Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о красном оксиде железа. Для использования в других целях, см Красное железо .

Оксид железа (III)
Элементарная ячейка гематита
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 InfoCard100.013.790 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 215-168-2
Номер EE172 (ii) (цвета)
11092
КЕГГ
Номер RTECS
  • NO7400000
UNII
Характеристики
Fe 2 O 3
Молярная масса159,687  г · моль -1
ВнешностьКрасно-коричневый твердый
ЗапахБез запаха
Плотность5,25 г / см 3 [1]
Температура плавления1,539 ° C (2,802 ° F; 1812 K) [1]
разлагает β-дигидрат
105 ° C (221 ° F; 378 K)
, разлагает β-моногидрат
150 ° C (302 ° F; 423 K)
, разлагает
50 ° C (122 ° F; 323 K)
α-дигидрат, разлагается при
92 ° C (198 ° F, 365 K)
α-моногидрат, разлагается [3]
Растворимость в воде
Нерастворимый
РастворимостьРастворим в разбавленных кислотах , [1] практически не растворим в растворе сахара [2]
Тригидрат, слабо растворим в водн. винная кислота , лимонная кислота , CH 3 COOH [3]
Магнитная восприимчивость (χ)
+ 3586,0 · 10 −6 см 3 / моль
Показатель преломления ( n D )
n 1 = 2,91, n 2 = 3,19 (α, гематит) [4]
Структура
Кристальная структура
Ромбоэдрический , hR30 (α-форма) [5]
Кубический биксбиит, cI80 (β-форма)
Кубическая шпинель (γ-форма)
Орторомбический (ε-форма) [6]
Космическая группа
R3c, № 161 (α-форма) [5]
Ia 3 , № 206 (β-форма)
Pna2 1 , № 33 (ε-форма) [6]
Группа точек
3м (α-форма) [5]
2 / м 3 (β-форма)
мм2 (ε-форма) [6]
Координационная геометрия
Октаэдрический (Fe 3+ , α-форма, β-форма) [5]
Термохимия [7]
Теплоемкость ( C )
103,9 Дж / моль · К [7]
Стандартная мольная энтропия ( S o 298 )
87,4 Дж / моль · К [7]
Std энтальпия формации (Δ F H ⦵ 298 )
-824,2 кДж / моль [7]
Свободная энергия Гиббса (Δ f G ˚)
-742,2 кДж / моль [7]
Опасности
Пиктограммы GHS[8]
Сигнальное слово GHSПредупреждение
Формулировки опасности GHS
H315 , H319 , H335 [8]
Меры предосторожности GHS
P261 , P305 + 351 + 338 [8]
NFPA 704 (огненный алмаз)
[10]
Flammability code 0: Will not burn. E.g. waterHealth code 0: Exposure under fire conditions would offer no hazard beyond that of ordinary combustible material. E.g. sodium chlorideReactivity code 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no codeNFPA 704 четырехцветный алмаз
0
0
0
Пороговое предельное значение (ПДК)
5 мг / м 3 [1] (TWA)
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
LD 50 ( средняя доза )
10 г / кг (крысы, перорально) [10]
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (Допустимо)
TWA 10 мг / м 3 [9]
REL (рекомендуется)
TWA 5 мг / м 3 [9]
IDLH (Непосредственная опасность)
2500 мг / м 3 [9]
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 3легко подвергается действию кислот. Оксид железа (III) часто называют ржавчиной , и в некоторой степени этот ярлык полезен, потому что ржавчина имеет несколько общих свойств и похожий состав; однако в химии ржавчина считается плохо определенным материалом, описываемым как оксид железа. [11]

Структура [ править ]

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 [ править ]

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. [12] Его легко приготовить, используя как термическое разложение.и осаждение в жидкой фазе. Его магнитные свойства зависят от многих факторов, например давления, размера частиц и напряженности магнитного поля.

Гамма-фаза [ править ]

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 [13], 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 ). [13]Ультратонкие частицы могут быть получены термическим разложением оксалата железа (III) .

