Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Оксид железа (II, III)
Fe3O4.JPG
Имена
Название ИЮПАК
железо (II) оксид железа (III)
Другие названия
оксид двухвалентного железа, оксид железа (II), оксид железа (II, III), магнетит, черный оксид железа, магнетит, ржавчина, железо (II), диоксид железа (III)
Идентификаторы
3D модель ( JSmol )
ЧЭБИ
ЧЭМБЛ
ChemSpider
ECHA InfoCard100.013.889 Отредактируйте это в Викиданных
UNII
  • InChI = 1S / 3Fe.4O контрольныйY
    Ключ: SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N контрольныйY
  • InChI = 1 / 3Fe.4O / rFe3O4 / c1-4-2-6-3 (5-1) 7-2
    Ключ: SZVJSHCCFOBDDC-QXRQKJBKAR
  • O1 [Fe] 2O [Fe] O [Fe] 1O2
Характеристики
Fe 3 O 4

FeO.Fe 2 O 3

Молярная масса231,533 г / моль
Появлениетвердый черный порошок
Плотность5 г / см 3
Температура плавления 1597 ° С (2907 ° F, 1870 К)
Точка кипения2623 [1]  ° С (4753 ° F, 2896 К)
2,42 [2]
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)контрольныйY☒N
Ссылки на инфобоксы

Оксид железа (II, III) представляет собой химическое соединение с формулой Fe 3 O 4 . Он встречается в природе как минерал магнетит . Это один из ряда оксидов железа , другие представляют собой оксид железа (II) (FeO), который встречается редко, и оксид железа (III) (Fe 2 O 3 ), который также встречается в природе в виде минерала гематита . Он содержит ионы Fe 2+ и Fe 3+ и иногда формулируется как FeO ∙ Fe 2 O 3 . Этот оксид железа встречается в лаборатории в виде черного порошка. Он проявляет постоянный магнетизм и ферримагнитен., но иногда неправильно описывается как ферромагнетик . [3] Его наиболее широко используют в качестве черного пигмента. Для этой цели его синтезируют, а не извлекают из природного минерала, поскольку размер и форма частиц могут варьироваться в зависимости от способа производства. [4]

Подготовка [ править ]

В анаэробных условиях гидроксид железа (Fe (OH) 2 ) может окисляться водой с образованием магнетита и молекулярного водорода . Этот процесс описывается реакцией Шикорра :

Хорошо закристаллизованный магнетит (Fe 3 O 4 ) термодинамически более стабилен, чем гидроксид железа (Fe (OH) 2 ). [5]

Магнетит может быть получен в лаборатории как феррожидкости в способе Массарта путем смешивания хлорид железа (II) и хлорида железа (III) в присутствии гидроксида натрия . [6] Магнетит также может быть получен путем химического соосаждения в присутствии аммиака, который представляет собой смесь 0,1 М раствора FeCl 3 · 6H 2 O и FeCl 2 · 4H 2 O при механическом перемешивании со скоростью около 2000 об / мин. . Мольное соотношение FeCl 3 : FeCl 2может быть 2: 1; нагревая этот раствор до 70 ° C, сразу же скорость увеличивают до 7500 об / мин и быстро добавляют раствор NH 4 OH (10 об.%), сразу образуется темный осадок, состоящий из наночастиц магнетита. [7] В обоих случаях реакция осаждения основана на быстром превращении кислотно-гидролизованных ионов железа в структуру оксида железа шпинели путем гидролиза при повышенных значениях pH (выше примерно 10).

Значительные усилия были направлены на управление процессом образования частиц наночастиц магнетита из-за сложных и сложных химических реакций, участвующих в фазовых превращениях до образования структуры шпинели магнетита. [8] Частицы магнетита представляют интерес для биологических приложений, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), поскольку наночастицы магнетита оксида железа представляют собой нетоксичную альтернативу применяемым в настоящее время контрастным веществам на основе гадолиния.. Однако из-за отсутствия контроля над конкретными превращениями, связанными с образованием частиц, действительно суперпарамагнитные частицы еще не были получены из магнетита, то есть наночастиц магнетита, которые полностью теряют свои постоянные магнитные характеристики в отсутствие внешнего магнитного поля (которое по определению показывают коэрцитивность 0 А / м). Наименьшие значения в настоящее время сообщалось наноразмерных частиц магнетита составляет Нс = 8.5 м -1 , [9] , тогда как наибольший сообщаемое значение намагниченности 87 Ам 2 кг -1 для синтетического магнетита. [10] [11]

