Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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) . [1]

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 имеет номер E E172.

Оксиды [ править ]

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 [ править ]

  • гидроксид железа (II) (Fe (OH) 2 )
  • гидроксид железа (III) (Fe (OH) 3 ), ( берналит )

Тепловое расширение [ править ]

Оксид железаКТР (× 10 −6 ° C −1 )
Fe 2 O 314,9 [7]
Fe 3 O 4> 9,2 [7]
FeO12,1 [7]

Оксид-гидроксиды [ править ]

Основная статья: оксид-гидроксид железа (III)
  • гетит (α-FeOOH),
  • акаганеит (β-FeOOH),
  • лепидокрокит (γ-FeOOH),
  • фероксигит (δ-FeOOH),
  • ферригидрит ( приблизительно), или , лучше переделать в
  • FeOOH со структурой пирита высокого давления. [8] Эта фаза может образоваться, как только начинается обезвоживание . [9]
  • швертманнит (в идеале или ) [10]
  • зеленый ржавчина ( где А - представляет собой Сl - или 0.5SO 4 2- )

Микробная деградация [ править ]

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). [11]

Воздействие на окружающую среду [ править ]

Замена метаногенеза восстановлением оксида железа [ править ]

В условиях, благоприятствующих восстановлению железа, процесс восстановления оксида железа может заменить не менее 80% производства метана, происходящего в результате метаногенеза . [12] Это явление происходит в азотсодержащей (N 2 ) среде с низкими концентрациями сульфатов. Метаногенез, процесс, движимый архейскими корнями, обычно является преобладающей формой углеродной минерализации в отложениях на дне океана. Метаногенез завершает разложение органического вещества до метана (CH 4 ). [12]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, следующие:

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 [12]
  • Примечание: cit = цитрат .

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

Образование гидроксильных радикалов [ править ]

С другой стороны, было показано, что, находясь в воздухе, оксиды железа повреждают ткани легких живых организмов за счет 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. [13]

O 2 + e - → O 2 • - [13] 

Образование супероксид-аниона ( O 2 • - ) катализируется трансмембранным ферментом, называемым НАДФН-оксидазой . Фермент способствует переносу электрона через плазматическую мембрану от цитозольного НАДФН к внеклеточному кислороду (O 2 ) с образованием O 2 • - . НАДФН и ФАД связаны с сайтами связывания цитоплазмы на ферменте. 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 перенос произошел, второй гем должен быть связан с внеклеточным кислородом, который является акцептором электрона. Этот фермент также может располагаться внутри мембран внутриклеточных органелл, позволяя формированию O 2 • - происходить внутри органелл. [14]

2 O 2 • - + 2 H + → H 
2О
2+ O 2 [13] [15]

Образование перекиси водорода ( H
2О
2) может возникать спонтанно, когда окружающая среда имеет более низкий pH, особенно при pH 7,4. [15] Фермент супероксиддисмутаза также может катализировать эту реакцию. Однажды H
2О
2был синтезирован, он может диффундировать через мембраны для перемещения внутри и за пределы клетки из-за своей неполярной природы. [14]

Fe 2+ + H
2О
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 [13] 

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 • - . O 2 • - затем можно использовать для производства большего количества H 2 O 2 с помощью ранее показанного процесса, продолжающего цикл, или он может реагировать с H 2 O 2с образованием большего количества гидроксильных радикалов. Было показано, что гидроксильные радикалы увеличивают клеточный окислительный стресс и атакуют клеточные мембраны, а также клеточные геномы. [13]

HO • + RH → R • + H 2 O [13]

Радикал HO •, образующийся в результате вышеуказанных реакций с железом, может отщеплять 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). . [13]

См. Также [ править ]

  • Великое окислительное событие
  • Железный цикл
  • Наночастица оксида железа
  • Лимонит
  • Список неорганических пигментов

Ссылки [ править ]

