Magnetit, veraltet auch als Magnetstein, Magneteisen, Magneteisenstein oder Eisenoxiduloxid, ist ein sehr häufig vorkommendes Mineral aus der Mineralklasse der „Oxide und Hydroxide“ mit der Endgliedzusammensetzung Fe2+Fe3+2O4 (vereinfacht Fe3O4). Magnetit ist damit chemisch gesehen ein Eisen(II,III)-oxid.
Magnetit kristallisiert im kubischen Kristallsystem und entwickelt bei natürlicher Entstehung meist zentimetergroße, oktaederförmige Kristalle, aber auch körnige bis massige Aggregate von graubrauner bis schwarzer, metallisch glänzender Farbe. Aufgrund seines hohen Eisenanteils von bis zu 72,4 % gehört Magnetit zu den wichtigsten Eisenerzen und sein starker Magnetismus ermöglicht viele technische Anwendungen.
Magnetit bildet mit Ulvöspinell (Fe2TiO4) eine Mischkristallreihe, deren Zwischenglieder als Titanomagnetit bezeichnet werden.
Etymologie und Geschichte mini|Magnetit mit anhaftenden Nägeln Aus dem lateinischen Wortstamm magnet- (mit dem Nominativ magnes – Magnet) entstanden die Bezeichnungen Magnet (von mittelhochdeutsch magnete), als mittelalterlicher Mineralname Magneteisenstein (auch „magnetenstain“) und der 1845 von Wilhelm Haidinger eingeführte Name Magnetit.
Bereits seit dem 11. Jahrhundert v. Chr. nutzten die Chinesen die magnetischen Eigenschaften des Minerals.
Ein Stein magnetis war Berichten des Theophrast zufolge den Griechen bekannt. Bei dem römischen Schriftsteller Plinius dem Älteren lässt sich der Hinweis auf einen Stein namens magnes finden, der nach einem Hirten gleichen Namens bezeichnet sein soll. Dieser Hirte habe den Stein auf dem Berg Ida gefunden, als die Schuhnägel und die Spitze seines Stocks am Erdboden haften blieben. Plinius unterschied mehrere Arten des magnes, vor allem aber einen „männlichen“ und einen „weiblichen“, von denen jedoch nur der männliche die Kraft besaß, Eisen anzuziehen, und damit dem eigentlichen Magnetit entsprach. Bei „weiblichen“ magnes handelte es sich vermutlich um Manganerz, dem „männlichen“ im Aussehen ähnlich, oder auch um ein Mineral von weißer Farbe, das später als Magnesit MgCO3 bezeichnet wurde.
Eine andere mögliche Übersetzung des Namens ist magnesischer Stein, angelehnt an die Landschaft Magnesia in Thessalien oder an eine gleichnamige Stadt (Magnesia am Mäander oder Magnesia am Sipylos). Möglich ist auch die Benennung von Magnetit nach anderen griechischen bzw. kleinasiatischen Orten gleichen Namens, in denen schon vor über 2500 Jahren Eisenerzbrocken mit magnetischen Eigenschaften gefunden wurden.
Da der Magnetit bereits lange vor der Gründung der International Mineralogical Association (IMA) 1958 bekannt und als eigenständige Mineralart anerkannt war, wurde dies von ihrer Commission on New Minerals, Nomenclature and Classification (CNMNC) übernommen und bezeichnet den Magnetit als sogenanntes „grandfathered“ (G) Mineral. Die seit 2021 ebenfalls von der IMA/CNMNC anerkannte Kurzbezeichnung (auch Mineral-Symbol) von Magnetit lautet „Mag“.
Da für Magnetit keine Typlokalität definiert ist (Magnesia als Typlokalität gilt als fraglich), gibt es auch kein historisches Typmaterial zu diesem Mineral. Ein Neotypmaterial ist bisher nicht definiert (Stand 2024).
