stringtranslate.com

Оксид железа(III)

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

Оксид железа (III) или оксид железа — неорганическое соединение с формулой Fe 2 O 3 . Встречается в природе как минерал гематит , который служит основным источником железа для сталелитейной промышленности. Также известен как красный оксид железа , особенно при использовании в пигментах .

Это один из трех основных оксидов железа , два других — оксид железа(II) (FeO), который встречается редко; и оксид железа(II,III) ( Fe3O4 ) , который также встречается в природе в виде минерала магнетита .

Оксид железа (III) часто называют ржавчиной , поскольку ржавчина имеет несколько общих свойств и схожий состав; однако в химии ржавчина считается плохо определенным материалом, описываемым как водный оксид железа. [10]

Оксид железа легко подвергается воздействию даже слабых кислот . Он является слабым окислителем , наиболее известным при восстановлении алюминием в термитной реакции.

Структура

Fe 2 O 3 может быть получен в различных полиморфах . В первичном полиморфе α железо принимает октаэдрическую координационную геометрию. То есть каждый центр Fe связан с шестью кислородными лигандами . В γ-полиморфе часть Fe находится на тетраэдрических участках с четырьмя кислородными лигандами.

Альфа-фаза

α- Fe 2 O 3 имеет ромбоэдрическую структуру корунда (α-Al 2 O 3 ) и является наиболее распространенной формой. Он встречается в природе как минерал гематит , который добывается как основная руда железа. Он антиферромагнитен ниже ~260 К ( температура перехода Морина ) и проявляет слабый ферромагнетизм между 260 К и температурой Нееля , 950 К. [11] Его легко приготовить, 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 преобразуется из альфа-фазы при высоких температурах. Он встречается в природе как минерал маггемит . Он ферромагнитен и находит применение в записывающих лентах, [12] хотя сверхтонкие частицы размером менее 10 нанометров являются суперпарамагнитными . Его можно получить путем термической дегидратации гамма -оксида-гидроксида железа (III) . Другой метод включает осторожное окисление оксида железа (II, III) (Fe 3 O 4 ). [12] Сверхтонкие частицы можно получить путем термического разложения оксалата железа (III) .

Другие твердые фазы

Было идентифицировано или заявлено несколько других фаз. Бета-фаза (β-фаза) является кубической объемно-центрированной (пространственная группа Ia3), метастабильной и при температурах выше 500 °C (930 °F) переходит в альфа-фазу. Ее можно получить путем восстановления гематита углеродом, [ необходимо разъяснение ] пиролизом раствора хлорида железа (III) или термическим разложением сульфата железа (III) . [13]

Фаза эпсилон (ε) является ромбической и демонстрирует промежуточные свойства между альфа и гамма, и может иметь полезные магнитные свойства, применимые для таких целей, как носители высокой плотности для хранения больших данных . [14] Получение чистой фазы эпсилон оказалось очень сложным. Материал с высокой долей фазы эпсилон может быть получен путем термического преобразования гамма-фазы. Фаза эпсилон также является метастабильной, превращаясь в альфа-фазу при температуре от 500 до 750 °C (от 930 до 1380 °F). Ее также можно получить путем окисления железа в электрической дуге или путем осаждения золь-геля из нитрата железа (III) . [ необходима цитата ] Исследования выявили оксид железа (III) эпсилон в древних китайских керамических глазурях Цзянь , что может дать представление о способах получения этой формы в лабораторных условиях. [15] [ необходим непервичный источник ]

Кроме того, при высоком давлении утверждается аморфная форма. [5] [ необходим непервичный источник ]

Жидкая фаза

Расплавленный Fe 2 O 3 , как ожидается, будет иметь координационное число, близкое к 5 атомам кислорода вокруг каждого атома железа, на основании измерений слегка дефицитных по кислороду переохлажденных жидких капель оксида железа, где переохлаждение обходит необходимость в высоком давлении кислорода, требуемом выше точки плавления для поддержания стехиометрии. [16]

Гидратированные оксиды железа(III)

Существует несколько гидратов оксида железа(III). При добавлении щелочи к растворам растворимых солей железа(III) образуется красно-коричневый студенистый осадок. Это не Fe (OH)3, а Fe2O3 ·H2O ( также пишется как Fe ( O ) OH ).

