黄鉄鉱

黄鉄鉱
ペルー、アンカシュ、ワンサラ鉱山産の、光沢のある立方晶系黄鉄鉱の連晶。表面には特徴的な縞模様が見られる。標本サイズ: 7.0 × 5.0 × 2.5 cm
一般的な
カテゴリ	硫化鉱物
式 （繰り返し単位）	鉄S2
IMAシンボル	ピ[1]
シュトランツ分類	2.EB.05a
ダナ分類	2.12.1.1
結晶系	キュービック
クリスタルクラス	二倍体（m 3） HM記号：（2/m 3）
空間群	P a 3
単位セル	a = 5.417  Å、Z = 4
識別
式量	119.98 グラム/モル
色	淡い真鍮色の反射性。変色すると暗くなり、虹色に輝きます。
クリスタル習慣	立方体で、面には縞模様がある場合もありますが、八面体や黄鉄鉱面体であることも少なくありません。多くの場合、相互に成長し、塊状、放射状、粒状、球状、鍾乳石状になります。
姉妹都市	貫通と接触双晶形成
胸の谷間	{001} では不明瞭、{011} と {111} では分離
骨折	非常に不均一で、時には貝殻状になる
粘り強さ	脆い
モース 硬度	6～6.5
光沢	メタリックで輝く
連勝	緑がかった黒から茶色がかった黒
透けて見える	不透明
比重	4.95～5.10
密度	4.8～5g/ cm3
融着性	2.5～3 磁性球
溶解度	水に溶けない
その他の特徴	常磁性
参考文献	[2] [3] [4] [5]

鉱物黄鉄鉱 （/ ˈ p aɪ r aɪ t / PY -ryte）^[6]または黄鉄鉱は、愚者の黄金としても知られ、化学式Fe S 2（二硫化鉄（II））の硫化鉄です。黄鉄鉱は最も_豊富な硫化鉱物です。^[7]

黄鉄鉱の金属光沢と淡い黄銅色の色合いは、一見すると金に似ていることから、愚者の黄金というよく知られたニックネームが付けられています。この色から、黄鉄鉱は主に石炭に含まれる黄鉄鉱を指すために、真鍮、ブラズル、ブラジルというニックネームも付けられています。^{[8] [9]}

黄鉄鉱という名前は、ギリシャ語の πυρίτης λίθος ( pyritēs lithos )、「火を起こす石または鉱物」に由来しており、 ^[10]、πῦρ ( pŷr )、「火」に由来しています。 ^{[11]古代ローマ時代には、この名前は}鋼鉄にぶつかると火花を散らす数種類の石に適用されていました。大プリニウスは、そのうちの1つを真鍮のような石と表現しており、これは現在黄鉄鉱と呼ばれているものを指していることはほぼ間違いありません。^[12]

 1550年頃のゲオルギウス・アグリコラの時代までに、この用語はすべての硫化鉱物の総称となっていた。^[13]

黄鉄鉱は、通常、石英脈、堆積岩、変成岩、石炭層、化石の代替鉱物として他の硫化物や酸化物と共存して発見されるが、鱗状足腹足類の骨片にも確認されている。^[14]「愚者の黄金」というあだ名がつけられているにもかかわらず、黄鉄鉱は少量の金と共存して発見されることもある。金の相当な割合は、黄鉄鉱に組み込まれた「目に見えない金」である（カーリン型金鉱床を参照）。金とヒ素の両方が存在するのは、結合置換の例であると示唆されているが、1997年時点では金の化学的状態は依然として議論の的となっている。^[15]

黄鉄鉱は16世紀から17世紀にかけて、初期の銃器、特にホイールロックの点火源として一時的に人気を博しました。ホイールロックでは、黄鉄鉱のサンプルを円形のやすりに当てて、銃を発射するために必要な火花を発生させました。^[16]

南オーストラリア州のカウルナ族は、火起こしの伝統的な方法として、火打ち石と樹皮で作った火口と一緒に黄鉄鉱を使用しています。 ^[17]

黄鉄鉱は古代から硫酸鉄の製造に使われてきました。黄鉄鉱は堆積され、風化させられました（堆積浸出の初期の形態の例）。堆積からの酸性の流出物は鉄と一緒に煮沸され、硫酸鉄が作られました。15世紀には、硫酸源として硫黄を燃焼させる代わりに、このような浸出の新しい方法が採用され始めました。19世紀までに、この方法が主流になりました。^[18]

