průmyslový růst.

V oblasti mineralogie, objev psilomelanu a následné studie poskytly pohled na geologické procesy, které tvoří ložiska manganu. Jeho jedinečné vzorce formování a chemické složení zaujaly vědce, což vedlo k rozsáhlému výzkumu jeho vlastností a potenciálních aplikací. Dnes, zatímco syntetické alternativy a jiné manganové rudy poněkud zastínily psilomelan, zůstává důležitým minerálem v geologických studiích a historických souvislostech.

Chemické složení a struktura psilomelanu

Chemický vzorec

Psilomelanův chemický vzorec je často reprezentován jako BaMn2+Mn84+O16(OH)4BaMn^{2+}Mn^{4+}_8O_{16}(OH)_4BaMn2+Mn84+​O16​(OH)4​, což naznačuje jeho složení jako hydroxid barnatý a manganatý. Tento vzorec se však může lišit v důsledku přítomnosti dalších prvků jako např železo (Fe), hořčík (Mg) a hliník (Al), který se může do struktury substituovat, čímž se stává komplexním minerálem s proměnlivým složením.

Minerální složení a přidružené prvky

Psilomelan je primárně složen z manganu (Mn) a kyslíku (O), s významným množstvím barya (Ba). Přesné složení může být poněkud variabilní v důsledku zahrnutí dalších kovových prvků. Mezi běžně přidružené prvky patří:

• Železo (Fe): Často se vyskytuje ve významných množstvích, přispívá k celkovému složení minerálu a ovlivňuje jeho vlastnosti.
• Hořčík (Mg): Může nahradit mangan v minerální struktuře.
• Hliník (Al): Další možný substituent, i když obvykle v malých množstvích.
• Draslík (K), sodík (Na) a vápník (Ca): Tyto prvky mohou být také přítomny ve stopových množstvích.

Associated minerály vyskytující se u psilomelanu typicky zahrnují další oxidy manganu, jako je pyrolusit (MnO₂) a manganit (MnO(OH)), stejně jako různé oxidy železa jako hematit (Fe₂O3) a goethit (FeO(OH)).

Krystalografie a fyzikální vlastnosti

• Krystalový systém: Psilomelan patří do monoklinického krystalového systému, i když zřídka tvoří dobře definované krystaly. Často se objevuje v botryoidních (hroznovitých) nebo krápníkových hmotách.
• Krystalický zvyk: Psilomelan se typicky tvoří v botryoidních, ledvinovitých (ledvinovitých) nebo krápníkových habitech. Může se také objevit v masivních nebo krustě podobných agregátech.
• Tvrdost: Na Mohsově stupnici má psilomelan tvrdost 5 až 6, což je relativně mírné a umožňuje jeho poškrábání tvrdšími materiály, jako je např. křemen.
• Lesk: Minerál vykazuje submetalický až matný lesk, který se na čerstvě rozbitých površích může jevit poněkud mastný nebo hedvábný.
• Barva: Psilomelan je charakteristicky černý nebo tmavě šedý. Jeho pruh (barva práškového minerálu) je černý nebo tmavě hnědý.
• Hustota: Hustota psilomelanu se pohybuje kolem 3.7 až 4.7 g/cm³, což je relativně vysoká hodnota kvůli přítomnosti těžkých prvků, jako je baryum a mangan.
• Zlomenina a štěpení: Psilomelan má nerovnoměrnou až subkonchoidální zlomeninu, což znamená, že se láme nepravidelně, ale někdy se zakřivenými povrchy. Obvykle postrádá dobře definované štěpení.
• Optické vlastnosti: Vzhledem k tomu, že je psilomelan neprůhledný, nevykazuje v procházejícím světle žádné významné optické vlastnosti. Může vykazovat určitou odrazivost pod odraženým světlem kvůli svému submetalickému lesku.

Celkově lze říci, že jedinečné chemické složení a fyzikální vlastnosti psilomelanu z něj činí zajímavý minerál jak pro průmyslové využití, tak pro vědecké studie. Jeho role jako manganové rudy byla historicky významná a její přítomnost v různých geologických prostředích nadále poskytuje cenné informace o procesech, které tvoří a koncentrují manganové minerály.