Существует также несколько форм гидратированного оксида Fe(III). Красный лепидокрокит (γ- Fe(O)OH ) находится снаружи рустикулов , а оранжевый гетит (α- Fe(O)OH ) находится внутри рустикулов. Когда Fe 2 O 3 ·H 2 O нагревается, он теряет воду гидратации. Дальнейшее нагревание при1670 К преобразует 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 растворяется в кислотах, давая [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 его карботермическое восстановление , в результате которого получается железо, используемое в сталеплавильном производстве:

Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2

Другая окислительно-восстановительная реакция – это 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 околоПри 400 °C образуется магнетит, черный магнитный материал, содержащий как Fe(III), так и Fe(II): [18]

Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O​​​​​​

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

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

ZnO + Fe2O3 → Zn ( FeO2 ) 2


Подготовка

Оксид железа(III) является продуктом окисления железа. Его можно получить в лаборатории электролизом раствора гидрокарбоната 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 примерно200 °С . [18] [19]

2FeO( OH ) → Fe2O3 + H2O

Использует

Металлургическая промышленность

Подавляющее применение оксида железа (III) – это использование его в качестве сырья в сталелитейной и металлургической промышленности, например, при производстве железа , стали и многих сплавов. [19]

Полировка

Очень мелкий порошок оксида железа известен как «ювелирные румяна», «красные румяна» или просто румяна. Он используется для нанесения финальной полировки на металлические украшения и линзы , а также исторически в качестве косметического средства . Румяна режется медленнее, чем некоторые современные полироли, такие как оксид церия (IV) , но все еще используется в производстве оптики и ювелирами для превосходной отделки, которую они могут дать. При полировке золота румяна слегка окрашивают золото, что способствует внешнему виду готового изделия. Румяна продаются в виде порошка, пасты, нанизанных на полировальные ткани или сплошного бруска (с воском или связующим веществом ). Другие полировальные составы также часто называют «румянами», даже если они не содержат оксид железа. Ювелиры удаляют остаточные румяна с ювелирных изделий с помощью ультразвуковой очистки . Продукты, продаваемые как « правильные составы», часто наносятся на кожаный ремень , чтобы помочь сделать режущую кромку ножей, опасных бритв или любого другого острого инструмента бритвенной остротой.

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 «Pigment Brown 6», «Pigment Brown 7» и «Pigment Red 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 цвета «Фалу красный» .

Магнитная запись

Оксид железа (III) был наиболее распространенной магнитной частицей, используемой во всех типах магнитных носителей для хранения 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 в качестве фотоанода для окисления воды под действием солнечного света. [23] Однако его эффективность ограничена короткой длиной диффузии (2–4 нм) фотовозбужденных носителей заряда [24] и последующей быстрой рекомбинацией , требующей большого перенапряжения для запуска реакции. [25] Исследования были сосредоточены на улучшении характеристик окисления воды Fe 2 O 3 с использованием наноструктурирования, [23] функционализации поверхности [26] или путем 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