  1. ^ Корнелл., RM .; Швертманн, У (2003). Оксиды железа: структура, свойства, реакции, появление и . Wiley VCH. ISBN 978-3-527-30274-1.
  2. ^ Ху, Цинъян; Ким, Дак Янг; Ян, Венге; Ян, Люсян; Мэн, Юэ; Чжан, Ли; Мао Хо-Гван (июнь 2016 г.). «FeO 2 и (FeO) OH в условиях глубокой нижней мантии и кислородно-водородные циклы Земли». Природа . 534 (7606): 241–244. Bibcode : 2016Natur.534..241H . DOI : 10.1038 / nature18018 . ISSN 1476-4687 . PMID 27279220 .  
  3. ^ Лавина, Б .; Dera, P .; Kim, E .; Meng, Y .; Даунс, РТ; Weck, PF; Саттон, С.Р .; Чжао, Ю. (октябрь 2011 г.). «Открытие восстанавливаемого оксида железа высокого давления Fe4O5» . Труды Национальной академии наук . 108 (42): 17281–17285. Bibcode : 2011PNAS..10817281L . DOI : 10.1073 / pnas.1107573108 . PMC 3198347 . PMID 21969537 .  
  4. ^ Лавина, Барбара; Мэн, Юэ (2015). «Синтез Fe5O6» . Успехи науки . 1 (5): e1400260. DOI : 10.1126 / sciadv.1400260 . PMC 4640612 . PMID 26601196 .  
  5. ^ а б Быкова, Е .; Дубровинский, Л .; Дубровинская, Н .; Быков, М .; McCammon, C .; Овсянников, С.В. Liermann, H. -P .; Купенко, И .; Чумаков А.И.; Rüffer, R .; Hanfland, M .; Пракапенко, В. (2016). «Структурная сложность простого Fe2O3 при высоких давлениях и температурах» . Nature Communications . 7 : 10661. дои : 10.1038 / ncomms10661 . PMC 4753252 . PMID 26864300 .  
  6. ^ Мерлини, Марко; Ханфланд, Майкл; Саламат, Ашкан; Петитжирар, Сильвен; Мюллер, Харальд (2015). «Кристаллические структуры Mg2Fe2C4O13 с тетраэдрически координированным углеродом и Fe13O19, синтезированные в условиях глубокой мантии». Американский минералог . 100 (8–9): 2001–2004. DOI : 10,2138 / ч 2015-5369 . S2CID 54496448 . 
  7. ^ a b c Факури Хасанабади, М .; Кокаби, AH; Nemati, A .; Зинатлоу Аджабшир, С. (февраль 2017 г.). «Взаимодействия вблизи трехфазных границ металл / стекло / воздух в плоских твердооксидных топливных элементах». Международный журнал водородной энергетики . 42 (8): 5306–5314. DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2017.01.065 . ISSN 0360-3199 . 
  8. ^ Ниси, Масаюки; Куваяма, Ясухиро; Цучия, Джун; Цутия, Таку (2017). «Пиритовая форма FeOOH высокого давления» . Природа . 547 (7662): 205–208. DOI : 10.1038 / nature22823 . ISSN 1476-4687 . PMID 28678774 . S2CID 205257075 .   
  9. ^ Ху, Цинъян; Ким, Даки Ён; Лю, Цзинь; Мэн, Юэ; Люсян, Ян; Чжан, Дунчжоу; Мао, Венди Л .; Мао, Хо-гван (2017). «Дегидрирование гетита в глубокой нижней мантии Земли» . Труды Национальной академии наук . 114 (7): 1498–1501. DOI : 10.1073 / pnas.1620644114 . PMC 5320987 . PMID 28143928 .  
  10. ^ http://www.mindat.org/min-7281.html Миндат
  11. ^ Bretschger, O .; Образцова, А .; Штурм, Калифорния; Чанг, IS; Горби Ю.А. Рид, SB; Калли, Германия; Рирдон, CL; Barua, S .; Romine, MF; Чжоу, Дж .; Беляев АС; Bouhenni, R .; Saffarini, D .; Mansfeld, F .; Kim, B.-H .; Фредриксон, Дж. К.; Нилсон, К. Х. (20 июля 2007 г.). «Текущее производство и сокращение оксида металла Shewanella oneidensis MR-1 дикого типа и мутантов» . Прикладная и экологическая микробиология . 73 (21): 7003–7012. DOI : 10,1128 / AEM.01087-07 . PMC 2223255 . PMID 17644630 .  
  12. ^ a b c Sivan, O .; Шуста, СС; Валентин, DL (2016-03-01). «Метаногены быстро переходят от производства метана к восстановлению железа». Геобиология . 14 (2): 190–203. DOI : 10.1111 / gbi.12172 . ISSN 1472-4669 . PMID 26762691 .  
  13. ^ a b c d e f g Hartwig, A .; Комиссия МАК 2016 г. (25 июля 2016 г.). Оксиды железа (вдыхаемая фракция) [MAK Value Documentation, 2011] . Сборник МАК по охране труда . 1 . С. 1804–1869. DOI : 10.1002 / 3527600418.mb0209fste5116 . ISBN 9783527600410.
  14. ^ a b Бедард, Карен; Краузе, Карл-Хайнц (01.01.2007). "Семейство NOX производящих АФК НАДФН оксидаз: физиология и патофизиология" . Физиологические обзоры . 87 (1): 245–313. DOI : 10.1152 / Physrev.00044.2005 . ISSN 0031-9333 . PMID 17237347 .  
  15. ^ а б Чаппл, Иэн LC; Мэтьюз, Джон Б. (1 февраля 2007 г.). «Роль активных форм кислорода и антиоксидантов в разрушении тканей пародонта». Пародонтология 2000 . 43 (1): 160–232. DOI : 10.1111 / j.1600-0757.2006.00178.x . ISSN 1600-0757 . PMID 17214840 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Информация от Nano-Oxides, Inc. по Fe 2 O 3 .
  • Железная реакция с одним горшком
  • Статистика и информация о пигментах из оксида железа
  • CDC - Карманный справочник NIOSH по химической опасности