Vznik a výskyt Psilomelanu

Geologické procesy vedoucí ke vzniku Psilomelanu

Psilomelan vzniká kombinací chemických a geologických procesů, které zahrnují především oxidaci minerálů bohatých na mangan a skály. Mezi klíčové procesy patří:

1. Počasí a oxidace: Psilomelan se často tvoří v oxidačních zónách ložisek manganu. Když jsou horniny bohaté na mangan vystaveny atmosférickým podmínkám, podléhají chemickému zvětrávání. Kyslík z atmosféry reaguje s minerály obsahujícími mangan, což vede k tvorbě oxidů a hydroxidů manganu, jako je psilomelan.
2. Hydrotermální aktivita: Hydrotermální kapaliny, což jsou horké vody bohaté na minerály, které cirkulují zemskou kůrou, mohou ukládat oxidy manganu, včetně psilomelanu. Tyto tekutiny srážejí oxidy manganu, když se setkají s nižšími teplotami nebo reagují s jinými minerály.
3. Sedimentární procesy: V mořském a jezerním (jezerním) prostředí se může za určitých podmínek z vody vysrážet mangan. Tento proces často zahrnuje akumulaci manganových uzlů na dně oceánu, které mohou zahrnovat psilomelan jako hlavní složku.
4. Sekundární obohacení: Psilomelan se může tvořit procesem sekundárního obohacování, kdy se stávající manganové minerály vyluhují a znovu ukládají v koncentrovanějších formách.

Typická prostředí a geologická nastavení, kde se Psilomelan vyskytuje

Psilomelan se obvykle vyskytuje v následujících geologických prostředích:

1. Oxidační zóny ložisek manganu: Jedná se o oblasti, kde jsou primární manganové minerály vystaveny oxidaci. Psilomelan se běžně vyskytuje v horních částech těchto ložisek.
2. Sedimentární ložiska: V mořském prostředí se na mořském dně mohou hromadit uzlíky manganu obsahující psilomelan. Podobně se psilomelan může tvořit v jezerních sedimentech, kde podmínky podporují srážení oxidů manganu.
3. Hydrotermální žíly: Psilomelan lze nalézt v hydrotermálních žilách, kde horké, na minerály bohaté vody ukládají oxidy manganu, když se ochlazují.
4. Zbytkové vklady: V oblastech s intenzivním zvětráváním se může psilomelan tvořit jako zbytkový minerál, který zůstane v půdě poté, co byly ostatní složky vyluhovány.

Hlavní globální ložiska a těžební místa

Psilomelan se těží především pro svůj obsah manganu a významná ložiska se nacházejí v různých částech světa:

1. United States: Pozoruhodná ložiska se nacházejí v okrese Batesville v Arkansasu a v okrese Lake Valley v Novém Mexiku. Tyto oblasti byly historicky důležitými zdroji manganu.
2. Brazílie: Brazílie je domovem významných ložisek manganu, zejména ve státech Minas Gerais a Mato Grosso. Tato ložiska jsou klíčová jak pro domácí využití, tak pro export.
3. Indie: Okresy Balaghat a Nagpur ve státě Madhjapradéš jsou známé svými značnými ložisky manganu, včetně psilomelanu.
4. Jižní Afrika: Manganové pole Kalahari v provincii Northern Cape je jedním z největších ložisek manganu na světě. Obsahuje významné množství psilomelanu spolu s dalšími manganovými minerály.
5. Austrálie: Ložisko Groote Eylandt v Severním teritoriu je hlavním zdrojem manganové rudy, včetně psilomelanu.
6. Čína: Čína má četná naleziště manganu, přičemž významná produkce pochází z oblastí jako Guangxi a Hunan.

Tyto lokality jsou klíčové pro globální dodávky manganu a těžba psilomelanu z těchto ložisek hraje významnou roli při uspokojování průmyslové poptávky po manganu, který je nezbytný pro výrobu oceli, výrobu baterií a další aplikace.