Klassifikation Die strukturelle Klassifikation der International Mineralogical Association (IMA) zählt den Magnetit zur Spinell-Supergruppe, wo er zusammen mit Chromit, Cochromit, Coulsonit, Cuprospinell, Dellagiustait, Deltalumit, Franklinit, Gahnit, Galaxit, Guit, Hausmannit, Hercynit, Hetaerolith, Jakobsit, Maghemit, Magnesiochromit, Magnesiocoulsonit, Magnesioferrit, Manganochromit, Spinell, Thermaerogenit, Titanomaghemit, Trevorit, Vuorelainenit und Zincochromit die Spinell-Untergruppe innerhalb der Oxispinelle bildet. Ebenfalls in diese Gruppe gehören die nach 2018 beschriebenen Oxispinelle Chihmingit und Chukochenit sowie der Nichromit, dessen Name von der CNMNC der IMA noch nicht anerkannt worden ist.
Die Mineral-Systematiken von Strunz und Dana ordnen den Magnetit aufgrund seines kristallchemischen Aufbaus in die Mineralklasse der „Oxide und Hydroxide“ ein.
In der zuletzt 1977 überarbeiteten 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte der Magnetit zur Abteilung „Verbindungen mit M3O4- und verwandte Verbindungen“, wo er gemeinsam mit Franklinit, Jakobsit, Magnesioferrit und Trevorit in der Gruppe „Eisen(III)-Spinelle“ mit der Systemnummer IV/B.01b steht.
In der zuletzt 2018 überarbeiteten Lapis-Systematik nach Stefan Weiß, die formal auf der alten Systematik von Karl Hugo Strunz in der 8. Auflage basiert, erhielt das Mineral die System- und Mineralnummer IV/B.02-020. Dies entspricht ebenfalls der Abteilung „Oxide mit dem Stoffmengenverhältnis Metall : Sauerstoff = 3 : 4 (Spinelltyp M3O4 und verwandte Verbindungen)“, wo Magnetit zusammen mit Cuprospinell, Franklinit, Jakobsit, Magnesioferrit und Trevorit die Gruppe der „Ferrit-Spinelle“ mit der Systemnummer IV/B.02 bildet.
Auch die von der IMA zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet den Magnetit in die Abteilung „Metall : Sauerstoff = 3 : 4 und vergleichbare“ ein. Diese ist weiter unterteilt nach der relativen Größe der beteiligten Kationen. Das Mineral ist hier entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Mit ausschließlich mittelgroßen Kationen“ zu finden, wo es zusammen mit Chromit, Cochromit, Coulsonit, Cuprospinell, Filipstadit, Franklinit, Gahnit, Galaxit, Hercynit, Jakobsit, Magnesiochromit, Magnesiocoulsonit, Magnesioferrit, Manganochromit, Qandilit, Spinell, Trevorit, Ulvöspinell, Vuorelainenit und Zincochromit die „Spinellgruppe“ mit der Systemnummer 4.BB.05 bildet.
In der vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlichen und zuletzt 1997 veröffentlichten Systematik der Minerale nach Dana hat Magnetit die System- und Mineralnummer 07.02.02.03. Dies entspricht ebenfalls der Klasse der „Oxide und Hydroxide“ und dort der Abteilung „Mehrfache Oxide“, wo das Mineral zusammen mit Brunogeierit, Cuprospinell, Franklinit, Jakobsit, Magnesioferrit und Trevorit in der „Spinellgruppe – Untergruppe Eisenspinelle“ mit der Systemnummer 07.02.02 zu finden ist.
Chemismus In der Endgliedzusammensetzung von Magnetit (Fe2+Fe3+2O4) besteht das Mineral im Verhältnis aus je drei Eisen- und 4 Sauerstoffionen pro Formeleinheit. Dies entspricht einem Massenanteil (Gewichtsprozent) von 72,36 Gew.-% Fe und 27,64 Gew.-% O oder in der Oxidform 31,03 Gew.-% Eisen(II)-oxid (FeO) und 68,97 Gew.-% Eisen(III)-oxid (Fe2O3).
