Mineraler & Mineralogi

Ilmenit – det sorte sand, der bliver til hvid maling

Udgivet den af Martin Egeskov Pedersen
Sorte ilmenitkrystaller i lys feldspat ved siden af mørkt tungsand
18
okt

Stryg en magnet hen over en stribe sort sand på en jysk strand, og noget af sandet springer op og bliver hængende. En anden del bliver liggende, selv om kornene er lige så sorte og lige så tunge. Den dovne del af det sorte sand er ofte ilmenit, et jern-titan-oxid, som de færreste har hørt om, men som de fleste rører ved hver eneste dag.

Ilmenit er nemlig den vigtigste råvare til titandioxid, det hvide pigment i maling, papir og plast. I denne artikel ser vi på mineralets kemi og krystalstruktur, hvordan det dannes i store magmakamre og på strande, og hvorfor rumfartsorganisationer interesserer sig for ilmenit på Månen.

Hvad er ilmenit?

Ilmenit er et oxidmineral med den idealiserede formel FeTiO3. Hvert formelled indeholder altså ét jernatom, ét titanatom og tre iltatomer. Jernet sidder som Fe2+, og titanet som Ti4+, så ladningerne går op.

I naturen er ilmenit sjældent helt rent. Magnesium og mangan kan tage jernets plads, og mineralet indeholder ofte nogle procent hæmatit (Fe2O3) opløst i gitteret. Rykker sammensætningen helt over mod magnesium, hedder mineralet geikielit (MgTiO3), og ved mangan hedder det pyrophanit (MnTiO3). Geologer taler om en fast opløsning, en slags glidende skala mellem beslægtede mineraler.

Ilmenit hører ligesom magnetit og hæmatit til oxiderne og er i nær familie med hæmatit, og de tre findes ofte side om side. Hvis du vil se, hvor oxiderne placerer sig i det store system, kan du læse vores oversigt over mineralklasserne.

Et navn fra Ural og et fra Cornwall

Mineralet har to fødesteder i historiebøgerne. I 1791 fandt præsten og amatørkemikeren William Gregor sort sand i en bæk ved Manaccan i Cornwall. Han påviste et ukendt metal i sandet og kaldte mineralet manaccanit.

Fire år senere fandt den tyske kemiker Martin Heinrich Klaproth det samme grundstof i rutil og gav det navnet titan efter titanerne i græsk mytologi. Selve navnet ilmenit kom til i 1827, da den tysk-russiske mineralog Adolph Theodor Kupffer opkaldte mineralet efter Ilmenbjergene ved Miass i det sydlige Ural. Et af de mest anvendte metaller i moderne teknologi blev altså opdaget i et stykke sort bæksand.

Krystalstruktur: korund med orden i lagene

Ilmenit krystalliserer i det trigonale krystalsystem. Strukturen er en ordnet udgave af korund, det mineral, der som ædelsten kendes som rubin og safir. I korund sidder aluminium i alle metalpladserne mellem lag af ilt.

I ilmenit er metalpladserne fordelt mellem to slags atomer. Lag med jern og lag med titan skifter langs krystallens c-akse, som etager i et højhus, hvor hver anden etage er beboet af jern og hver anden af titan. Den orden sænker symmetrien en smule i forhold til korund og giver ilmenit dens egne optiske og magnetiske træk.

Hæmatit har også korundstruktur, men med jern i alle pladser. Derfor kan ilmenit og hæmatit blande sig fuldstændigt ved høje temperaturer, og det har en interessant konsekvens, som vi vender tilbage til.

Fysiske egenskaber

Ilmenit er et sort, uigennemsigtigt mineral med metallisk til halvmetallisk glans. Det danner sjældent pæne krystaller. Oftest ses det som korn, plader eller tætte masser i mørke bjergarter og som afrundede sandkorn i tungsand.

EgenskabVærdi
Kemisk formelFeTiO3
MineralklasseOxider
KrystalsystemTrigonalt
Hårdhed (Mohs)5–6
Massefyldeca. 4,7–4,8 g/cm³
FarveJernsort
StregSort til rødligt brun
GlansMetallisk til halvmetallisk
SpaltelighedIngen (afsondring kan forekomme)
BrudMuslingeskalformet
MagnetismeSvag

Med en hårdhed på 5 til 6 på Mohs’ hårdhedsskala ligger ilmenit omkring en stålkniv. Massefylden på knap 4,8 gør mineralet markant tungere end de lyse mineraler kvarts og feldspat. Det er den forskel, der får ilmenit til at samle sig i bunden af både magmakamre og bølgeskyllede strande.

Sådan skiller du ilmenit fra magnetit og hæmatit

De tre sorte jernoxider kan være svære at kende fra hinanden med det blotte øje. To enkle test klarer det meste. Stregen på en uglaseret porcelænsplade og en almindelig køleskabsmagnet er alt, hvad du behøver.

  • Magnetit: sort streg og stærkt magnetisk. Kornene springer op til magneten.
  • Hæmatit: rødbrun streg, også når stykket selv er sort og metallisk.
  • Ilmenit: sort til brunsort streg og kun svagt magnetisk. Rene korn reagerer næsten kun på en kraftig neodymmagnet.

