Оксид железа (III) - Iron(III) oxide

Оксид железа (III)
Элементарная ячейка гематита
  Fe   О
Образец оксида железа (III)
Диаграмма Пурбе водного раствора железа
Имена
Название ИЮПАК
Оксид железа (III)
Другие имена
оксид железа, гематит , трехвалентное железо, красный оксид железа, румяна, маггемит , колкотар, полуторный оксид железа, ржавчина , охра
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.013.790 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
Номер E E172 (ii) (цвета)
11092
КЕГГ
Номер RTECS
UNII
  • InChI = 1S / 2Fe.3O [ дюйм ] проверитьY
    Ключ: JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N [ inchi ] проверитьY
  • InChI = 1 / 2Fe.3O / rFe2O3 / c3-1-4-2 (3) 5-1
    Ключ: JEIPFZHSYJVQDO-ZVGCCQCPAC
  • O1 [Fe] 2O [Fe] 1O2
Характеристики
Fe 2 O 3
Молярная масса 159,687  г · моль -1
Появление Красно-коричневое твердое вещество
Запах Без запаха
Плотность 5,25 г / см 3
Температура плавления 1539 ° C (2802 ° F; 1812 K)
разлагает β-дигидрат
105 ° C (221 ° F, 378 K)
, разлагает β-моногидрат
150 ° C (302 ° F, 423 K)
, разлагает
50 ° C (122 ° C). F; 323 K)
α-дигидрат, разлагается при
92 ° C (198 ° F; 365 K)
α-моногидрат, разлагается
Нерастворимый
Растворимость Растворим в разбавленных кислотах , мало растворим в растворе сахара.
Тригидрат, слабо растворим в водн. винная кислота , лимонная кислота , CH 3 COOH
+ 3586,0 · 10 −6 см 3 / моль
n 1 = 2,91, n 2 = 3,19 (α, гематит)
Состав
Ромбоэдрический , hR30 (α-форма)
Кубический биксбиит, cI80 (β-форма)
Кубическая шпинель (γ-форма)
Орторомбический (ε-форма)
R3c, № 161 (α-форма)
Ia 3 , № 206 (β-форма)
Pna2 1 , № 33 (ε-форма)
3м (α-форма)
2 / м 3 (β-форма)
мм2 (ε-форма)
Октаэдрический (Fe 3+ , α-форма, β-форма)
Термохимия
103,9 Дж / моль · К
87,4 Дж / моль · К
-824,2 кДж / моль
−742,2 кДж / моль
Опасности
Пиктограммы GHS GHS07: Вредно
Сигнальное слово GHS Предупреждение
H315 , H319 , H335
P261 , P305 + 351 + 338
NFPA 704 (огненный алмаз)
0
0
0
5 мг / м 3 (TWA)
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
10 г / кг (крысы, перорально)
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (Допустимо)
TWA 10 мг / м 3
REL (рекомендуется)
TWA 5 мг / м 3
IDLH (Непосредственная опасность)
2500 мг / м 3
Родственные соединения
Другие анионы
Фторид железа (III)
Другие катионы
Оксид марганца (III) Оксид
кобальта (III)
Связанные оксиды железа
Оксид железа (II) Оксид
железа (II, III)
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?) проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Оксид железа (III) или оксид железа - это неорганическое соединение с формулой Fe 2 O 3 . Это один из трех основных оксидов из железа , два других оксида железа (II) , (FeO), что бывает редко; и оксид железа (II, III) (Fe 3 O 4 ), который также встречается в природе как минерал магнетит . Минерал, известный как гематит , Fe 2 O 3 является основным источником железа для сталелитейной промышленности. Fe 2 O 3 легко разрушается кислотами. Оксид железа (III) часто называют ржавчиной , и в некоторой степени этот ярлык полезен, потому что ржавчина имеет несколько общих свойств и имеет схожий состав; однако в химии ржавчина считается плохо определенным материалом, описываемым как оксид железа.

Состав

Fe 2 O 3 можно получить в различных полиморфных модификациях . В основном, α, железо имеет октаэдрическую координационную геометрию. То есть каждый Fe-центр 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 ромбоэдрический , корунд (α-Al 2 O 3 ) структуру и является наиболее распространенной формой. Он встречается в природе в виде минерала гематита, который добывается как основная руда железа. Он является антиферромагнитным ниже ~ 260 К ( температура перехода Морина ) и проявляет слабый ферромагнетизм между 260 К и температурой Нееля , 950 К. 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 превращается из альфа-фазы при высоких температурах. Он встречается в природе в виде минерала маггемита . Он ферромагнитен и находит применение в записывающих лентах, хотя сверхмелкозернистые частицы размером менее 10 нанометров являются суперпарамагнитными . Его можно получить термической дегидратацией гамма- оксида-гидроксида железа (III) . Другой метод включает осторожное окисление оксида железа (II, III) (Fe 3 O 4 ). Ультратонкие частицы могут быть получены термическим разложением оксалата железа (III) .

Другие твердые фазы

Были определены или заявлены несколько других фаз. Β-фаза является кубической объемно-центрированной (пространственная группа Ia3), метастабильной и при температурах выше 500 ° C (930 ° F) превращается в альфа-фазу. Он может быть получен путем восстановлените гематит углерода, пиролиз из железа (III) , хлорид раствор или термическое разложение железа (III) сульфата .