Použití a aplikace Psilomelanu

Psilomelan, ceněný především pro svůj obsah manganu, má několik významných průmyslových a komerčních aplikací. Níže jsou uvedeny primární použití a aplikace tohoto minerálu:

1. Výroba oceli
   • Legující činidlo: Mangan, odvozený od psilomelanu, je základní legovací činidlo při výrobě oceli. Zlepšuje pevnost, houževnatost a odolnost oceli proti opotřebení. Mangan také působí jako deoxidační a odsiřovací činidlo, odstraňuje kyslík a síra nečistoty z roztavené oceli.
   • Vysokopevnostní ocel: Mangan je klíčový při výrobě vysokopevnostních, nízkolegovaných (HSLA) ocelí, které se používají ve stavebnictví, automobilovém průmyslu a těžkém strojírenství.
2. Výroba baterií
   • Nabíjecí baterie: Oxid manganičitý, derivát manganu z psilomelanu, je klíčovou složkou při výrobě baterií se suchými články, jako jsou alkalické a zinko-uhlíkové baterie. Kromě toho lithium-iontové baterie, které jsou široce používány v elektronice a elektrických vozidlech, často používají v katodách oxid manganu.
3. Chemický průmysl
   • Oxidační činidlo: Sloučeniny manganu, odvozené od psilomelanu, se používají jako oxidační činidla při různých chemických reakcích. Jsou důležité při syntéze chemikálií a při výrobě plynného kyslíku a chlóru.
   • Katalyzátory: Sloučeniny manganu se také používají jako katalyzátory v průmyslových procesech, včetně výroby hnojiv a čistých chemikálií.
4. Sklo a keramika
   • Barvicí agent: Oxid manganičitý se používá jako barvivo ve sklářském a keramickém průmyslu. Dodává sklu fialovou nebo růžovou barvu a používá se k odstranění nazelenalého nádechu způsobeného nečistotami železa.
5. Pigmenty
   • Pigmenty umělců: Historicky se psilomelan používal k výrobě manganové černi, pigmentu používaného v umění a dekoraci. Zatímco moderní syntetické pigmenty jej z velké části nahradily, někteří umělci a konzervátoři stále oceňují přírodní manganové pigmenty pro restaurátorské práce.
6. Vod
   • Filtrační média: Manganový zelený písek, který obsahuje oxidy manganu podobné těm v psilomelanu, se používá v systémech úpravy vody k odstranění železa, manganu a sirovodíku z pitné vody. Funguje jako filtrační médium, oxiduje a zachycuje tyto nečistoty.
7. Elektronika
   • Feroslitiny: Mangan odvozený z psilomelanu se používá při výrobě feromanganu a slitin silikomanganu, které jsou důležité při výrobě elektronických součástek, včetně polovodičů a integrovaných obvodů.
8. Výzkum a vzdělávání
   • Geologické studie: Psilomelan a další manganové nerosty studují geologové a mineralogové, aby pochopili vznik a distribuci ložisek manganu. Slouží také jako referenční vzorky ve vzdělávacím prostředí.
9. Léčivé použití
   • Výživové doplňky: Mangan je nezbytný stopový prvek pro lidské zdraví. Používá se v doplňcích stravy na podporu zdraví kostí, metabolických procesů a antioxidačních funkcí.

Všestrannost Psilomelanu a zásadní role manganu v různých průmyslových odvětvích podtrhují jeho důležitost. Aplikace minerálu, od výroby oceli po úpravu vody a výrobu baterií, zdůrazňují jeho zásadní přínos pro moderní technologie a infrastrukturu.

Související minerály a srovnání

Psilomelan patří do skupiny minerálů oxidu manganu, které sdílejí určité podobnosti, ale mají také výrazné rozdíly ve složení, struktuře a použití. Zde je srovnání psilomelanu s dalšími klíčovými oxidy manganu a podobnými minerály:

1. Pyroluzit (MnO₂)

• Složení: Pyroluzit je primárně složen z oxidu manganičitého (MnO₂).
• Vzhled: Typicky je šedá až černá s kovovým až matným leskem.
• Struktura: Pyroluzit má tetragonální krystalový systém a často tvoří vláknité nebo sloupcovité agregáty.
• použití: Stejně jako psilomelan je pyrolusit důležitou rudou manganu. Je široce používán při výrobě oceli, výrobě baterií a jako pigment.
• Klíčové rozdíly: Pyrolusit je jednoduššího složení, sestává téměř výhradně z MnO₂, zatímco psilomelan je složitější baryum-hydroxid manganu. Pyroluzit obecně tvoří lépe definované krystaly ve srovnání s botryoidálním habitem psilomelanu.