Ren ilmenit er paramagnetisk, hvilket betyder, at den kun tiltrækkes svagt. Naturlige korn kan dog reagere tydeligere, når de indeholder opløst hæmatit eller små indvoksninger af magnetit. Mineralindustrien udnytter netop forskellen i magnetisme til at sortere ilmenit fra magnetit i store separatorer.

Lameller: når et mineral skiller sig selv ad

Over omkring 950 °C kan ilmenit og hæmatit blande sig i alle forhold. Når en sådan blandingskrystal køler af, passer de to bestanddele dårligere og dårligere sammen. Til sidst skiller de sig ud som tynde, parallelle lameller inde i det samme korn.

Fænomenet hedder afblanding, eller eksolution på fagsprog. Man kan sammenligne det med en vinaigrette, der er rystet godt sammen og så langsomt skiller i olie og eddike. Under mikroskopet ses afblandingen som fine striber af hæmatit i ilmenit eller omvendt.

Noget lignende sker i mange mørke dybbjergarter, hvor magnetit og ilmenit vokser sammen i samme korn. Ifølge forskningen opstår mange af de sammenvoksninger, når mineralet ulvöspinel oxideres under afkølingen. For geologer er lamellerne en slags termometer og iltmåler, der fortæller, hvor varm og hvor iltrig magmaen var.

Hvordan dannes ilmenit?

Ilmenit er et almindeligt accessorisk mineral, altså et mineral, der findes i små mængder i mange bjergarter. Det ses i basalt, i gabbro og i metamorfe bjergarter. De store, brydeværdige forekomster opstår ad to veje.

I bunden af magmakamre

Når et stort magmakammer køler langsomt, krystalliserer mineralerne ud et ad gangen. Ilmenitkornene er tungere end den omgivende smelte og synker mod bunden, hvor de kan samle sig i lag. Processen kaldes magmatisk segregation, og den virker som sedimentering i et glas med mudret vand.

De typiske værtsbjergarter er gabbro, norit og anorthosit. Anorthosit er en lys dybbjergart, der næsten kun består af plagioklasfeldspat. Det er samme feldspatfamilie, der leverer labradorit med det blå farvespil.

Tellnes: Europas titanmine

Det bedste eksempel i vores del af verden ligger i Sokndal i Rogaland i Sydvestnorge. Tellnes-forekomsten blev opdaget i 1954, og produktionen startede i oktober 1960. Ifølge Magma Geopark er det verdens største intrusion af ilmenitnorit.

Malmen består af omtrent lige dele ilmenit, orthopyroxen og plagioklas, og den krystalliserede for cirka 920 millioner år siden. Den trængte ind i en anorthosit, der selv var størknet omkring 10 millioner år tidligere på cirka 20 kilometers dybde. Bruddet er omkring 2 kilometer langt, 1 kilometer bredt og 200 meter dybt, og der er stadig over 300 millioner ton malm tilbage.

Rogaland er i det hele taget et sted for den, der vil se titanmineraler i landskabet. Andre store hardrock-forekomster ligger blandt andet ved Lac Tio i Québec, hvor Rio Tinto bryder ilmenit tæt ved byen Havre-Saint-Pierre.

På strande og i floder

Ilmenit er hård og modstår kemisk forvitring godt. Når fjeld og sten nedbrydes, overlever ilmenitkornene og føres med vand mod kysten. Bølgerne skyller de lette kvartskorn væk og lader de tunge mineraler tilbage som sorte striber.

Sådanne aflejringer kaldes tungsand eller heavy mineral sands, og de står for størstedelen af verdens udvundne ilmenit. Sammen med ilmenit findes ofte rutil, zirkon, granat og magnetit. Australien er en af de store producenter, og Richards Bay i Sydafrika er et andet velkendt område.

Over tid kan ilmenit forvitre til leucoxen, et finkornet omdannelsesprodukt, hvor jernet langsomt udvaskes. Leucoxen kan indeholde 70 procent titandioxid eller mere og er selv en vigtig råvare i tungsandsminer.

Ilmenit i Danmark og Grønland

Du behøver ikke rejse langt for at finde ilmenit. Danmarks Geologiske Undersøgelse, i dag GEUS, kortlagde i 1960 tungsandet langs de danske kyster. Undersøgelsen fandt omkring 25 kilometer strand med høj koncentration af tungsand, især i det nordlige og vestlige Jylland, og anslog mængden til omkring 100.000 ton.

De mineraler, man dengang vurderede som økonomisk interessante, var magnetit, ilmenit med indhold af hæmatit og zirkon. Granat og andre mineraler kunne komme med som biprodukter. Sandet er aldrig blevet til en egentlig industri, men det er et godt sted at begynde, hvis du vil se mineraler i naturen. Læs mere om de danske muligheder i vores artikel om mineraler i Danmark.