Fe 3 O 4 качества пигмента , так называемый синтетический магнетит, может быть получен с использованием процессов, в которых используются промышленные отходы, железный лом или растворы, содержащие соли железа (например, те, которые образуются в качестве побочных продуктов в промышленных процессах, таких как кислотная обработка ( травление ) сталь):

  • Окисление металлического Fe в процессе Лаукса, где нитробензол обрабатывают металлическим железом с использованием FeCl 2 в качестве катализатора для получения анилина : [4]
C 6 H 5 NO 2 + 3 Fe + 2 H 2 O → C 6 H 5 NH 2 + Fe 3 O 4
  • Окисление соединений Fe II , например осаждение солей железа (II) в виде гидроксидов с последующим окислением путем аэрации, когда тщательный контроль pH определяет получаемый оксид. [4]

Восстановление Fe 2 O 3 водородом: [12] [13]

3Fe 2 O 3 + H 2 → 2Fe 3 O 4 + H 2 O

Восстановление Fe 2 O 3 CO: [14]

3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

Производство наночастиц можно осуществлять химическим путем, например, путем смешивания смесей солей Fe II и Fe III с щелочью для осаждения коллоидного Fe 3 O 4 . Условия реакции имеют решающее значение для процесса и определяют размер частиц. [15]

Реакции [ править ]

Восстановление магнетитовой руды CO в доменной печи используется для производства чугуна в процессе производства стали: [3]

Контролируемое окисление Fe 3 O 4 используется для получения коричневого пигмента γ-Fe 2 O 3 ( маггемита ): [16]

Более интенсивное прокаливание (обжиг на воздухе) дает красный пигмент качества α-Fe 2 O 3 ( гематит ): [16]

Структура [ править ]

Fe 3 O 4 имеет кубическую структуру группы обратной шпинели, которая состоит из кубического плотноупакованного массива оксидных ионов, в котором все ионы Fe 2+ занимают половину октаэдрических позиций, а Fe 3+ равномерно разделены по остальным октаэдрическим позициям и тетраэдрические узлы.

И FeO, и γ-Fe 2 O 3 имеют подобный кубический плотноупакованный массив оксидных ионов, и это объясняет легкую взаимозаменяемость между тремя соединениями при окислении и восстановлении, поскольку эти реакции влекут за собой относительно небольшое изменение общей структуры. [3] Образцы Fe 3 O 4 могут быть нестехиометрическими . [3]

Ферримагнетизм из Fe 3 O 4 возникает из - за спины электронов из Fe II и Fe III ионов в октаэдрических и соединены спинами Fe III ионов в тетраэдрических соединены , но анти-параллельно к первому. В результате магнитные вклады обоих наборов не сбалансированы и возникает постоянный магнетизм. [3]

В расплавленном состоянии экспериментально ограниченные модели показывают, что ионы железа координированы в среднем до 5 ионов кислорода. [17] Существует распределение координационных центров в жидком состоянии, при этом большая часть как Fe II, так и Fe III 5-координирована с кислородом, а меньшая часть популяции как 4-, так и 6-кратно координированного железа.

Свойства [ править ]

Образец магнетита , встречающегося в природе Fe 3 O 4 .

Fe 3 O 4 является ферримагнетиком с температурой Кюри 858 К. Существует фазовый переход при 120 К, называемый переходом Вервея, при котором наблюдается нарушение сплошности в структуре, проводимости и магнитных свойствах. [18] Этот эффект был тщательно исследован, и, хотя были предложены различные объяснения, он, похоже, не до конца понят. [19]

Fe 3 O 4 представляет собой электрический проводник с проводимостью, значительно более высокой (X 10 6 ), чем Fe 2 O 3 , и это объясняется электронным обменом между центрами Fe II и Fe III . [3]

Использует [ редактировать ]

Fe 3 O 4 используется в качестве черного пигмента и известен как черный пигмент CI 11 (CI № 77499) или Mars Black . [16]

Fe 3 O 4 используется в качестве катализатора в процессе Габера и в реакции конверсии водяного газа . [20] Последний использует HTS (катализатор высокотемпературного сдвига) оксида железа, стабилизированного оксидом хрома . [20] Этот железо-хромовый катализатор восстанавливается при запуске реактора с образованием Fe 3 O 4 из α-Fe 2 O 3 и Cr 2 O 3 в CrO 3 . [20]

Воронение - это процесс пассивации , при котором на поверхности стали образуется слой Fe 3 O 4, защищающий ее от ржавчины.

