Оксид железа(III)
 | |
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Оксид железа(III) | |
| Другие имена | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| ЧЭБИ | |
| ХимическийПаук | |
| Информационная карта ECHA | 100.013.790 |
| Номер ЕС |
|
| номер Е | E172(ii) (цвета) |
| 11092 | |
| КЕГГ | |
ПабХим CID | |
| номер РТЭКС |
|
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| Fe2OFe2O3 | |
| Молярная масса | 159.687 g·mol −1 |
| Появление | Красный сплошной |
| Запах | Без запаха |
| Плотность | 5,25 г/см 3 [1] |
| Температура плавления | 1539 ° C (2802 ° F; 1812 К) [1] разлагается 105 ° С (221 ° F; 378 К) β-дигидрат, разлагается 150 ° С (302 ° F; 423 К) β-моногидрат, разлагается 50 ° С (122 ° F; 323 К) α-дигидрат, разлагается 92 ° С (198 ° F; 365 К) α-моногидрат, разлагается [2] |
| нерастворимый | |
| Растворимость | Растворим в разбавленных кислотах . [1] плохо растворим в сахарном растворе [2] Тригидрат мало растворим в водн. винная кислота , лимонная кислота , CH 3 COOH [2] |
| +3586.0x10 −6 см 3 /моль | |
Показатель преломления ( n D ) | n 1 = 2,91, n 2 = 3,19 (α, гематит) [3] |
| Структура | |
| Ромбоэдрический , hR30 (α-форма) [4] Кубический биксбиит, cI80 (β-форма) Кубическая шпинель (γ-форма) Орторомбический (ε-форма) [5] | |
| R3c, № 161 (α-форма) [4] Ia 3 , № 206 (β-форма) Пна2 1 , нет. 33 (ε-форма) [5] | |
| 3м (α-форма) [4] 2/м 3 (β-форма) мм2 (электронная форма) [5] | |
| Октаэдрический (Fe 3+ , α-форма, β-форма) [4] | |
| Термохимия [6] | |
Теплоемкость ( С ) | 103,9 Дж/моль·К [6] |
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 ) | 87,4 Дж/моль·К [6] |
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 ) | −824,2 кДж/моль [6] |
Свободная энергия Гиббса (Δ f G ⦵ ) | −742,2 кДж/моль [6] |
| Опасности | |
| СГС Маркировка : | |
 [7] | |
| Предупреждение | |
| Х315 , Х319 , Х335 [7] | |
| П261 , П305+П351+П338 [7] | |
| NFPA 704 (огненный алмаз) | |
| 5 мг/м 3 [1] (ДВА) | |
| Летальная доза или концентрация (LD, LC): | |
ЛД 50 ( средняя доза ) | 10 г/кг (крысы, перорально) [9] |
| NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США): | |
МЕХ (Допускается) | СВВ 10 мг/м 3 [8] |
РЕЛ (рекомендуется) | СВВ 5 мг/м 3 [8] |
IDLH (Непосредственная опасность) | 2500 мг/м 3 [8] |
| Родственные соединения | |
Другие анионы | Фторид железа(III) |
Другие катионы | Оксид марганца(III) Оксид кобальта(III) |
Родственные оксиды железа | Оксид железа(II) Оксид железа(II,III) |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Оксид железа(III) или оксид железа представляет собой неорганическое соединение формулы Fe 2 O 3 . Это один из трех основных оксидов железа ( , два других — оксид железа (II) FeO), что встречается редко; и оксид железа(II,III) (Fe 3 O 4 ), который также встречается в природе в виде минерала магнетита . Минерал, известный как гематит , Fe 2 O 3 является основным источником железа для сталелитейной промышленности. Fe 2 O 3 легко подвергается воздействию кислот. Оксид железа (III) часто называют ржавчиной , поскольку ржавчина имеет несколько общих свойств и схожий состав; однако в химии ржавчина считается неопределенным материалом, описываемым как водный оксид железа. [10]
Структура
[ редактировать ]Fe 2 O 3 может быть получен в различных полиморфных модификациях . В первичном полиморфе α железо принимает октаэдрическую координационную геометрию. То есть каждый центр Fe связан с шестью кислородными лигандами . В полиморфе γ часть железа расположена в тетраэдрических позициях с четырьмя кислородными лигандами.