I Nordvestgrønland har selskabet Bluejay Mining undersøgt Dundas-projektet ved Moriusaq. Her ligger ilmenitrigt tungsand i hævede og nutidige strandaflejringer. En forundersøgelse angav en malmreserve på 67,1 millioner ton med 3,45 procent titandioxid, svarende til omkring 7,3 procent ilmenit.

Prøv selv: magnetsortering på stranden

Tag en lille plasticpose, en almindelig magnet og en kraftig neodymmagnet med til en sort stribe i strandkanten. Hold først den svage magnet hen over sandet inde i posen. Kornene, der springer op, er for det meste magnetit.

Ryst dem af, og prøv så den kraftige magnet på det tilbageværende sorte sand. De korn, der nu langsomt kryber op, er gode kandidater til ilmenit. Det, der stadig ligger tilbage, kan være granat, zirkon eller andre ikke-magnetiske tungmineraler, og en lup afslører resten.

Fra sort sand til hvid maling

Langt den største del af den udvundne ilmenit ender som titandioxid, TiO2. Titandioxid er et kridhvidt pigment med meget høj dækkeevne, og det bruges i maling, lak, plast, papir og pap. Ifølge Wikipedias gennemgang ender omkring 95 procent af verdens raffinerede titan som titandioxid.

Mere end 80 procent af verdens titankoncentrat kommer fra ilmenit. Resten kommer fra titanrig slagge og fra rutil, som indeholder næsten ren TiO2. Ilmenitten opgraderes ofte først til såkaldt syntetisk rutil med over 90 procent titandioxid.

Pigmentet fremstilles derefter ved enten sulfatprocessen, hvor malmen opløses i svovlsyre, eller kloridprocessen, hvor titanet omdannes til titantetraklorid. Kloridprocessen står i dag for størstedelen af produktionen. Det er en pudsig tanke, at hvide vægge og hvidt papir begynder som sorte sandkorn.

Titan som metal

Kun en lille del af ilmenitten bliver til metallisk titan. Geology.com angiver omkring 5 procent. Metallet er let, stærkt og modstår korrosion, og det bruges i flydele, kunstige led og cykelstel.

Den første metode til at fremstille rent titan kom i 1910, da Matthew Hunter reducerede titantetraklorid med natrium. Omkring 1940 udviklede William Kroll en metode med magnesium, og Kroll-processen er stadig den mest anvendte i industrien. Titan er rigeligt til stede i jordskorpen, men det er besværligt og dyrt at frigøre fra ilten.

Et finere formål i stensliberiet

Titandioxid i kontrolleret kornstørrelse bruges også som polermiddel. Ifølge Geology.com indgår det i trommelpolering og facetslibning af sten. Den blanke overflade på en trommelpoleret sten kan altså have fået sin sidste finish af et produkt fremstillet af ilmenit.

Ilmenit på Månen

Da Apollo-astronauterne hentede sten hjem fra Månen, var mange af dem rige på ilmenit. Det gælder især de titanrige mare-basalter fra Apollo 11 og Apollo 17. Ifølge Geology.com er basalterne for det meste over 3 milliarder år gamle og har ofte mere end 10 procent titandioxid.

Det har gjort ilmenit til et af de mest interessante mineraler for fremtidige månebaser. Mineralet kan forholdsvis enkelt reduceres med brint, og processen danner vand, som kan drikkes eller spaltes til ilt til åndedrætsluft. En rumsonde fra ESA skal ifølge planerne kortlægge fordelingen af ilmenit på Månens overflade.

Ilmenit kan dermed ende med at blive en råvare for astronauter på samme måde, som den i dag er en råvare for malingsfabrikker. Det er en lang rejse for et mineral, de fleste aldrig har lagt mærke til.

Ilmenit i samlingen

Ilmenit er et billigt og taknemmeligt mineral at have i en samling. Pæne tavleformede krystaller er sjældne, men massive stykker og korn i bjergart er lette at få fat på. En lille glasbeholder med sorteret strandsand er et lærerigt supplement, og den kan du lave selv.

Mineralet er stabilt og kræver ingen særlig pleje. Opbevar det tørt, og rengør det med en blød pensel. Ilmenit er ikke giftigt at håndtere i almindelige samlerstørrelser. Er du ny som samler, kan vores begynderguide til en mineralsamling hjælpe dig med at ordne og mærke dine fund.

Et godt samlerprojekt er at stille de tre sorte oxider ved siden af hinanden. Med en stregplade og to magneter kan du demonstrere forskellen på magnetit, hæmatit og ilmenit på under et minut. Det gør sig også godt sammen med anatase, en af titandioxidens egne krystalformer.

Kort fortalt

Ilmenit er et sort jern-titan-oxid med formlen FeTiO3 og en struktur i familie med korund. Det dannes i store mængder i bunden af langsomt afkølede magmakamre og samles af bølger og strøm i tungsand, også på danske strande. Svag magnetisme og sort streg skiller det fra magnetit og hæmatit.

Mineralet er verdens vigtigste kilde til titan og dermed til det hvide pigment i maling, papir og plast. På Månen kan det blive en kilde til ilt. Næste gang du ser en sort stribe sand, ved du, at noget af det kan ende som hvid væg eller som flydel.

Kilder og videre læsning