黄鉄鉱は、製紙産業や硫酸製造などの用途で、二酸化硫黄の生産に商業的に使用されています。黄鉄鉱は540℃（1,004℉）でFeS（硫化鉄（II））と元素硫黄に熱分解し始め、約700℃（1,292℉）でp _{S 2}は約1気圧になります。^[19]

黄鉄鉱の新しい商業的用途としては、エナジャイザーブランドの非充電式リチウム金属電池の正極材料としての利用がある。^[20]

黄鉄鉱は0.95 eVのバンドギャップを持つ半導体材料である。^[21]純粋な黄鉄鉱は結晶と薄膜の両方の形態で自然にn型であり、これは黄鉄鉱結晶構造中の硫黄空孔がn型ドーパントとして作用するためである可能性がある。^[22]

20 世紀初頭、黄鉄鉱はラジオ受信機の鉱物検出器として使用され、現在でも鉱石ラジオ愛好家によって使用されています。真空管が成熟するまで、鉱石検出器は入手可能な最も感度が高く信頼性の高い検出器でした。鉱物の種類によって、また特定の種類の鉱物内の個々のサンプルによっても、かなりのばらつきがありました。黄鉄鉱検出器は、方鉛鉱検出器と機械的に複雑なペリコン鉱物ペアの中間に位置していました。黄鉄鉱検出器は、現代の 1N34Aゲルマニウムダイオード検出器と同等の感度を持つ場合があります。^{[23] [24]}

黄鉄鉱は、低コストの太陽光発電パネルに使用できる、豊富で無毒で安価な材料として提案されている。 ^[25]合成硫化鉄は硫化銅とともに太陽光発電材料の製造に使用された。^[26]最近では、完全に黄鉄鉱で作られた薄膜太陽電池の開発が進められている。^[22]

黄鉄鉱は白鉄鉱ジュエリーを作るのに使われる。白鉄鉱ジュエリーは、小さなファセット加工された黄鉄鉱の破片を銀にセットしたもので、古代から作られ、ビクトリア朝時代には人気があった。^[27]この用語がジュエリー作りで一般的になった当時、「白鉄鉱」は黄鉄鉱を含むすべての硫化鉄を指し、色が薄く、脆く、化学的に不安定で、ジュエリー作りには適さない斜方晶系鉱物の白鉄鉱を指すものではなかった。_白鉄鉱ジュエリーには実際には鉱物の白鉄鉱は含まれていない。黄鉄鉱の標本は、良質の結晶として現れた場合は装飾に使われる。また、鉱物収集でも非常に人気がある。最高の標本が見つかる場所としては、ソリア州とラ・リオハ州（スペイン）がある。^[28]

金額ベースで見ると、中国（4,700万ドル）は世界最大の輸入未焙焼黄鉄鉱市場であり、世界の輸入の65％を占めています。中国は未焙焼黄鉄鉱の輸入に関しても最も急速に成長しており、2007年から2016年までのCAGRは+27.8％です。 ^[29]

2020年7月、科学者たちは、通常は反磁性の黄鉄鉱が電圧によって強磁性体へと変化する現象を観察したと報告した。これは太陽電池や磁気データストレージなどのデバイスへの応用につながる可能性がある。^{[30] [31]}

アイルランドのトリニティ・カレッジ・ダブリンの研究者らは、グラフェンなどの他の2次元層状材料と同様に、単純な液相剥離法でFeS _{2を数層に剥離できることを実証した。これは、3DバルクFeS 2から非層状2Dプレートレットの生成を実証した初の研究である。さらに、研究者らは、20%の単層カーボンナノチューブを含むこれらの2Dプレートレットをリチウムイオン電池のアノード材料として使用し、FeS 2}の理論容量に近い1000 mAh/gの容量を達成した。^[32]

2021年には、天然の黄鉄鉱を粉砕して前処理した後、液相剥離して2次元ナノシートを作成し、リチウムイオン電池のアノードとして1200mAh/gの容量を示した。^[33]