Bei natürlichen Magnetiten weichen diese Werte, abhängig von der Stoffzufuhr während der Mineralbildung und bedingt durch Fremdbeimengungen, meist ab. So ergab die Analyse von Mineralproben aus dem „Lover's Pit“ bei Mineville im Essex County des US-Bundesstaates New York eine empirische Zusammensetzung von 30,78 Gew.-% FeO und 68,85 Gew.-% Fe2O3 sowie Fremdbeimengungen von 0,27 Gew.-% Siliciumdioxid (SiO2), 0,21 Gew.-% Aluminiumoxid (Al2O3) und Spuren von Titan(IV)-oxid (TiO2), Magnesiumoxid (MgO) und Calciumoxid (CaO). Die Mikrosondenanalyse an Mineralproben aus „Meier's Find“ in Western Australia ergab eine Zusammensetzung von 31,21 Gew.-% FeO und 67,16 Gew.-% Fe2O3 sowie Fremdbeimengungen von 0,11 Gew.-% SiO2, 0,29 Gew.-% TiO2, 0,44 Gew.-% Al2O3, 0,08 Gew.-% Chrom(III)-oxid (Cr2O3), 0,09 Gew.-% MnO und 0,02 Gew.-% MgO.
Kristallstruktur
mini|Nicht-verzwillingter Magnetit-Einkristallmit typisch oktaedrischem Kristallhabitus mini|Häufig beobachtbare Verzwilligung nach dem Spinell-Gesetz (<111>) Magnetit kristallisiert kubisch in der – bzw. der symmetrisch höchstmöglichen Punktgruppe mm (hexakisoktaedrisch, Nr. 32) – mit dem Gitterparameter a = 8,3985(5) Å und 8 Formeleinheiten pro Elementarzelle.
Strukturell gehört Magnetit zur Spinell-Untergruppe und weist als Einkristall typischerweise Oktaederflächen {111} und seltener Rhombendodekaederflächen {110} auf. Weitaus häufiger kommt es jedoch zur Bildung von Zwillingen nach dem Spinell-Gesetz (Durchkreuzungszwillinge nach <111>).
Die Kristallstruktur von Magnetit bei Raumtemperatur kann gemäß der allgemeinen Formel für Spinelle AB2O4 als Fe3+[Fe3+Fe2+]O4 beschrieben werden. Dabei handelt es sich jedoch um eine inverse Spinell-Struktur, da im Gegensatz zum „normalen Spinell“ beim Magnetit 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. Mithilfe der Pearson-Symbolik kann Magnetit als cF56 beschreiben werden.
Kristallstruktur von MagnetitFarblegende: Fe O
mini|Elementarzelle von Magnetit 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 bzw. O7h mit einem Gitterparameter a = 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 rechts 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. Die Kristallographischen Daten für diese Phase sind Raumgruppe mit dem Gitterparameter a = 8,3985(5) Å und 8 Formeleinheiten pro Elementarzelle.
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 -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 mit pseudo-orthorhombischer Symmetrie (; ac /√2 ⊗ ac /√ 2 ⊗ 2ac), wobei ac der Länge einer Achse der ungestörten kubischen Elementarzelle entspricht.
Eigenschaften Magnetit ist von hoher Beständigkeit gegen Säuren, Laugen und Chlor. Seine Mohshärte schwankt je nach Reinheit zwischen 5,5 und 6,5 und seine gemessene Dichte beträgt 5,175 g/cm³ und die aus den Kristalldaten berechnete Dichte 5,20 g/cm³. Seine Farbe und Strichfarbe sind schwarz. Im Auflicht kann Magnetit aber auch grau mit bräunlicher Tönung erscheinen.
Magnetismus Magnetit ist eines der am stärksten (ferri)magnetischen Minerale. Beim Unterschreiten der Neel- bzw. Curie-Temperatur von 578 °C (entspricht 860 K) richtet sich die Magnetisierung größtenteils in Erdmagnetfeldrichtung aus, so dass eine remanente magnetische Polarisation in der Größenordnung von bis zu 500 nT resultiert. Magnetitkristalle können auf diese Art die Richtung des Erdmagnetfeldes zur Zeit ihrer Entstehung konservieren. Die Untersuchung der Magnetisierungsrichtung von Lavagestein (Basalt) führte Geologen zu der Ansicht, dass sich in ferner Vergangenheit tatsächlich die magnetische Polarität der Erde von Zeit zu Zeit umgekehrt haben müsse.
mini|Antiferromagnetische Kopplung der Momente des A-B-Untergitters