Ферумокситол, наряду с серой и алюминием, входит в состав определенного типа термитов, используемых для резки стали. [ необходима цитата ]

Медицинское использование [ править ]

Ферумокситол
Клинические данные
Торговые наименованияФерахеме, Риенсо
AHFS / Drugs.comМонография
MedlinePlusa614023
Данные лицензии
  • EU  EMA :  по INN
  • US  DailyMed :  Ферумокситол
Пути администрированияВнутривенное вливание
Код УВД
  • Никто
Легальное положение
Легальное положение
  • США : только ℞ [21]
  • ЕС : только рецепты [22]
Идентификаторы
Название ИЮПАК
  • железо (2 +); железо (3 +); кислород (2-)
Количество CAS
  • 1309-38-2
DrugBank
  • DB06215
UNII
  • XM0M87F357
КЕГГ
  • D04177
ЧЭБИ
  • ЧЕБИ: 46726
Панель управления CompTox ( EPA )
  • DTXSID5029639
ECHA InfoCard100.013.889
Химические и физические данные
ФормулаFe 3 O 4
Молярная масса231,531  г · моль -1
3D модель ( JSmol )
  • Интерактивное изображение
Улыбки
  • [O-2]. [O-2]. [O-2]. [O-2]. [Fe + 2]. [Fe + 3]. [Fe + 3]
ИнЧИ
  • InChI = 1S / 3Fe.4O / q + 2; 2 * + 3; 4 * -2
  • Ключ: WTFXARWRTYJXII-UHFFFAOYSA-N

Наночастицы Fe 3 O 4 используются в качестве контрастных агентов при сканировании МРТ . [24]

Ферумокситол, продаваемый под торговыми марками Feraheme и Rienso, представляет собой препарат Fe 3 O 4 для внутривенного введения для лечения анемии, возникшей в результате хронического заболевания почек . [21] [22] [25] [26] Ферумокситол производится и распространяется по всему миру компанией AMAG Pharmaceuticals . [26] [21]

Биологическое происхождение [ править ]