各原子に正式な酸化状態を割り当てる古典的な無機化学の観点からは、黄鉄鉱と白鉄鉱はおそらく Fe ²⁺ [S ₂ ] ²⁻と記述するのが最も適切でしょう。この形式主義は、黄鉄鉱中の硫黄原子が明確な S–S 結合で対になって存在することを認めています。これらの過硫化物[ ^– S–S ^{– ] 単位は、}二硫化水素H ₂ S ₂に由来するものと見なすことができます。したがって、黄鉄鉱は、より説明的には二硫化鉄ではなく過硫化鉄と呼ばれます。対照的に、モリブデン鉄Mo S _{2 は}、孤立した硫化物 S ²⁻中心を特徴とし、モリブデンの酸化状態は Mo ⁴⁺です。鉱物である硫ヒ鉄鉱の化学式は Fe As Sです。黄鉄鉱が_{[ S 2} ] ^{2–単位を}持つのに対し、古典的な酸化状態の分析では、黄砒鉄鉱はFe ³⁺ [AsS] ³⁻と記述されることが推奨される。^[34]

鉄黄鉄鉱 FeS _{2 は、}結晶学的黄鉄鉱構造の原型化合物である。構造は立方晶であり、 X 線回折によって解明された最初の結晶構造の 1 つであった。^[35]これは結晶学的空間群Pa 3に属し、 Strukturbericht表記法 C2で示される。熱力学的標準条件下では、化学量論的鉄黄鉄鉱 FeS _2の格子定数は541.87 pmである。^[36]単位格子は、 S ${\displaystyle a}$
₂イオンが埋め込まれている。（ただし、面の鉄原子は、平行移動だけでは角の鉄原子と同等ではないことに注意。）黄鉄鉱構造は、遷移金属MとカルコゲンX = O、S、Se、Teの他のMX _{2化合物にも}見られます。XがP 、 As 、 Sbなどを表す特定のジプニクタイドも黄鉄鉱構造をとることが知られています。^[37]

Fe原子は6つのS原子と結合しており、歪んだ八面体を形成している。この物質は半導体である。Feイオンは通常、低スピン 二価状態であると考えられている（メスバウアー分光法とXPSで示されるように）。この物質は全体として、その低スピン二価性にもかかわらず、ヴァン・ヴレック常磁性体として振る舞う。^[38]

硫黄中心は対になって存在し、S ₂ ²⁻と記述される。^[39]黄鉄鉱をカリウムで還元すると、ジチオ鉄酸カリウム、KFeS ₂が得られる。この物質は、鉄(III)イオンと孤立した硫化物（S ^2-）中心を特徴とする。

S原子は四面体で、3つのFe中心と1つの他のS原子に結合している。FeおよびS位置のサイト対称性は、それぞれ点対称群 C _{3 i}およびC ₃によって説明される。S格子サイトでの反転中心の消失は、鉄黄鉄鉱の結晶学的および物理的特性に重要な影響を及ぼしている。これらの影響は、硫黄格子サイトで活性な結晶電場から生じ、黄鉄鉱格子内のSイオンの分極を引き起こす。 ^{[40]分極は、高次の}マデルング定数に基づいて計算することができ、一般化されたボルン・ハーバーサイクルを使用して格子エネルギーの計算に含める必要がある。これは、硫黄対の共有結合が厳密にイオン的な処理では十分に説明されていないという事実を反映している。^[41]

硫化ヒ素鉱は、SS対ではなくヘテロ原子As-S対を持つ関連構造を持っています。白鉄鉱もホモ原子陰イオン対を持っていますが、金属と二原子陰イオンの配置は黄鉄鉱とは異なります。その名前にもかかわらず、黄銅鉱（CuFeS
₂）には二価イオン対は含まれず、単一のS ²⁻硫化物イオンが含まれます。

黄鉄鉱は通常、直方体の結晶を形成し、時には密接に結合してフランボイドと呼ばれるラズベリー形の塊を形成する。しかし、特定の状況下では、吻合フィラメントまたはT字型の結晶を形成することもある。^{[42]黄鉄鉱は、ピリトヘドラとして知られる正}十二面体 とほぼ同じ形状を形成することもあり、これは紀元前5世紀にヨーロッパで発見された人工幾何学モデルの説明を示唆している。^{[43] [説明が必要]}

カティエライト（Co S ₂）、ヴァーサイト（Ni S ₂）、ハウエライト（Mn S ₂）、スペリライト（Pt As ₂）は構造が似ており、黄鉄鉱グループに属します。

