Оксид железа - Iron oxide

Электрохимически окисленное железо (ржавчина)

Оксиды железа - это химические соединения, состоящие из железа и кислорода . Известно шестнадцать оксидов и оксигидроксидов железа , наиболее известным из которых является ржавчина , форма оксида железа (III) .

Оксиды и оксигидроксиды железа широко распространены в природе и играют важную роль во многих геологических и биологических процессах. Они используются в качестве железной руды , пигментов , катализаторов и термитов , а также присутствуют в гемоглобине . Оксиды железа - недорогие и долговечные пигменты красок, покрытий и цветных бетонов. Обычно доступные цвета находятся в «землистом» конце диапазона желтого / оранжевого / красного / коричневого / черного. При использовании в качестве пищевого красителя он имеет номер E E172.

Оксиды

Пигмент оксида железа. Коричневый цвет указывает на то, что железо находится в степени окисления +3.
Зеленые и красновато-коричневые пятна на образце керна известняка, соответственно, соответствуют оксидам / гидроксидам Fe 2+ и Fe 3+ .

Гидроксиды

Тепловое расширение

Оксид железа КТР (× 10 −6 ° C −1 )
Fe 2 O 3 14,9
Fe 3 O 4 > 9,2
FeO 12.1

Оксид-гидроксиды

  • гетит (α-FeOOH),
  • акаганеит (β-FeOOH),
  • лепидокрокит (γ-FeOOH),
  • фероксигит (δ-FeOOH),
  • ферригидрит ( прибл.), или , лучше переделать в
  • FeOOH со структурой пирита высокого давления. Как только начинается обезвоживание , может образоваться эта фаза .
  • швертманнит (в идеале или )
  • зеленый ржавчина ( где А - представляет собой Сl - или 0.5SO 4 2- )

Микробная деградация

Несколько видов бактерий , в том числе Shewanella oneidensis , Geobacter surreducens и Geobacter Metallireducens , метаболически используют твердые оксиды железа в качестве конечных акцепторов электронов, восстанавливая оксиды Fe (III) до оксидов, содержащих Fe (II).

Воздействие на окружающую среду

Замена метаногенеза восстановлением оксида железа

В условиях, благоприятствующих восстановлению железа, процесс восстановления оксида железа может заменить не менее 80% производства метана, происходящего в результате метаногенеза . Это явление происходит в азотсодержащей (N 2 ) среде с низкими концентрациями сульфатов. Метаногенез, Архейский приводом процесс, как правило , является преобладающей формой углерода минерализации в отложениях на дне океана. Метаногенез завершает разложение органического вещества до метана (CH 4 ). Конкретный донор электронов для восстановления оксида железа в этой ситуации все еще обсуждается, но два потенциальных кандидата включают либо титан (III), либо соединения, присутствующие в дрожжах. Прогнозируемые реакции с титаном (III), выступающим в качестве донора электронов, и феназин-1-карбоксилатом (PCA), выступающим в качестве электронного челнока, выглядят следующим образом:

Ti (III) -cit + CO 2 + 8H + → CH 4 + 2H 2 O + Ti (IV) + cit ΔE = –240 + 300 мВ
Ti (III) -cit + PCA (окисленный) → PCA (восстановленный) + Ti (IV) + cit ΔE = –116 + 300 мВ
ПХА (восстановленный) + Fe (OH) 3 → Fe 2+ + ПХА (окисленный) ΔE = –50 + 116 мВ

Титан (III) окисляется до титана (IV), а ПХА восстанавливается. Восстановленная форма PCA может затем восстанавливать гидроксид железа (Fe (OH) 3 ).

Образование гидроксильных радикалов

С другой стороны, было показано, что, находясь в воздухе, оксиды железа повреждают ткани легких живых организмов путем образования гидроксильных радикалов, что приводит к образованию алкильных радикалов. Следующие реакции происходят, когда Fe 2 O 3 и FeO, в дальнейшем обозначаемые как Fe 3+ и Fe 2+, соответственно, частицы оксида железа накапливаются в легких.

O 2 + e -O 2 • -

Образование супероксид-аниона ( O 2 • - ) катализируется трансмембранным ферментом, называемым НАДФН-оксидазой . Фермент облегчает транспорт электронов через плазматическую мембрану от цитозольного НАДФН к внеклеточному кислороду (O 2 ) с образованием O 2 • - . НАДФН и ФАД связываются с цитоплазматическими сайтами связывания фермента. Два электрона от НАДФН переносятся в ФАД, который восстанавливает его до ФАДН 2 . Затем один электрон перемещается к одной из двух гемовых групп фермента в плоскости мембраны. Второй электрон подталкивает первый электрон ко второй группе гема, чтобы он мог ассоциироваться с первой группой гема. Чтобы передача произошла, второй гем должен быть связан с внеклеточным кислородом, который является акцептором электрона. Этот фермент также может располагаться внутри мембран внутриклеточных органелл, позволяя образованию O 2 • - происходить внутри органелл.

2 O 2 • - + 2 H +H
2
О
2
+ O 2

Образование перекиси водорода ( H
2
О
2
) может возникать спонтанно, когда окружающая среда имеет более низкий pH, особенно при pH 7,4. Фермент супероксиддисмутаза также может катализировать эту реакцию. Однажды H
2
О
2
был синтезирован, он может диффундировать через мембраны для перемещения внутри и за пределы клетки из-за своей неполярной природы.

Fe 2+ + H
2
О
2
→ Fe 3+ + HO + OH -
Fe 3+ + H 2 O 2 → Fe 2+ + O 2 • - + 2H +
H 2 O 2 + O 2 • - → HO + OH - + O 2

Fe 2+ окисляется до Fe 3+, когда он отдает электрон H 2 O 2 , тем самым восстанавливая H 2 O 2 и образуя гидроксильный радикал (HO ) в процессе. Затем H 2 O 2 может восстанавливать Fe 3+ до Fe 2+ , отдавая ему электрон для создания O 2 • - . Затем O 2 • - можно использовать для получения большего количества H 2 O 2 с помощью ранее показанного процесса, продлевая цикл, или он может реагировать с H 2 O 2 с образованием большего количества гидроксильных радикалов. Было показано, что гидроксильные радикалы увеличивают клеточный окислительный стресс и атакуют клеточные мембраны, а также клеточные геномы.

HO + RH → R + H 2 O

Радикал HO •, образующийся в результате вышеуказанных реакций с железом, может отрывать атом водорода (H) от молекул, содержащих связь RH, где R представляет собой группу, присоединенную к остальной части молекулы, в данном случае H, у атома углерода (C). .

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки