stringtranslate.com

Оксид железа(III)

Флакон с оксидом железа(III)
Оксид железа(III) во флаконе

Оксид железа(III) или оксид железа представляет собой неорганическое соединение формулы Fe 2 O 3 . Это один из трех основных оксидов железа , два других — оксид железа (II) (FeO), что встречается редко; и оксид железа(II,III) (Fe 3 O 4 ), который также встречается в природе в виде минерала магнетита . Минерал, известный как гематит , Fe 2 O 3 является основным источником железа для сталелитейной промышленности. Fe 2 O 3 легко подвергается воздействию кислот. Оксид железа (III) часто называют ржавчиной , поскольку ржавчина имеет несколько общих свойств и схожий состав; однако в химии ржавчина считается неопределенным материалом, описываемым как водный оксид железа. [10]

Состав

Fe 2 O 3 может быть получен в различных полиморфных модификациях . В первичном полиморфе α железо принимает октаэдрическую координационную геометрию. То есть каждый центр Fe связан с шестью кислородными лигандами . В полиморфе γ часть железа расположена в тетраэдрических позициях с четырьмя кислородными лигандами.

Альфа-фаза

α-Fe 2 O 3 имеет ромбоэдрическую корундовую (α-Al 2 O 3 ) структуру и является наиболее распространенной формой. В природе он встречается в виде минерала гематита , который добывается как основная железная руда . Он антиферромагнитен ниже ~ 260 К ( температура перехода Морена ) и проявляет слабый ферромагнетизм между 260 К и температурой Нееля , 950 К. [11] Его легко получить, используя как термическое разложение , так и осаждение в жидкой фазе. Его магнитные свойства зависят от многих факторов, например, давления, размера частиц и напряженности магнитного поля.

Гамма-фаза

γ-Fe 2 O 3 имеет кубическую структуру. Он метастабилен и превращается из альфа-фазы при высоких температурах. В природе он встречается в виде минерала маггемита . Он ферромагнитен и находит применение в записывающих лентах [12] , хотя ультрамелкие частицы размером менее 10 нанометров являются суперпарамагнитными . Его можно получить термической дегидратацией гамма- оксида-гидроксида железа (III) . Другой метод предполагает осторожное окисление оксида железа(II,III) (Fe 3 O 4 ). [12] Ультрамелкие частицы могут быть получены термическим разложением оксалата железа(III) .

Другие твердые фазы

Было выявлено или заявлено несколько других этапов. β-фаза является кубической объемноцентрированной (пространственная группа Ia3), метастабильной и при температуре выше 500 ° C (930 ° F) превращается в альфа-фазу. Его можно получить восстановлением гематита углеродом, [ необходимы пояснения ] пиролизом раствора хлорида железа (III) или термическим разложением сульфата железа (III) . [13]

Фаза эпсилон (ε) является ромбической и демонстрирует свойства, промежуточные между альфа- и гамма-фазой, и может обладать полезными магнитными свойствами, применимыми для таких целей, как носители записи высокой плотности для хранения больших данных . [14] Получение чистой эпсилон-фазы оказалось очень сложной задачей. Материал с высокой долей эпсилон-фазы можно получить термическим преобразованием гамма-фазы. Эпсилон-фаза также метастабильна, переходя в альфа-фазу при температуре от 500 до 750 ° C (от 930 до 1380 ° F). Его также можно получить окислением железа в электрической дуге или золь-гель- осаждением из нитрата железа (III) . [ нужна цитация ] Исследования обнаружили эпсилон-оксид железа (III) в древних китайских керамических глазурях Цзянь, что может дать представление о способах получения этой формы в лаборатории. [15] [ нужен неосновной источник ]

Кроме того, при высоком давлении заявлена ​​аморфная форма. [5] [ нужен неосновной источник ]

Жидкая фаза

Ожидается, что расплавленный Fe 2 O 3 будет иметь координационное число, близкое к 5 атомам кислорода вокруг каждого атома железа, на основании измерений переохлажденных капель жидкого оксида железа с небольшим дефицитом кислорода, где переохлаждение устраняет необходимость в высоких давлениях кислорода, необходимых выше плавления. точка для поддержания стехиометрии. [16]