Альфа-фаза
[ редактировать ]α-Fe 2 O 3 имеет ромбоэдрическую , корундовую (α-Al 2 O 3 ) структуру и является наиболее распространенной формой. В природе он встречается в виде минерала гематита , который добывается как основная руда железная . Он антиферромагнитен при температуре ниже ~ 260 К ( температура перехода Морена ) и проявляет слабый ферромагнетизм между 260 К и температурой Нееля , 950 К. [11] 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
[ редактировать ]γ-Fe 2 O 3 имеет кубическую структуру. Он метастабилен и превращается из альфа-фазы при высоких температурах. В природе он встречается в виде минерала маггемита . Он ферромагнитен и находит применение в записывающих лентах. [12] хотя ультрамелкие частицы размером менее 10 нанометров являются суперпарамагнитными . Его можно получить термической дегидратацией гамма -оксида-гидроксида железа (III) . Другой метод предполагает осторожное окисление оксида железа(II,III) (Fe 3 O 4 ). [12] Ультрамелкие частицы могут быть получены термическим разложением оксалата железа(III) .
Другие твердые фазы
[ редактировать ]Было выявлено или заявлено несколько других этапов. Бета-фаза (β-фаза) является кубической объемноцентрированной (пространственная группа Ia3), метастабильной и при температуре выше 500 ° C (930 ° F) превращается в альфа-фазу. Его можно получить восстановлением гематита углеродом. [ нужны разъяснения ] пиролиз раствора хлорида железа (III) или термическое разложение сульфата железа(III) . [13]
Эпсилон (ε)-фаза является ромбической и демонстрирует свойства, промежуточные между альфа- и гамма-фазой, и может обладать полезными магнитными свойствами, применимыми для таких целей, как носители записи высокой плотности для хранения больших данных . [14] Получение чистой эпсилон-фазы оказалось очень сложной задачей. Материал с высокой долей эпсилон-фазы можно получить 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) . [ нужна ссылка ] Исследования обнаружили эпсилон-оксид железа(III) в древних китайских керамических глазурях Цзянь, что может дать представление о способах получения этой формы в лаборатории. [15] [ нужен неосновной источник ]
Кроме того, при высоком давлении аморфная форма. заявлена [5] [ нужен неосновной источник ]
Жидкая фаза
[ редактировать ]Ожидается, что расплавленный Fe 2 O 3 будет иметь координационное число, близкое к 5 атомам кислорода вокруг каждого атома железа, на основании измерений переохлажденных капель жидкого оксида железа с небольшим дефицитом кислорода, где переохлаждение позволяет избежать необходимости в высоких давлениях кислорода, необходимых над плавлением. точка для поддержания стехиометрии. [16]
Гидратированные оксиды железа(III)
[ редактировать ]Существует несколько гидратов оксида железа (III).При добавлении щелочи к растворам растворимых солей Fe(III) образуется студенистый осадок красно-коричневого цвета. Это не Fe(OH) 3 , а Fe 2 O 3 ·H 2 O (также пишется как Fe(O)OH).Также существует несколько форм гидратированного оксида Fe (III). Красный лепидокрокит (γ-Fe(O)OH) встречается снаружи рустиков , а оранжевый гетит (α-Fe(O)OH) встречается внутри рустиков.При нагревании Fe 2 O 3 ·H 2 O он теряет гидратную воду. Дальнейшее нагревание при 1670 К превращает Fe 2 O 3 в черный Fe 3 O 4 (Fe II Фе III 2 O 4 ), который известен как минерал магнетит .Fe(O)OH растворим в кислотах, давая [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ . В концентрированной водной щелочи Fe 2 O 3 дает [Fe(OH) 6 ] 3− . [12]
Реакции
[ редактировать ]Наиболее важной реакцией является ее карботермическое восстановление , в результате которого образуется железо, используемое в выплавке стали:
- Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2
Другая окислительно-восстановительная реакция — чрезвычайно экзотермическая термитная реакция с алюминием . [17]
- 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 подачи расплавленного железа между двумя секциями рельса. Термит также используется в оружии и изготовлении небольших чугунных скульптур и инструментов.
