Spinel

Spinel je magnezijev aluminijev oksid MgAl₂O₄ in eden od mineralov iz obsežne spinelne skupine. Staro ime rožnato obarvanega spinela je balaski rubin.

Spinel
Splošno
Kategorija	IV. skupina - Oksidi in hidroksidi
Kemijska formula	MgAl2O4
Lastnosti
Barva	Rdeča, modra, slezenasta, temno zelena, rjava brown, črna
Kristalni habit	Kubičen, oktaedričen
Kristalni sistem	Kubični
Razkolnost	Nerazločen
Lom	Školjkast, neraven
Trdota	7,5 – 8,0
Sijaj	Steklast
Barva črte	Bela
Prozornost	Prozoren do prosojen
Specifična teža	3,6 – 4,1
Optične lastnosti	Izotropen
Lomni količnik	1,719
Pleohroizem	Brez
Topnost	Netopen
Drugo	Nemagneten neradioaktiven, včasih rdeče fluorescira
Sklici

Ime je nastalo iz francoske besede spinelle ali italijanske besede spinella. Obe besedi sta nastali iz latinske beside spina, ki pomeni trn in kaže na obliko kristalov.

Spinelna skupina

Spineli so razred mineralov s splošno formulo A²⁺B₂³⁺O₄^2-, ki kristalizirajo v kubičnem kristalnem sistemu z oksidnimi anioni, razporejenimi v kubični gosti sklad, in kationi A in B, ki zasedajo oktaedrične in tetraedrične intersticije v kristalni mreži. Kationi A in B so lahko dvovalentni, trovalentni ali štirivalentni, na primer magnezij, cink, železo, mangan, aluminij, krom, titan in silicij. A in B sta lahko tudi kationa iste kovine z različnima nabojema. Takšen je na primer magnetit Fe₃O₄ (Fe²⁺Fe₂³⁺O₄^2-). Anion je praviloma oksid, lahko pa je tudi kateri drugi halkogen.

V spinelno skupino mineralov spadajo:

• Aluminijevi spineli
  • spinel - MgAl₂O₄, po katerem se skupina imenuje
  • gahnit - ZnAl₂O₄
  • hercinit - FeAl₂O₄
• Železovi spineli
  • franklinit - (Fe,Mn,Zn)(Fe,Mn)₂O₄
  • jakobsit - MnFe₂O₄
  • magnetit - Fe₃O₄
  • trevorit - NiFe₂O₄
  • ulvöspinel - TiFe₂O₄
  • cinkov ferit - (Zn,Fe)Fe₂O₄
• Kromovi spineli
  • kromit - FeCr₂O₄
  • magneziokromit - MgCr₂O₄
• Drugi minerali s spinelno strukturo
  • forsterit - Mg₂SiO₄
  • ringvudit - (Mg,Fe)₂SiO₄, ki je pogost polimorf olivina iz globine 520 do 660 km in redek mineral v meteoritih.

Lastnosti pravega spinela

Spinel kristalizira v kubičnem kristalnem sistemu. Običajna oblika kristala je oktaeder, pogosto dvojček. Ima nepopoln oktaedričen razkol in školjkast lom. Njegova trdota je 8, gostota pa 3,5-4,1 g/cm³. Je prozoren ali neprozoren s steklastim ali motnim sijajem. Lahko je brezbarven, po navadi pa je rdeč, moder, zelen, rumen, rjav ali črn. V Šri Lanki so našli tudi bel spinel, ki pa se je izgubil. Nekateri spineli spadajo med najbolj cenjene okrasne kamne. Najbolj znani so Black Prince's Ruby in Timur ruby iz britanskih kronskih draguljev in Cote de Bretagne iz nekdanjih francoskih kronskih daguljev. Največji poznani spinel je Samarijski spinel, ki tehta 500 karatov (100 g).

Prozorni rdeči spineli se imenujejo spinelni ali balaski rubini. Do 18. stoletja so jih enačili z rubini, potem pa začeli ime rubin uporabljati samo za rdeče različke korunda, spinele pa so preimenovali v spinel. Ime balaski rubini je nastalo iz imena Balascia, ki je staro ime za provinco Badahšan v Centralni Aziji ob zgornjem toku reke Kokha v Afganistanu. Badahšan je bil več stoletij glavni vir rdečih in rožnatih spinelov.