Гидратированные оксиды железа(III)

Существует несколько гидратов оксида железа (III). При добавлении щелочи к растворам растворимых солей Fe(III) образуется студенистый осадок красно-коричневого цвета. Это не Fe(OH) 3 , а Fe 2 O 3 ·H 2 O (также пишется как Fe(O)OH). Также существует несколько форм гидратированного оксида Fe (III). Красный лепидокрокит (γ-Fe(O)OH) встречается снаружи рустиков , а оранжевый гетит (α-Fe(O)OH) встречается внутри рустиков. При нагревании Fe 2 O 3 ·H 2 O он теряет гидратную воду. Дальнейшее нагревание при 1670 Кельвина превращает Fe 2 O 3 в черный Fe 3 O 4 (Fe II Fe III 2 O 4 ), который известен как минерал магнетит . Fe(O)OH растворим в кислотах, образуя [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ . В концентрированной водной щелочи Fe 2 O 3 дает [Fe(OH) 6 ] 3- . [12]

Реакции

Наиболее важной реакцией является ее карботермическое восстановление , в результате которого образуется железо, используемое в выплавке стали:

Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2

Другая окислительно-восстановительная реакция — чрезвычайно экзотермическая термитная реакция с алюминием . [17]

2 Al + Fe 2 O 3 → 2 Fe + Al 2 O 3

Этот процесс используется для сварки толстых металлов, таких как рельсы железнодорожных путей, с использованием керамического контейнера для подачи расплавленного железа между двумя секциями рельса. Термит также используется в оружии и изготовлении небольших чугунных скульптур и инструментов.

Частичное восстановление водородом при температуре около 400 °C приводит к образованию магнетита, черного магнитного материала, содержащего как Fe(III), так и Fe(II): [18]

3 Fe 2 O 3 + H 2 → 2 Fe 3 O 4 + H 2 O

Оксид железа(III) нерастворим в воде, но легко растворяется в сильных кислотах, например соляной и серной кислотах . Он также хорошо растворяется в растворах хелатирующих агентов, таких как ЭДТА и щавелевая кислота .

Нагревание оксидов железа (III) с оксидами или карбонатами других металлов дает материалы, известные как ферраты (феррат (III)): [18]

ZnO + Fe 2 O 3 → Zn(FeO 2 ) 2

Подготовка

Оксид железа(III) является продуктом окисления железа. Его можно приготовить в лаборатории путем электролиза раствора бикарбоната натрия (инертного электролита) с железным анодом:

4 Fe + 3 O 2 + 2 H 2 O → 4 FeO(OH)

Образующийся гидратированный оксид железа(III), обозначенный здесь как FeO(OH), дегидратируется при температуре около 200 °C. [18] [19]

2 FeO(OH) → Fe 2 O 3 + H 2 O

Использование

Железная промышленность

Подавляющее применение оксида железа(III) находит в качестве сырья для сталелитейной и черной металлургии, например, при производстве железа , стали и многих сплавов. [19]

Полировка

Очень мелкий порошок оксида железа известен как «ювелирные румяна», «красные румяна» или просто румяна. Его использовали для окончательной полировки металлических украшений и линз , а также исторически в качестве косметического средства . Румяна режется медленнее, чем некоторые современные полироли, такие как оксид церия (IV) , но все еще используются в производстве оптики и ювелирами для получения превосходной отделки. При полировке золота румяна слегка окрашивают золото, что улучшает внешний вид готового изделия. Румяна продаются в виде порошка, пасты, нанесенной на полировальную ткань или твердого бруска (со связующим веществом из воска или жира ). Другие полировочные составы также часто называют «румянами», даже если они не содержат оксида железа. Ювелиры удаляют остатки румян на украшениях с помощью ультразвуковой чистки . Продукты, продаваемые как « ремонтирующий состав», часто наносятся на кожаный ремешок, чтобы придать лезвие ножам, опасным бритвам или любому другому инструменту с заточкой.