Магнетит обнаружен в виде нанокристаллов в магнитотактических бактериях (42–45 нм) [4] и в ткани клюва домашних голубей . [27]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Магнетит (Fe3O4): свойства, синтез и применение Ли Блейни, Lehigh Review 15, 33-81 (2007). См. Приложение A, стр.77.
  2. ^ Прадёт Патнаик. Справочник неорганических химикатов . Макгроу-Хилл, 2002, ISBN  0-07-049439-8
  3. ^ a b c d e f Гринвуд Н. Н. , Эрншоу А. (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  4. ^ а б в г Корнелл Р.М., Швертманн U (2007). Оксиды железа: структура, свойства, реакции, появление и применение . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-60644-3.
  5. Перейти ↑ Ma M, Zhang Y, Guo Z, Gu N (январь 2013 г.). «Легкий синтез ультратонких магнитных нанопластин оксида железа по реакции Шикорра» . Письма о наноразмерных исследованиях . 8 (1): 16. Полномочный код : 2013NRL ..... 8 ... 16M . DOI : 10.1186 / 1556-276X-8-16 . PMC 3598988 . PMID 23294626 .  
  6. ^ Massart R (1981). «Приготовление водных магнитных жидкостей в щелочных и кислых средах». IEEE Transactions on Magnetics . 17 (2): 1247–1248. Bibcode : 1981ITM .... 17.1247M . DOI : 10,1109 / TMAG.1981.1061188 .
  7. ^ Кешаварз S, Сюй Y, Hrdý S, Lemley С, Т Мьюз, Бао Y (2010). «Релаксация покрытых полимером магнитных наночастиц Fe 3 O 4 в водном растворе». IEEE Transactions on Magnetics . 46 (6): 1541–1543. DOI : 10,1109 / TMAG.2010.2040588 . S2CID 35129018 . 
  8. ^ Jolivet JP, Chanéac C, Tronc E (март 2004). «Химия оксидов железа. От молекулярных кластеров до протяженных твердых сетей». Химические коммуникации (5): 481–7. DOI : 10.1039 / B304532N . PMID 14973569 . 
  9. ^ Ström В, Олссон РТ, Рао К. (2010). «Мониторинг в реальном времени эволюции магнетизма во время осаждения суперпарамагнитных наночастиц для приложений биологии». Журнал химии материалов . 20 (20): 4168. DOI : 10.1039 / C0JM00043D .
  10. ^ Фан М, Ström В, Олссон РТ, Белова л, Рао К. (2011). «Быстрое перемешивание: способ синтеза наночастиц магнетита с высоким моментом». Письма по прикладной физике . 99 (22): 222501. Bibcode : 2011ApPhL..99v2501F . DOI : 10.1063 / 1.3662965 .
  11. ^ Фан М, Ström В, Олссон РТ, Белова л, Рао К. (апрель 2012). «Зависимость размера частиц и магнитных свойств от температуры роста для быстро смешанных соосажденных наночастиц магнетита». Нанотехнологии . 23 (14): 145601. Bibcode : 2012Nanot..23n5601F . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 23/14/145601 . PMID 22433909 . 
  12. ^ США 2596954 , Хит TD, «Процесс восстановления железной руды до магнетита», выданный 13 мая 1952, назначены Dorr компании 
  13. ^ Pineau A, Kanari N, Gaballah I (2006). «Кинетика восстановления оксидов железа H2. Часть I: Низкотемпературное восстановление гематита». Thermochimica Acta . 447 (1): 89–100. DOI : 10.1016 / j.tca.2005.10.004 .
  14. ^ Hayes PC, Grieveson P (1981). «Влияние зародышеобразования и роста на восстановление Fe 2 O 3 до Fe 3 O 4 ». Металлургические и Транзакция материалов B . 12 (2): 319–326. Bibcode : 1981MTB .... 12..319H . DOI : 10.1007 / BF02654465 . S2CID 94274056 . 
  15. ^ Артур Т. Хаббард (2002) Энциклопедия поверхностных и коллоидных наук CRC Press, ISBN 0-8247-0796-6 
  16. ^ a b c Гюнтер Буксбаум, Герхард Пфафф (2005) Промышленные неорганические пигменты, 3-е издание Wiley-VCH ISBN 3-527-30363-4 
  17. ^ Ши, Цайцзюань; Олдермен, Оливер; Тамалонис, Энтони; Вебер, Ричард; Ты, Цзинлинь; Бенмор, Крис (2020). «Окислительно-восстановительная зависимость расплавов оксидов железа» . Коммуникационные материалы . 1 (1): 80. Bibcode : 2020CoMat ... 1 ... 80S . DOI : 10.1038 / s43246-020-00080-4 . S2CID 226248368 . 
  18. ^ Verwey EJ (1939). «Электронная проводимость магнетита (Fe 3 O 4 ) и его точка перехода при низких температурах». Природа . 144 (3642): 327–328 (1939). Bibcode : 1939Natur.144..327V . DOI : 10.1038 / 144327b0 . S2CID 41925681 . 
  19. Перейти ↑ Walz F (2002). «Переход Вервея - актуальный обзор». Журнал физики: конденсированное вещество . 14 (12): R285 – R340. DOI : 10.1088 / 0953-8984 / 14/12/203 .
  20. ^ a b c Сонгю Ли (2006) Энциклопедия химической обработки CRC Press ISBN 0-8247-5563-4 
  21. ^ a b c «Ферагемеферумокситол для инъекций» . DailyMed . 9 июля 2020 . Проверено 14 сентября 2020 года .
  22. ^ a b "Rienso EPAR" . Европейское агентство по лекарственным средствам . 17 сентября 2018 . Проверено 14 сентября 2020 года .
  23. ^ «Ферумокситол (Feraheme) Использование во время беременности» . Drugs.com . 15 мая 2020 . Проверено 14 сентября 2020 года .
  24. ^ Детка л, Denizot В, С Тангой, Жалл Р (апрель 1999 г.). «Синтез наночастиц оксида железа, используемых в качестве контрастных агентов МРТ: параметрическое исследование». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 212 (2): 474–482. Bibcode : 1999JCIS..212..474B . DOI : 10,1006 / jcis.1998.6053 . PMID 10092379 . 
  25. ^ Schwenk MH (январь 2010). «Ферумокситол: новый препарат железа для внутривенного введения для лечения железодефицитной анемии у пациентов с хронической болезнью почек» . Фармакотерапия . 30 (1): 70–9. DOI : 10.1592 / phco.30.1.70 . PMID 20030475 . S2CID 7748714 .  ( требуется регистрация )
  26. ^ a b «Пакет одобрения лекарственных средств: инъекция Feraheme (Ферумокситол) NDA № 022180» . США пищевых продуктов и медикаментов (FDA) . Проверено 14 сентября 2020 года . Текстовое резюме (PDF) .
  27. ^ Hanzlík М, Heunemann С, Хольткамп-Rötzler Е, Винкльхофер М, Н Петерсен, Флейснер G (декабрь 2000 г.). «Суперпарамагнитный магнетит в ткани верхнего клюва почтовых голубей». Биометаллы . 13 (4): 325–31. DOI : 10,1023 / A: 1009214526685 . PMID 11247039 . S2CID 39216462 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • «Ферумокситол» . Информационный портал о наркотиках . Национальная медицинская библиотека США.