Другие твердые фазы [ править ]

Были идентифицированы 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, [ разъяснение необходимости ] пиролиз из железа (III) хлорид раствора или термического разложения железа (III) сульфата . [14]

Эпсилон (ε) фаза является ромбической и показывает 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 . [15] 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) . [ необходима цитата ]Исследования выявили эпсилон-оксид железа (III) в древней китайской керамической глазури Цзянь , что может дать представление о способах получения этой формы в лаборатории. [16] [ требуется неосновной источник ]

Кроме того, при высоком давлении заявляется аморфная форма. [6] [необходим неосновной источник ]

Жидкая фаза [ править ]

Ожидается, что расплав Fe 2 O 3 будет иметь координационное число около 5 атомов кислорода вокруг каждого атома железа на основе измерений капель переохлажденного жидкого оксида железа с небольшим дефицитом кислорода, где переохлаждение устраняет необходимость в высоких давлениях кислорода, требуемых выше точки плавления. точка для сохранения стехиометрии. [17]

Гидратированные оксиды железа (III) [ править ]

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 рустика. Когда Fe 2 O 3 · H 2 O нагревается, он теряет гидратную воду. Дальнейшее нагревание до 1670 К превращает Fe 2 O 3до черного Fe 3 O 4 (Fe II Fe III 2 O 4 ), известного как минерал магнетит . Fe (O) OH растворяется в кислотах, давая [Fe (H
2O)
6] 3+ . В концентрированной водной щелочи Fe 2 O 3 дает [Fe (OH) 6 ] 3– . [13]

Реакции [ править ]

Самая важная реакция - это его карботермическое восстановление , в результате чего железо, используемое в производстве стали:

Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2

Другая окислительно-восстановительная реакция - это чрезвычайно экзотермическая термитная реакция с алюминием . [18]

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 для изготовления 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): [19]

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 ( ферраты (III)): [19]

ZnO + Fe 2 O 3 → Zn (FeO 2 ) 2

Подготовка [ править ]

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. [19] [20]

2 FeO (OH) → Fe 2 O 3 + H 2 O

Использует [ редактировать ]

Металлургическая промышленность [ править ]

Оксид железа (III) в подавляющем большинстве случаев используется в качестве сырья для сталелитейной и черной промышленности, например, для производства чугуна , стали и многих сплавов. [20]

Полировка [ править ]

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 полироли, такие как оксид церия (IV) , но до сих пор используется при изготовлении оптики и ювелирами для получения превосходной отделки. При полировке золота румяна слегка окрашивают золото, что способствует внешнему виду готового изделия. Румяна продается в виде порошка, пасты, насыпанной на ткань для полировки или твердого стержня (с воском или смазкой.связующее). 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 [ править ]

Два разных цвета в разной гидратной фазе (α = красный, β = желтый) гидрата оксида железа (III); [3] они полезны как пигменты.

Оксид железа (III) также используется в качестве пигмента под названиями «коричневый пигмент 6», «коричневый пигмент 7» и «красный пигмент 101». [21] 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. [22]

Гематит - характерный компонент шведской краски цвета Falu red .

Магнитная запись [ править ]

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. [23]

Фотокатализ [ править ]

α-Fe 2 O 3 был изучен как фотоанод для окисления солнечной воды. [24] Однако его эффективность ограничена короткой длиной диффузии (2-4 нм) фотовозбужденных носителей заряда [25] и последующей быстрой рекомбинацией , требующей большого перенапряжения для запуска реакции. [26] Исследования были сосредоточены на улучшении характеристик окисления Fe 2 O 3 в воде с использованием наноструктурирования, [24] функционализации поверхности [27] или использования альтернативных кристаллических фаз, таких как β-Fe 2 O 3 .[28]