Частичное восстановление водородом при температуре около 400 °C приводит к образованию магнетита, черного магнитного материала, содержащего как Fe(III), так и Fe(II): [18]
- 3Fe 2 O 3 + H 2 → 2 Fe 3 O 4 + H 2 O
Оксид железа(III) нерастворим в воде, но легко растворяется в сильных кислотах, 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)): [18]
- ZnO + Fe 2 O 3 → Zn(FeO 2 ) 2
Подготовка
[ редактировать ]Оксид железа(III) является продуктом 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)
Образующийся гидратированный оксид железа(III), обозначенный здесь как FeO(OH), дегидратируется при температуре около 200 °C. [18] [19]
- 2 FeO(OH) → Fe 2 O 3 + H 2 O
Использование
[ редактировать ]Железная промышленность
[ редактировать ]Подавляющее применение оксида железа(III) находит в качестве сырья для сталелитейной и черной металлургии, например, при производстве железа , стали и многих сплавов. [19]
Полировка
[ редактировать ]Очень мелкий порошок оксида железа известен как «ювелирные румяна», «красные румяна» или просто румяна. Его использовали для окончательной полировки металлических украшений и линз , а также исторически в качестве косметического средства . Румяна режется медленнее, чем некоторые современные полироли, такие как оксид церия (IV) , но все еще используются в производстве оптики и ювелирами для получения превосходной отделки. При полировке золота румяна слегка окрашивают золото, что улучшает внешний вид готового изделия. Румяна продаются в виде порошка, пасты, нанесенной на полировальную ткань или твердого бруска (со связующим веществом из воска или жира ). Другие полировочные составы также часто называют «румянами», даже если они не содержат оксида железа. Ювелиры удаляют остатки румян на украшениях с помощью ультразвуковой чистки . Продукты, продаваемые как « ремонтирующий состав», часто наносятся на кожаный ремень , чтобы придать лезвие ножам, опасным бритвам или любому другому инструменту с заточкой.
Пигмент
[ редактировать ]
Оксид железа (III) также используется в качестве пигмента под названиями «Пигмент Коричневый 6», «Пигмент Коричневый 7» и «Пигмент Красный 101». [20] 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. [21]
Гематит является характерным компонентом шведской краски Falu red .
Магнитная запись
[ редактировать ]Оксид железа(III) был наиболее распространенной магнитной частицей, используемой во всех типах магнитных носителей информации и записи , включая магнитные диски (для хранения данных) и магнитную ленту (используемую для аудио- и видеозаписи, а также для хранения данных). Его использование в компьютерных дисках было заменено кобальтовым сплавом, что позволило использовать более тонкие магнитные пленки с более высокой плотностью хранения. [22]
Фотокатализ
[ редактировать ]α-Fe 2 O 3 изучался как фотоанод для окисления воды солнечным светом. [23] Однако его эффективность ограничена небольшой длиной диффузии (2–4 нм) фотовозбужденных носителей заряда. [24] и последующая быстрая рекомбинация , требующая большого перенапряжения для запуска реакции. [25] Исследования были сосредоточены на улучшении характеристик водного окисления Fe 2 O 3 с использованием наноструктурирования. [23] функционализация поверхности, [26] или путем использования альтернативных кристаллических фаз, таких как β-Fe 2 O 3 . [27]
Лекарство
[ редактировать ]Лосьон Каламин , 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.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д Хейнс , с. 4,69
- ^ Jump up to: а б с д Коми, Артур Мессингер; Хан, Дороти А. (февраль 1921 г.). Словарь химической растворимости: неорганические вещества (2-е изд.). Нью-Йорк: Компания MacMillan. п. 433.
- ^ Хейнс , с. 4.141
- ^ Jump up to: а б с д Лин, Ичуань; Уилер, Дэймон А.; Чжан, Цзинь Чжун; Ли, Ят (2013). Чжай, Тянью; Яо, Цзяннянь (ред.). Одномерные наноструктуры: принципы и приложения . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., с. 167. ИСБН 978-1-118-07191-5 .
- ^ Jump up to: а б с д Вуйтек, Милан; Зборил, Радек; Кубинек, Роман; Машлан, Мирослав. «Сверхмелкие частицы оксидов железа (III) с помощью АСМ - новый путь изучения полиморфизма в наномире» (PDF) . Университет Палакехо . Проверено 12 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Хейнс , с. 5.12
- ^ Jump up to: а б с Sigma-Aldrich Co. , Оксид железа(III) . Проверено 12 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0344» . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
- ^ Jump up to: а б «Паспорт безопасности оксида железа (III)» (PDF) . КЖЛК . Англия: Kurt J Lesker Company Ltd., 5 января 2012 г. Проверено 12 июля 2014 г.
- ^ ПабХим. «Оксид железа (Fe2O3), гидрат» . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 11 ноября 2020 г.