Nahajališča

Brušeni spinel

Nahajališča pravih spinelov so bila dolgo časa samo rečni prodi v Šri Lanki ter apnenci v provinci Badakšan v Afganistanu in Mogok v Burmi. Nedavno so zelo kakovostne spinele odkrili tudi v marmorjih v Luc Yenu v Vietnamu, Mahengeju in Matombu v Tanzaniji ter Tsavu v Keniji in prodih v Tunduruju v Tanzaniji in Ilakaki na Madagaskarju. Spineli se nahajajo tudi v metamorfnih mineralih in kot primarni mineral v redkih mafičnih vulkanskih kamninah. V teh vulkanskih kamninah so imele magme relativen primanjkljaj alkalij glede na vsebnost aluminija, zato so se aluminijevi oksidi izločili kot korund, ali pa so se spojili z magnezijevim oksidom v spinel. To je tudi eden od razlogov, da so rubini in spineli pogosto na istih nahajališčih.

Spinel (Mg,Fe)(Al,Cr)₂O₄ je pogost v peridotitu v najbolj zgornjem delu zemeljskega plašča na globimi od 450 km, kjer se olivin pretvarja v spinel, do približno 670 km. V večjih globinah se spinel oksidira. V globinah, ki so znatno manjše od Mohorovičićeve nezveznosti, je v peridotitu bolj stabilen aluminijev mineral plagioklaz.

Spinel (Mg,Fe)Al₂O₄ je pogost mineral v nekaterih hondritnih meteoritih.

Struktura

Kristalna struktura spinela

Normalne strukture spinelov so običajno kubični gosti skladi oksidov z eno tetraedrično in dvema tetraedričnima intersticijskima prazninana na oksid. Teraedrične praznine so manjše od oktaedričnih. Ioni B³⁺ zaradi svojega naboja zasedejo oktaedrične praznine, vendar lahko zasedejo samo polovico praznin. Ioni A²⁺ zasedejo 1/8 tetraedričnih praznin. Če imajo ioni primerljive velikosti, takšna zasedba maksimira mrežno energijo. Primer normalnega spinela je MgAl₂O₄.

Inverzne spinelne strukture se od normalnih razlikujejo po tem, da je treba pri njih upoštevati stabilizacijske energije kristalnega polja (CFSE) prisotnih prehodnih kovin. Nekateri ioni imajo izrazite prioritete v oktaedričnih prazninah, kar je odvisno od števila d-elektronov. Če imajo ioni A²⁺ veliko prioriteto v oktaedričnih prazninah, se bodo vrinili v te praznine in iz njih izrinili polovico B³⁺ ionov v tetraedrične praznine. Če imajo iono B³⁺ majhno ali nično stablilizacijsko energijo oktaedričnih praznin (OSSE), nimajo nobene prednosti in bodo zasedli tetraedrične praznine. Primer inverznega spinela je magnetit Fe₃O₄, če imajo ioni Fe²⁺ (A²⁺) visoki spin d⁶, ioni Fe³⁺ (B³⁺) pa visoki spin d⁵.

Porazdelitev kationov v spinelih so dolgo časa razlagali s teorijo kristalnega polja. Ker oktaedrične in tetraedrične praznine v kristalni mreži generirajo različne količine CFSE, bi morala biti najbolj stabilna takšna razporeditev obeh vrst kationov, ki generira največjo CFSE. Takšni trditvi so nasprotovali Burdet in njegovi sodelavci in dokazali, da je prioriteto laže razložiti z relativno velikostjo atomskih orbital s in p obeh udeleženih atomov. Dominantna stabilizacijska interakcija v trdninah namreč ni stabilizacijska energija kristalnega polja, ki jo generirajo interakcije ligandov z d-elektroni, pač pa interakcije σ med kovinskimi kationi in oksidnimi anioni. Takšen pristop lahko razloži anomalije v kristalnih strukturah spinelov, ki jih teorija kristalnega polja ne more razložiti. Na ta način se lahko razloži opazna prioriteta kationov Al³⁺ do oktaedričnih praznin in Zn²⁺ do tetraedričnih. Teorija kristalnega polja zanju trdi, da nimata nobenih prioritet.

Sintetični spinel

Sintetični spinel so po naključju sintetizirali že sredi 18. stoletja.

Viri

• Deer, Howie and Zussman (1966) An Introduction to the Rock-Forming Minerals, Longman, str. 424-433, ISBN 0-582-44210-9
• Shumann, Walter (2006) Gemstones of the World 3rd edition, Sterling, str. 116-117.