Пигмент

Образец красной α- и желтой β-фаз гидратированного оксида железа(III); [2] оба полезны в качестве пигментов.

Оксид железа (III) также используется в качестве пигмента под названиями «Пигмент Коричневый 6», «Пигмент Коричневый 7» и «Пигмент Красный 101». [20] Некоторые из них, например, Pigment Red 101 и Pigment Brown 6, одобрены Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) для использования в косметике. Оксиды железа используются в качестве пигментов в стоматологических композитах наряду с оксидами титана. [21]

Гематит является характерным компонентом шведской краски Falu red .

Магнитная запись

Оксид железа(III) был наиболее распространенной магнитной частицей, используемой во всех типах магнитных носителей информации и записи , включая магнитные диски (для хранения данных) и магнитную ленту (используемую для аудио- и видеозаписи, а также для хранения данных). Его использование в компьютерных дисках было заменено кобальтовым сплавом, что позволило использовать более тонкие магнитные пленки с более высокой плотностью хранения. [22]

Фотокатализ

α-Fe 2 O 3 изучался как фотоанод для окисления воды солнечным светом. [23] Однако его эффективность ограничена короткой диффузионной длиной (2–4 нм) фотовозбужденных носителей заряда [24] и последующей быстрой рекомбинацией , требующей большого перенапряжения для запуска реакции. [25] Исследования были сосредоточены на улучшении характеристик водного окисления Fe 2 O 3 с использованием наноструктурирования, [23] поверхностной функционализации, [26] или использования альтернативных кристаллических фаз, таких как β-Fe 2 O 3 . [27]