- ^ Гридан, Дж. Э. (1994). «Магнитные оксиды». В Кинге, Р. Брюсе (ред.). Энциклопедия неорганической химии . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-93620-6 .
- ^ Jump up to: а б с Хаускрофт, Кэтрин Э.; Шарп, Алан Г. (2008). «Глава 22: d -блок химия металлов: элементы первого ряда». Неорганическая химия (3-е изд.). Пирсон. п. 716 . ISBN 978-0-13-175553-6 .
- ^ «Механизм окисления и термического разложения сульфидов железа» (PDF) .
- ^ Токоро, Хироко; Намай, Аска; Окоши, Син-Ичи (2021). «Достижения в области магнитных пленок эпсилон-оксида железа на пути к носителям записи высокой плотности следующего поколения» . Транзакции Далтона . 50 (2). Королевское химическое общество: 452–459. дои : 10.1039/D0DT03460F . ПМИД 33393552 . S2CID 230482821 . Проверено 25 января 2021 г.
- ^ Дежуа, Кэтрин; Скиау, 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. дои : 10.1038/srep04941 . ПМК 4018809 . ПМИД 24820819 .
- ^ Ши, Кайцзюань; Олдерман, Оливер; Тамалонис, Энтони; Вебер, Ричард; Ты, Цзинлинь; Бенмор, Крис (2020). «Окислительно-восстановительная зависимость расплавленных оксидов железа от структуры» . Коммуникационные материалы . 1 (1): 80. Бибкод : 2020CoMat...1...80S . дои : 10.1038/s43246-020-00080-4 .
- ^ Адлам; Прайс (1945). Аттестат о высшем образовании Неорганическая химия . Лесли Слейтер Прайс.
- ^ Jump up to: а б с Справочник по препаративной неорганической химии, 2-е изд. Под редакцией Г. Брауэра, Academic Press, 1963, Нью-Йорк. Том. 1. п. 1661.
- ^ Jump up to: а б Гринвуд, штат Нью-Йорк; Эрншоу, А. (1997). Химия элемента (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-3365-9 .
- ^ Краска и поверхностные покрытия: теория и практика . Уильям Эндрю Inc. 1999. ISBN. 978-1-884207-73-0 .
- ^ Банерджи, Авиджит (2011). Руководство Пикарда по оперативной стоматологии . США: Oxford University Press Inc., Нью-Йорк. п. 89. ИСБН 978-0-19-957915-0 .
- ^ Пираманаягам, С.Н. (2007). «Перпендикулярный носитель записи для жестких дисков». Журнал прикладной физики . 102 (1): 011301–011301–22. Бибкод : 2007JAP...102a1301P . дои : 10.1063/1.2750414 .
- ^ Jump up to: а б Кей А., Сезар И. и Гретцель М. (2006). «Новый эталон фотоокисления воды наноструктурированными пленками α-Fe 2 O 3 ». Журнал Американского химического общества . 128 (49): 15714–15721. дои : 10.1021/ja064380l . ПМИД 17147381 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Кеннеди, Дж. Х. и Фрезе, К. В. (1978). «Фотоокисление воды на электродах α-Fe 2 O 3 ». Журнал Электрохимического общества . 125 (5): 709. Бибкод : 1978JElS..125..709K . дои : 10.1149/1.2131532 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Ле Формаль, Ф. (2014). «Обратная электрон-дырочная рекомбинация в гематитовых фотоанодах для расщепления воды» . Журнал Американского химического общества . 136 (6): 2564–2574. дои : 10.1021/ja412058x . ПМИД 24437340 .
- ^ Чжун, Д.К. и Гамелен, Д.Р. (2010). «Фотоэлектрохимическое окисление воды с помощью кобальтового катализатора («Co-Pi»)/композитных фотоанодов α-Fe 2 O 3 : выделение кислорода и устранение кинетического узкого места». Журнал Американского химического общества . 132 (12): 4202–4207. дои : 10.1021/ja908730h . ПМИД 20201513 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Эмери, доктор юридических наук (2014). «Атомно-слоевое осаждение метастабильного β-Fe 2 O 3 посредством изоморфной эпитаксии для фотосодействующего окисления воды». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 6 (24): 21894–21900. дои : 10.1021/am507065y . ОСТИ 1355777 . ПМИД 25490778 .
Цитируемые источники
[ редактировать ]- Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). ЦРК Пресс . ISBN 978-1439855119 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]