2. Manganit (MnO(OH))

• Složení: Manganit je oxid-hydroxid manganu se vzorcem MnO(OH).
• Vzhled: Obvykle se jeví jako tmavě šedá až černá se submetalickým leskem a tvoří prizmatické krystaly.
• Struktura: Manganit krystalizuje v monoklinickém systému.
• použití: Těží se na mangan a používá se při výrobě oceli a jako katalyzátor při různých chemických reakcích.
• Klíčové rozdíly: Manganit obsahuje ve své struktuře hydroxylové skupiny (OH), čímž se odlišuje od oxidických forem pyrolusitu a psilomelanu. Složení Psilomelanu zahrnuje baryum, které v manganitu chybí.

3. Braunit (Mn²⁺Mn³⁺₆[O₈|SiO₄])

• Složení: Braunit je silikátový minerál se vzorcem Mn2⁺Mn3⁺₆[O₈|SiO₄].
• Vzhled: Je hnědočerný se submetalickým až matným leskem.
• Struktura: Braunit má tetragonální krystalový systém a typicky tvoří zrnité až masivní agregáty.
• použití: Těží se na mangan a používá se při výrobě oceli a dalších průmyslových aplikacích.
• Klíčové rozdíly: Braunite obsahuje mangan i křemík a tvoří silikátovou strukturu, na rozdíl od čistě oxidových nebo hydroxidových struktur psilomelanu, pyrolusitu a manganitu.

4. Hausmannit (Mn²⁺Mn³⁺₂O₄)

• Složení: Hausmannit je oxid manganu se vzorcem Mn2⁺Mn3⁺₂O₄.
• Vzhled: Je černá až hnědočerná s kovovým až matným leskem.
• Struktura: Hausmannit krystalizuje v tetragonální soustavě a často tvoří oktaedrické krystaly.
• použití: Těží se mangan, který se používá při výrobě oceli a jako součást při výrobě baterií.
• Klíčové rozdíly: Hausmannite má a spinel struktura, která je odlišná od struktur ostatních zmíněných oxidů manganu. Obsahuje také Mn2+ a Mn3+, zatímco psilomelan obsahuje primárně Mn2+ a Mn4⁺.

Klíčové podobnosti mezi oxidy manganu

• Zdroj manganu: Všechny tyto minerály jsou významnými zdroji manganu, který je nezbytný pro výrobu oceli a další průmyslové využití.
• Vzhled: Všechny mají tendenci mít tmavou barvu, od šedé po černou nebo hnědočernou a často vykazují kovový až matný lesk.
• Geologický výskyt: Tyto minerály se běžně vyskytují v podobných geologických podmínkách, jako jsou hydrotermální žíly, sedimentární ložiska a oxidační zóny hornin bohatých na mangan.

Klíčové rozdíly

• Složení: Primární rozdíly spočívají v jejich chemickém složení, zejména v přítomnosti dalších prvků, jako je barium v ​​psilomelanu nebo křemík v braunitu.
• Struktura: Krystalografické rozdíly jsou pozoruhodné, s variacemi v krystalových systémech (monoklinický, tetragonální) a habitu (botryoidní, prizmatický, oktaedrický).
• Fyzikální vlastnosti: Rozdíly v tvrdosti, specifické hmotnosti a habitu krystalů mohou pomoci rozlišit tyto minerály v terénu a v laboratorních podmínkách.

Pochopení těchto podobností a rozdílů je klíčové pro mineralogy, geology a průmyslové profesionály, kteří pracují s manganovými rudami a souvisejícími minerály.