Лекарство

Лосьон Каламин , используемый для лечения легкого зуда , в основном состоит из комбинации оксида цинка , действующего как вяжущее средство , и около 0,5% оксида железа (III), активного ингредиента продукта, действующего как противозудное средство . Красный цвет оксида железа (III) также в основном отвечает за розовый цвет лосьона.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcd Хейнс, с. 4,69
  2. ^ abcd Коми, Артур Мессингер; Хан, Дороти А. (февраль 1921 г.). Словарь химической растворимости: неорганические вещества (2-е изд.). Нью-Йорк: Компания MacMillan. п. 433.
  3. ^ Хейнс, с. 4.141
  4. ^ abcd Лин, Ичуань; Уилер, Дэймон А.; Чжан, Цзинь Чжун; Ли, Ят (2013). Чжай, Тянью; Яо, Цзяннянь (ред.). Одномерные наноструктуры: принципы и приложения. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., с. 167. ИСБН 978-1-118-07191-5.
  5. ^ abcd Вуйтек, Милан; Зборил, Радек; Кубинек, Роман; Машлан, Мирослав. «Сверхмелкие частицы оксидов железа (III) с помощью АСМ - новый путь изучения полиморфизма в наномире» (PDF) . Университет Палакехо . Проверено 12 июля 2014 г.
  6. ^ abcde Хейнс, с. 5.12
  7. ^ abc Sigma-Aldrich Co. , Оксид железа (III). Проверено 12 июля 2014 г.
  8. ^ abc Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0344». Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  9. ^ ab «SDS оксида железа (III)» (PDF) . КЖЛК . Англия: Kurt J Lesker Company Ltd., 5 января 2012 г. Проверено 12 июля 2014 г.
  10. ^ ПабХим. «Оксид железа (Fe2O3), гидрат». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 11 ноября 2020 г.
  11. ^ Гридан, Дж. Э. (1994). «Магнитные оксиды». В Кинге, Р. Брюсе (ред.). Энциклопедия неорганической химии . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-93620-6.
  12. ^ abc Хаускрофт, Кэтрин Э.; Шарп, Алан Г. (2008). «Глава 22: d -блок химия металлов: элементы первого ряда». Неорганическая химия (3-е изд.). Пирсон. п. 716. ИСБН 978-0-13-175553-6.
  13. ^ «Механизм окисления и термического разложения сульфидов железа» (PDF) .
  14. ^ Токоро, Хироко; Намай, Аска; Окоши, Син-Ичи (2021). «Достижения в области магнитных пленок эпсилон-оксида железа на пути к носителям записи высокой плотности следующего поколения». Транзакции Далтона . 50 (2). Королевское химическое общество: 452–459. дои : 10.1039/D0DT03460F. PMID  33393552. S2CID  230482821 . Проверено 25 января 2021 г.
  15. ^ Дежуа, Кэтрин; Скиау, Филипп; Ли, Вэйдун; Ноэ, Лора; Мехта, Апурва; Чен, Кай; Ло, Хунцзе; Кунц, Мартин; Тамура, Нобумичи; Лю, Чжи (2015). «Уроки прошлого: редкий ε-Fe2O3 в древних изделиях Цзянь (Тэнмоку) с черной глазурью». Научные отчеты . 4 : 4941. дои : 10.1038/srep04941. ПМК 4018809 . ПМИД  24820819. 
  16. ^ Ши, Кайджуань; Олдерман, Оливер; Тамалонис, Энтони; Вебер, Ричард; Ты, Цзинлинь; Бенмор, Крис (2020). «Зависимость окислительно-восстановительной структуры расплавленных оксидов железа». Коммуникационные материалы . 1 (1): 80. Бибкод : 2020CoMat...1...80S. дои : 10.1038/s43246-020-00080-4 .
  17. ^ Адлам; Прайс (1945). Аттестат о высшем образовании Неорганическая химия . Лесли Слейтер Прайс.
  18. ^ Справочник abc по препаративной неорганической химии, 2-е изд. Под редакцией Г. Брауэра, Academic Press, 1963, Нью-Йорк. Том. 1. п. 1661.
  19. ^ AB Гринвуд, Нью-Йорк; Эрншоу, А. (1997). Химия элемента (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-3365-9.
  20. ^ Краска и поверхностные покрытия: теория и практика . Уильям Эндрю Inc. 1999. ISBN. 978-1-884207-73-0.
  21. ^ Банерджи, Авиджит (2011). Руководство Пикарда по оперативной стоматологии . США: Oxford University Press Inc., Нью-Йорк. п. 89. ИСБН 978-0-19-957915-0.
  22. ^ Пираманаягам, SN (2007). «Перпендикулярный носитель записи для жестких дисков». Журнал прикладной физики . 102 (1): 011301–011301–22. Бибкод : 2007JAP...102a1301P. дои : 10.1063/1.2750414.
  23. ^ Аб Кей А., Сезар И. и Гретцель М. (2006). «Новый эталон фотоокисления воды наноструктурированными пленками α-Fe 2 O 3 ». Журнал Американского химического общества . 128 (49): 15714–15721. дои : 10.1021/ja064380l. ПМИД  17147381.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  24. ^ Кеннеди, Дж. Х. и Фрезе, К.В. (1978). «Фотоокисление воды на электродах α-Fe 2 O 3 ». Журнал Электрохимического общества . 125 (5): 709. Бибкод : 1978JElS..125..709K. дои : 10.1149/1.2131532.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  25. ^ Ле Формаль, Ф. (2014). «Обратная электрон-дырочная рекомбинация в гематитовых фотоанодах для расщепления воды». Журнал Американского химического общества . 136 (6): 2564–2574. дои : 10.1021/ja412058x . ПМИД  24437340.
  26. ^ Чжун, Д.К. и Гамелен, Д.Р. (2010). «Фотоэлектрохимическое окисление воды с помощью кобальтового катализатора («Co-Pi»)/композитных фотоанодов α-Fe 2 O 3 : выделение кислорода и устранение кинетического узкого места». Журнал Американского химического общества . 132 (12): 4202–4207. дои : 10.1021/ja908730h. ПМИД  20201513.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  27. ^ Эмери, JD (2014). «Атомно-слоевое осаждение метастабильного β-Fe 2 O 3 посредством изоморфной эпитаксии для фотосодействующего окисления воды». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (24): 21894–21900. дои : 10.1021/am507065y. ОСТИ  1355777. ПМИД  25490778.

Цитируемые источники

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с оксидом железа (III) .