Зеленая ржавчина

4 ) синтезированы в анаэробных условиях в отсутствие растворенного кислорода.
Зеленая ржавчина — это общее название различных зеленых кристаллических химических соединений, содержащих катионы железа (II) и железа (III), гидроксид ( OH −
) анион и другой анион, например карбонат ( CO 2−
3 ), хлорид ( Cl −
) или сульфат ( SO 2−
4 ), в слоистой структуре двойного гидроксида (ЛДГ). Наиболее изученными сортами являются следующие: [ 1 ]
- карбонатный зеленый ржавчина – GR ( CO 2−
3 ):
[ Фе 2+
4 Фе 3+
2 ( ОН −
) 12 ] 2+ · [ КО 2−
3 · 2ч
2О ] 2− ; [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] - хлоридный грин раст – GR ( Cl −
):
[ Фе 2+
33Fe 3+
( ОЙ −
) 8 ] + · [ кл −
· н Ч
2О ] − ; [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] - сульфат зеленого раста – ГР ( SO 2−
4 ):
[ Фе 2+
4 Фе 3+
2 ( ОН −
) 12 ] 2+ · [ ТАК 2−
4 · 2ч
2О ] 2− . [ 5 ] [ 7 ] [ 8 ]
Другие разновидности, описанные в литературе, представляют собой бромид Br. −
, [ 7 ] фторид F −
, [ 7 ] йодид я −
, [ 9 ] нитрат НЕТ −
3 , [ 10 ] и селенат СеО 2- 4 . [ 11 ]
Зеленая ржавчина была впервые описана как коррозионная корка на железных и стальных поверхностях. [ 2 ] В природе встречается как минерал фужерит . [ 1 ]
Структура
[ редактировать ]Кристаллическую структуру грин раста можно представить как результат внедрения чужеродных анионов и молекул воды между бруситоподобными слоями гидроксида железа(II) . Fe(ОН) 2 . Последний имеет гексагональную кристаллическую структуру с последовательностью слоев AcBAcB..., где A и B — плоскости гидроксид- ионов, а c — плоскости Fe. 2+
( железо (II), катионы двухвалентного железа) . В зеленой ржавчине немного Fe 2+
катионы окисляются до Fe 3+
(железо(III), трехвалентное). Каждый тройной слой AcB, электрически нейтральный в гидроксиде [ нужны разъяснения ] , становится положительно заряженным. Затем анионы внедряются между этими тройными слоями и восстанавливают электронейтральность. [ 1 ]
Существует две основные структуры зеленой ржавчины: «тип 1» и «тип 2». [ 12 ] Примером 1-го типа являются хлоридные и карбонатные разновидности. Он имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру, аналогичную структуре пироаурита ( Mg 6 Fe 2 (OH) 16 CO 3 ·4H 2 O ). Слои укладываются в последовательности AcBiBaCjCbAkA...; где A, B и C представляют собой OH −
плоскости а, б и в — слои смешанного Fe 2+
и Fe 3+
катионы, i, j и k — слои интеркалированных анионов и молекул воды. [ 1 ] [ 13 ] [ 14 ] Кристаллографический параметр c составляет 22,5–22,8 Å для карбоната и около 24 Å для хлорида. [ 4 ]
Примером зеленой ржавчины 2-го типа является сульфатная разновидность. Он имеет гексагональную кристаллическую структуру , как и минералы шегренита ( Mg 6 Fe 2 (OH) 16 CO 3 ·4H 2 O ) группа, слои которой, вероятно, уложены в последовательности AcBiAbCjA... [ 1 ] [ 7 ] [ 13 ]
Химические свойства
[ редактировать ]В окислительной среде гринраст обычно превращается в Fe. 3+
оксигидроксиды , а именно α- FeOOH ( гетит ) и γ- FeOOH ( лепидокрокит ). [ 13 ]
Окисление карбонатной разновидности можно замедлить, смачивая материал гидроксилсодержащими органическими соединениями, такими как глицерин или глюкоза , даже если они не проникают в структуру. [ 3 ] Некоторые разновидности гринраста стабилизируются также атмосферой с высоким содержанием CO.