ブラボアイトはニッケル・コバルトを含む黄鉄鉱の一種で、黄鉄鉱内のFe 2+がNi 2+に50%以上置換されている^。ブラボアイト^は正式に認められた鉱物ではなく、ペルーの科学者ホセ・J・ブラボ（1874-1928）にちなんで名付けられた。^[44]

黄鉄鉱は、その硬さ、脆さ、結晶形態によって天然金と区別できます。黄鉄鉱の割れ目は非常に不均一で、優先面に沿って割れないため貝殻状になることもあります。天然金の塊、つまり輝きは、割れることはなく、延性的に変形します。黄鉄鉱は脆く、金は展性があります。

天然の金は下面晶系（はっきりした面のない不規則な形）である傾向があるのに対し、黄鉄鉱は立方体または多面体の結晶で、よく発達した鋭い面があり、簡単に見分けることができます。結晶化が進んだ黄鉄鉱の結晶は自形（きれいな面を持つ）です。黄鉄鉱は多くの場合、表面に見られる条線で区別できます。黄銅鉱（CuFeS ₂）は、湿っていると緑がかった明るい黄色になり、より柔らかい（モース硬度3.5～4）。^[45]黄ヒ鉄鉱（FeAsS）は銀白色で、湿っていても黄色が強くなることはありません。

黄鉄鉱は、地球表面に存在する酸化条件にさらされると不安定になります。大気中の酸素や水、または湿気と接触すると、最終的に鉄オキシ水酸化物（フェリハイドライト、FeO(OH)）と硫酸（H
₂それで
₄このプロセスは、黄鉄鉱を酸化して最初に第一鉄イオン（Fe^2歳以上
）、硫酸イオン（SO²⁻⁴
_...）、そして陽子（H ⁺、またはH ₃ O ⁺）を放出する。第2段階では、鉄イオン（Fe ^2歳以上
）はO ₂によって酸化されて鉄（III）イオン（Fe^3歳以上
）が加水分解されてH ⁺イオンも放出され、FeO(OH) が生成されます。これらの酸化反応は、黄鉄鉱が細かく分散している場合（泥質堆積物または採掘作業からの粉塵中の硫酸還元細菌（SRB）によって最初に形成されたフランボイダル結晶）により、より急速に起こります。  

大気中の酸素による黄鉄鉱の酸化は、_水分（ H ₂ O ）の存在下では、最初に鉄イオン（Fe^2歳以上
) と硫酸が硫酸イオンと陽子に分解し、酸性鉱山排水(AMD)が発生します。黄鉄鉱によって引き起こされる酸性岩石排水の例として、2015 年のゴールド キング鉱山の廃水流出があります。

${\displaystyle {\ce {2FeS2{\scriptstyle (s)}+7O2{\scriptstyle (g)}+2H2O{\scriptstyle (l)}->2Fe^{2+}{\scriptstyle (aq)}+4SO4^{2-}{\scriptstyle (aq)}+4H+{\scriptstyle (aq)}}}}$. ^[46]

黄鉄鉱の酸化は非常に発熱性が高いため、硫黄含有量の高い炭層の地下炭鉱では、自然発火による深刻な問題が時折発生しています。^{[47]解決策としては、緩衝爆破と、採掘された部分を}密閉して酸素を遮断するためのさまざまなシーリング剤や被覆剤の使用が挙げられます。^[48]

現代の炭鉱では、粉塵爆発の危険性を減らすために、露出した石炭の表面に石灰石の粉塵を散布しています。これには、黄鉄鉱の酸化によって放出された酸を中和し、上記の酸化サイクルを遅くするという副次的な利点があり、自然発火の可能性を減らします。しかし、長期的には酸化が継続し、形成された水和硫酸塩が結晶化圧力を及ぼし、岩石の亀裂を広げ、最終的には天盤崩落につながる可能性があります。^[49]