Ссылки

  1. ^ abcd Хейнс, стр. 4.69
  2. ^ abcd Коми, Артур Мессинджер; Хан, Дороти А. (февраль 1921 г.). Словарь химической растворимости: неорганическая (2-е изд.). Нью-Йорк: The MacMillan Company. стр. 433.
  3. ^ Хейнс, стр. 4.141
  4. ^ abcd Ling, Yichuan; Wheeler, Damon A.; Zhang, Jin Zhong; Li, Yat (2013). Zhai, Tianyou; Yao, Jiannian (ред.). Одномерные наноструктуры: принципы и применение. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc. стр. 167. ISBN 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, стр. 5.12
  7. ^ abc Sigma-Aldrich Co. , Оксид железа (III). Получено 12 июля 2014 г.
  8. ^ abc NIOSH Карманный справочник по химическим опасностям. "#0344". Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  9. ^ ab "SDS оксида железа (III)" (PDF) . KJLC . Англия: Kurt J Lesker Company Ltd. 5 января 2012 г. Получено 12 июля 2014 г.
  10. ^ PubChem. "Оксид железа (Fe2O3), гидрат". pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Получено 11 ноября 2020 г. .
  11. ^ Гридан, Дж. Э. (1994). «Магнитные оксиды». В Кинг, Р. Брюс (ред.). Энциклопедия неорганической химии . Нью-Йорк: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-93620-6.
  12. ^ abc Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2008). "Глава 22: d -блочная химия металлов: элементы первой строки". Неорганическая химия (3-е изд.). Pearson. стр. 716. ISBN 978-0-13-175553-6.
  13. ^ «Механизм окисления и термического разложения сульфидов железа» (PDF) .
  14. ^ Tokoro, Hiroko; Namai, Asuka; Ohkoshi, Shin-Ichi (2021). «Advances in magnetic films of epsilon-iron oxide towards next-generation high-density record media» ( Дальтонские транзакции ) . 50 (2). Королевское химическое общество: 452–459. doi : 10.1039/D0DT03460F. PMID  33393552. S2CID  230482821. Получено 25 января 2021 г.
  15. ^ Дежуа, Кэтрин; Сьяу, Филипп; Ли, Вэйдун; Ноэ, Лор; Мехта, Апурва; Чэнь, Кай; Ло, Хунцзе; Кунц, Мартин; Тамура, Нобумичи; Лю, Чжи (2015). «Извлечение уроков из прошлого: редкий ε-Fe2O3 в древних черноглазурованных изделиях Цзянь (Тэнмоку)». Scientific Reports . 4 : 4941. doi :10.1038/srep04941. PMC 4018809 . PMID  24820819. 
  16. ^ Ши, Кайцзюань; Олдерман, Оливер; Тамалонис, Энтони; Вебер, Ричард; Ю, Цзинлин; Бенмор, Крис (2020). «Зависимость окислительно-восстановительной структуры расплавленных оксидов железа». Материалы по коммуникациям . 1 (1): 80. Bibcode : 2020CoMat...1...80S. doi : 10.1038/s43246-020-00080-4 .
  17. ^ Адлам; Прайс (1945). Сертификат высшей школы по неорганической химии . Лесли Слейтер Прайс.
  18. ^ abc Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed. Под редакцией G. Brauer, Academic Press, 1963, NY. Т. 1. С. 1661.
  19. ^ ab Гринвуд, NN; Эрншоу, А. (1997). Химия элемента (2-е изд.). Оксфорд: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-3365-9.
  20. ^ Краски и поверхностные покрытия: теория и практика . William Andrew Inc. 1999. ISBN 978-1-884207-73-0.
  21. ^ Банерджи, Авиджит (2011). Руководство Пикарда по оперативной стоматологии . США: Oxford University Press Inc., Нью-Йорк. стр. 89. ISBN 978-0-19-957915-0.
  22. ^ Piramanayagam, SN (2007). «Перпендикулярные носители записи для жестких дисков». Журнал прикладной физики . 102 (1): 011301–011301–22. Bibcode : 2007JAP...102a1301P. doi : 10.1063/1.2750414.
  23. ^ ab Kay, A.; Cesar, I.; Grätzel, M. (2006). «Новый эталон фотоокисления воды наноструктурированными пленками α-Fe 2 O 3 ». Журнал Американского химического общества . 128 (49): 15714–15721. doi :10.1021/ja064380l. PMID  17147381.
  24. ^ Кеннеди, Дж. Х.; Фрезе, К. В. (1978). «Фотоокисление воды на электродах α-Fe 2 O 3 ». Журнал Электрохимического Общества . 125 (5): 709. Bibcode : 1978JElS..125..709K. doi : 10.1149/1.2131532.
  25. ^ Le Formal, F. (2014). «Обратная рекомбинация электронов и дырок в гематитовых фотоанодах для расщепления воды». Журнал Американского химического общества . 136 (6): 2564–2574. doi : 10.1021/ja412058x . PMID  24437340.
  26. ^ Zhong, DK; Gamelin, DR (2010). «Фотоэлектрохимическое окисление воды с помощью кобальтового катализатора («Co−Pi»)/композитных фотоанодов α-Fe 2 O 3 : выделение кислорода и разрешение кинетического узкого места». Журнал Американского химического общества . 132 (12): 4202–4207. doi :10.1021/ja908730h. PMID  20201513.
  27. ^ Эмери, Дж. Д. (2014). «Атомно-слоевое осаждение метастабильного β-Fe 2 O 3 с помощью изоморфной эпитаксии для фотоокисления воды». ACS Applied Materials & Interfaces . 6 (24): 21894–21900. doi :10.1021/am507065y. OSTI  1355777. PMID  25490778.

Цитируемые источники

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Оксид железа(III) .