Эпсилон (ε) фаза является ромбической и демонстрирует свойства, промежуточные между альфа и гамма, и может иметь полезные магнитные свойства, применимые для таких целей, как носители записи высокой плотности для хранения больших данных . Подготовка чистой эпсилон-фазы оказалась очень сложной задачей. Материал с высокой долей эпсилон-фазы может быть получен 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) . Исследования выявили эпсилон-оксид железа (III) в древней китайской керамической глазури Цзянь , что может дать представление о способах получения этой формы в лаборатории.

Кроме того, при высоком давлении заявляется аморфная форма.

Жидкая фаза

Ожидается, что расплавленный Fe 2 O 3 будет иметь координационное число около 5 атомов кислорода вокруг каждого атома железа, на основании измерений капель переохлажденного жидкого оксида железа с небольшим дефицитом кислорода, где переохлаждение позволяет обойти необходимость в высоких давлениях кислорода, требуемых выше плавления. точка для сохранения стехиометрии.

Гидратированные оксиды железа (III)

Существует несколько гидратов оксида железа (III). При добавлении щелочи к растворам растворимых солей Fe (III) образуется желатиновый осадок красно-коричневого цвета. Это не Fe (OH) 3 , а Fe 2 O 3 · H 2 O (также обозначаемый как Fe (O) OH). Также существует несколько форм гидратированного оксида Fe (III). Красный лепидокрокит γ-Fe (O) OH встречается снаружи рустикул , а оранжевый гетит - внутри рустикалей. Когда Fe 2 O 3 · H 2 O нагревается, он теряет гидратную воду. Дальнейшее нагревание до 1670 К 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 растворяется в кислотах, давая [Fe (H
2
O)
6
] 3+
. В концентрированной водной щелочи Fe 2 O 3 дает [Fe (OH) 6 ] 3– .

Реакции

Самая важная реакция - это его карботермическое восстановление , в результате которого получают 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 .

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 воронки расплавленного железа между двумя секциями рельса. Термит также используется в оружии и создании небольших чугунных скульптур и инструментов.

При частичном восстановлении водородом при температуре около 400 ° C образуется магнетит, черный магнитный материал, содержащий как Fe (III), так и Fe (II):

3 Fe 2 O 3 + H 2 → 2 Fe 3 O 4 + H 2 O

Оксид железа (III) не растворяется в воде, но легко растворяется в сильной кислоте, 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)):

ZnO + Fe 2 O 3 → Zn (FeO 2 ) 2

Подготовка

Оксид железа (III) - продукт 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)

Полученный гидратированный оксид железа (III), обозначаемый здесь как FeO (OH), дегидратируется при температуре около 200 ° C.

2 FeO (OH) → Fe 2 O 3 + H 2 O

Использует

Металлургическая промышленность

В подавляющем большинстве случаев оксид железа (III) применяется в качестве сырья для сталелитейной и черной металлургии, например, для производства чугуна , стали и многих сплавов.

Полировка

Очень тонкий порошок оксида железа известен как «ювелирные румяна», «красные румяна» или просто румяна. Его используют для окончательной полировки металлических украшений и линз , а также исторически в качестве косметического средства . Rouge режет медленнее , чем некоторые современные политуры, такие как оксид церия (IV) , но до сих пор используются в производстве оптики и ювелирами для превосходной отделки он может производить. При полировке золота румяна слегка окрашивает золото, что способствует внешнему виду готового изделия. Руж продается в виде порошка, пасты, пронизан на полировочных тканях или твердый баре (с восковым или консистентным связующим веществом). Другие полировальные составы также часто называют «румянами», даже если они не содержат оксида железа. Ювелиры удаляют остатки румян с ювелирных изделий с помощью ультразвуковой чистки . Продукты, продаваемые как « стреппинг », часто наносятся на кожаный ремешок, чтобы сделать лезвие бритвы острым на ножах, опасных бритвах или любом другом инструменте с острыми кромками.

Пигмент

Два разных цвета в разной гидратной фазе (α = красный, β = желтый) гидрата оксида железа (III); они полезны как пигменты.

Оксид железа (III) также используется в качестве пигмента под названиями «Коричневый пигмент 6», «Коричневый пигмент 7» и «Красный пигмент 101». Некоторые из них, например, Pigment Red 101 и Pigment Brown 6, одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для использования в косметике. Оксиды железа используются в качестве пигментов в стоматологических композитах наряду с оксидами титана.

Гематит - характерный компонент шведской краски цвета Falu red .

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 в аудио- и видеозаписи, а также для хранения данных). Его использование в компьютерных дисках было заменено кобальтовым сплавом, что позволило получить более тонкие магнитные пленки с более высокой плотностью хранения.

Фотокатализ

α-Fe 2 O 3 был изучен как фотоанод для окисления солнечной воды. Однако его эффективность ограничена короткой длиной диффузии (2-4 нм) фотовозбужденных носителей заряда и последующей быстрой рекомбинацией , требующей большого перенапряжения для запуска реакции. Исследования были сосредоточены на улучшении характеристик окисления Fe 2 O 3 водой с использованием наноструктурирования, функционализации поверхности или использования альтернативных кристаллических фаз, таких как β-Fe 2 O 3 .

Медицина

Лосьон Calamine , 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

использованная литература

внешние ссылки