黄鉄鉱を含む建築用石材は、黄鉄鉱が酸化すると茶色に染まる傾向がある。この問題は、白鉄鉱が含まれていると著しく悪化すると思われる。 [ ^50]コンクリートの製造に使用される骨材に黄鉄鉱が含まれていると、黄鉄鉱が酸化すると深刻な劣化につながる可能性がある。^[51] 2009年初頭、ハリケーン・カトリーナ後に米国に輸入された中国製の乾式壁の問題は、黄鉄鉱の酸化と、それに続く微生物による硫酸還元によって硫化水素ガス（H ₂ S）が放出されたことによるものとされた。これらの問題には、悪臭や銅線の腐食が含まれていた。 ^[52]米国、カナダ、^[53]、さらに最近ではアイルランド^{[54] [55] [56]}では、黄鉄鉱が床下充填材として使用されており、黄鉄鉱汚染によって大きな構造的損傷が発生している。硫酸イオン、つまり硫酸にさらされたコンクリートは硫酸塩攻撃によって劣化します。エトリンガイト（コンクリートの細孔内で大きな結晶化圧力をかける小さな針状結晶）や石膏などの膨張性鉱物相の形成により、コンクリートマトリックス内に内部張力が生じ、硬化したセメントペーストが破壊され、コンクリートにひび割れや亀裂が生じ、最終的には構造物の破壊につながる可能性があります。建設用骨材の標準化試験^[57]では、このような材料に黄鉄鉱や白鉄鉱が含まれていないことが証明されています。

黄鉄鉱は最も一般的な硫化鉱物であり、火成岩、変成岩、堆積岩に広く分布しています。火成岩では一般的な副次鉱物ですが、元のマグマ内の混ざらない硫化物相から生じた大きな塊として発生することもあります。変成岩では接触変成作用の産物として見られます。高温熱水鉱物としても形成されますが、低温で形成されることもあります。^[2]

黄鉄鉱は、元の堆積物中に存在する一次鉱物として、また続成作用中に堆積した二次鉱物として存在します。^[2]黄鉄鉱と白鉄鉱は、還元環境条件下で形成された黒色頁岩やその他の堆積岩中の化石の後に、置換擬似体としてよく見られます。^[58]黄鉄鉱は頁岩中の副鉱物としてよく見られ、無酸素海水からの沈殿によって形成され、石炭層にはしばしばかなりの量の黄鉄鉱が含まれています。^[59]

注目すべき鉱床は、米国バージニア州でレンズ状の塊として発見され、他の多くの場所でも少量が発見されています。大規模な鉱床は、スペインのリオティントやイベリア半島の他の場所で採掘されています。^[60]

タイの人々 (特に南部) の信仰では、黄鉄鉱はカオ トックプラ ルアン、カオ コーン バット プラ ルアン(ข้าวตอกพระร่วง、 ข้าวก้นบาตรพระร่วง) またはPhet na tang、Hin na tang (เพชรหน้าทั่ง、 หินหน้าทั่ง)。それは悪や黒魔術、悪魔を防ぐ力を持つ神聖なアイテムであると信じられています。^{[61] [62]}

• 
  フランス産アンモナイトの代替鉱物として
• 
  スペイン、ラ・リオハ州ナバジュンのアンプリアシオン・ア・ビクトリア鉱山産の黄鉄鉱
• 
  スウィートホーム鉱山産の黄鉄鉱。透明な石英針の層の上に、小さな四面体石と混ざり合った金色の縞模様の立方体がある。
• 
  放射状の黄鉄鉱
• 
  黄鉄鉱の中のParaspirifer bownockeri
• 
  片側に黄鉄鉱、もう片側に金属方鉛鉱が挟まれたピンク色の蛍石
• 
  黄鉄鉱立方八面体結晶（黄色）と磁硫鉄鉱（ピンクがかった黄色）の共生の SEM 画像

• 鉄硫黄世界仮説
• 硫黄同位体生物地球化学

• アメリカ地質学研究所、2003年、「鉱業、鉱物および関連用語辞典」、第2版、Springer、ニューヨーク、ISBN 978-3-540-01271-9。 
• デイヴィッド・リカード『黄鉄鉱：愚者の黄金の自然史』オックスフォード、ニューヨーク、2015年、ISBN 978-0-19-020367-2。 

ウィキメディア・コモンズには、黄鉄鉱に関連するメディアがあります。

• 黄鉄鉱。仮想鉱物博物館。サラゴサ大学、スペイン
• ナバジュン鉱山の有名な黄鉄鉱結晶に関する教育記事
• 鉱物がどのように形成され、変化するか「室内条件下での黄鉄鉱の酸化」。
• ポリアコフ、マーティン(2009)。「愚者の黄金」。ビデオの周期表。ノッティンガム大学。