Медицина [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Халькант

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Хейнс, стр. 4,69
  2. ^ "Словарь химических растворимостей, неорганических" . archive.org . Дата обращения 17 ноября 2020 .
  3. ^ a b c Коми, Артур Мессинджер; Хан, Дороти А. (февраль 1921 г.). Словарь химических растворимостей: неорганические (2-е изд.). Нью-Йорк: Компания MacMillan. п. 433.
  4. Перейти ↑ Haynes, p. 4,141
  5. ^ а б в г Лин, Ичуань; Уиллер, Дэймон А .; Чжан, Цзинь Чжун; Ли, Ят (2013). Чжай, Тяньюй; Яо, Цзяньянь (ред.). Одномерные наноструктуры: принципы и приложения . John Wiley & Sons, Inc . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 167. ISBN. 978-1-118-07191-5.
  6. ^ a b c d Вуйтек, Милан; Зборил, Радек; Кубинек, Роман; Машлан, Мирослав. «Ультратонкие частицы оксидов железа (III) с точки зрения АСМ - новый путь изучения полиморфизма в наномире» (PDF) . Univerzity Palackého . Проверено 12 июля 2014 .
  7. ^ a b c d e Хейнс, стр. 5,12
  8. ^ a b c Sigma-Aldrich Co. , оксид железа (III) . Проверено 12 июля 2014.
  9. ^ a b c Карманный справочник NIOSH по химической опасности. «# 0344» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  10. ^ a b "SDS оксида железа (III)" (PDF) . KJLC . Англия: Kurt J Lesker Company Ltd. 5 января 2012 . Проверено 12 июля 2014 .
  11. ^ PubChem. «Оксид железа (Fe2O3), гидрат» . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Дата обращения 11 ноября 2020 .
  12. ^ Greedan, JE (1994). «Магнитные оксиды». В Кинг, Р. Брюс (ред.). Энциклопедия неорганической химии . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-93620-6.
  13. ^ a b c Housecroft, Catherine E .; Шарп, Алан Г. (2008). «Глава 22: химия металлов d- блока: элементы первого ряда». Неорганическая химия (3-е изд.). Пирсон. п. 716 . ISBN 978-0-13-175553-6.
  14. ^ «Механизм окисления и термического разложения сульфидов железа» (PDF) .
  15. ^ «Достижения в магнитных пленках эпсилон-оксида железа к носителям записи высокой плотности следующего поколения» . rsc.org . Королевское химическое общество . Проверено 25 января 2021 года .
  16. ^ Деджуа, Кэтрин; Шау, Филипп; Ли, Вэйдун; Ноэ, Лора; Мехта, Апурва; Чен, Кай; Ло, Хунцзе; Кунц, Мартин; Тамура, Нобумичи; Лю, Чжи (2015). «Уроки прошлого: редкий ε-Fe 2 O 3 в древних изделиях Цзянь (Тэнмоку) с черной глазурью» . Научные отчеты . 4 : 4941. DOI : 10.1038 / srep04941 . PMC 4018809 . PMID 24820819 .  
  17. ^ Ши, Цайцзюань; Олдермен, Оливер; Тамалонис, Энтони; Вебер, Ричард; Ты, Цзинлинь; Бенмор, Крис (2020). «Редокс-структура расплавленных оксидов железа» . Коммуникационные материалы . 1 (1): 80. Bibcode : 2020CoMat ... 1 ... 80S . DOI : 10.1038 / s43246-020-00080-4 .
  18. ^ Адлам; Прайс (1945 г.). Аттестат о высшем образовании по неорганической химии . Лесли Слейтер Прайс.
  19. ^ a b c Справочник по препаративной неорганической химии, 2-е изд. Под редакцией Г. Брауэра, Academic Press, 1963, NY. Vol. 1. п. 1661.
  20. ^ a b Гринвуд, штат Нью-Йорк; Эрншоу, А. (1997). Химия элемента (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-3365-9.
  21. ^ Краски и поверхностные покрытия: теория и практика . Уильям Эндрю Inc. 1999. ISBN 978-1-884207-73-0.
  22. ^ Банерджи, Avijit (2011). Руководство по оперативной стоматологии Пикарда . США: Oxford University Press Inc., Нью-Йорк. п. 89. ISBN 978-0-19-957915-0.
  23. ^ Piramanayagam, SN (2007). «Перпендикулярный носитель записи для жестких дисков». Журнал прикладной физики . 102 (1): 011301–011301–22. Bibcode : 2007JAP ... 102a1301P . DOI : 10.1063 / 1.2750414 .
  24. ^ a b Кей А., Сезар И. и Гретцель М. (2006). «Новый эталон фотоокисления воды с помощью наноструктурированных пленок α-Fe 2 O 3 ». Журнал Американского химического общества . 128 (49): 15714–15721. DOI : 10.1021 / ja064380l . PMID 17147381 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  25. Перейти ↑ Kennedy, JH и Frese, KW (1978). «Фотоокисление воды на электродах α-Fe 2 O 3 ». Журнал Электрохимического общества . 125 (5): 709. DOI : 10,1149 / 1,2131532 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. Перейти ↑ Le Formal, F. (2014). "Обратно-дырочная рекомбинация в фотоанодах гематита для расщепления воды" . Журнал Американского химического общества . 136 (6): 2564–2574. DOI : 10.1021 / ja412058x . PMID 24437340 . 
  27. ^ Чжун, Д.К. и Гамелин, Д.Р. (2010). «Фотоэлектрохимическое окисление воды кобальтовым катализатором (Co-Pi) / композитными фотоанодами 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 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  28. Перейти ↑ Emery, JD (2014). "Осаждение атомных слоев метастабильного β-Fe 2 O 3 посредством изоморфной эпитаксии для фотоактивированного окисления воды". Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (24): 21894–21900. DOI : 10.1021 / am507065y . ОСТИ 1355777 . PMID 25490778 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Карманный справочник NIOSH по химической опасности