2 парциальное давление . [ 3 ] [ 15 ]
Было показано, что сульфатная зеленая ржавчина снижает содержание нитратов NO. −
3 и нитрит NO −
2 в растворе аммония NH +
4 , с окислением Fe сопутствующим 2+
в Фе 3+
. В зависимости от катионов в растворе нитрат-анионы замещали сульфат в интеркаляционном слое до восстановления. Было высказано предположение, что зеленая ржавчина может образовываться в восстановительно- щелочных условиях под поверхностью морских отложений и может быть связана с исчезновением в этой среде окисленных видов, таких как нитраты. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]
Суспензии карбоната зеленого раста и оранжевого γ- FeOOH в воде в течение нескольких дней реагируют с образованием черного осадка магнетита Fe.
33О
4 . [ 19 ]
возникновение
[ редактировать ]Коррозия железа и стали
[ редактировать ]Соединения зеленой ржавчины были идентифицированы в корках зеленой коррозии, которые образуются на поверхностях железа и стали в чередующихся аэробных и анаэробных условиях под воздействием воды, содержащей анионы, такие как хлорид, сульфат, карбонат или бикарбонат . [ 2 ] [ 4 ] [ 8 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] Они считаются промежуточными продуктами окислительной коррозии железа с образованием оксигидроксидов железа (III) (обычная бурая ржавчина ). Грин ржавчина может образовываться либо непосредственно из металлического железа, либо из гидроксида железа(II) Fe ( OH ) 2 . [ 4 ]
Восстановительные условия в почвах
[ редактировать ]На основании мессбауэровской спектроскопии предполагается, что зеленый ржавчина встречается в виде минерала в некоторых голубовато-зеленых почвах , которые образуются в переменных окислительно-восстановительных условиях и становятся охристыми при воздействии воздуха. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] Предполагается, что зеленая ржавчина присутствует в форме минерала фужерита ( [Fe 2+ 4 Fe 3+ 2 (OH) 12 ][CO 3 ]·3H 2 O ). [ 5 ]
Биологически опосредованное образование
[ редактировать ]Шестиугольные кристаллы грин раста (карбоната и/или сульфата) также были получены как побочные продукты биовосстановления оксигидроксидов железа диссимиляционными железоредуцирующими бактериями , такими как Shewanella putrefaciens , которые сопровождают восстановление Fe . 3+
при окислении органических веществ . [ 27 ] Предполагается, что этот процесс происходит в почвенных растворах и водоносных горизонтах . [ 19 ]
В одном эксперименте суспензия 160 мМ оранжевого лепидокрокита γ - FeOOH в растворе, содержащем формиат ( HCO −
2 ), инкубированный в течение 3 дней с культурой Shewanella putrefaciens , стал темно-зеленым за счет превращения гидроксида в GR( CO 2−
3 ) в виде гексагональных пластинок диаметром ~7 мкм. В этом процессе формиат окислялся до бикарбоната HCO. −
3 , который обеспечивает карбонат-анионы для образования грин раста. Активные бактерии были необходимы для образования зеленой ржавчины. [ 19 ]
Лабораторная подготовка
[ редактировать ]Методы окисления воздухом
[ редактировать ]Соединения гринраста можно синтезировать при температуре и давлении окружающей среды из растворов, содержащих катионы железа (II), гидроксид-анионы и соответствующие интеркаляционные анионы, такие как хлорид, [ 6 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] сульфат, [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] или карбонат. [ 35 ]
В результате получается суспензия гидроксида железа ( Fe(OH) 2 ) в растворе третьего аниона. Эта суспензия окисляется при перемешивании на воздухе или барботировании через нее воздуха. [ 25 ] Поскольку продукт очень склонен к окислению, необходимо контролировать процесс и исключать кислород после достижения желаемого соотношения Fe. 2+
и Fe 3+
достигается. [ 3 ]
В одном методе сначала соль железа (II) объединяется с гидроксидом натрия (NaOH) с образованием суспензии гидроксида железа. Затем добавляют натриевую соль третьего аниона и окисляют суспензию при перемешивании на воздухе. [ 3 ] [ 25 ] [ 36 ]
Например, карбонатный грин раст можно получить, смешивая растворы сульфата железа(II) FeSO.
4 и гидроксид натрия; затем добавляем достаточное количество карбоната натрия Na
22
3 раствор с последующей стадией окисления воздухом. [ 36 ]
Сульфат грин раста можно получить смешиванием растворов FeCl.
2 · 4 часа
2 O и NaOH для осаждения Fe(OH) 2 , затем сразу же добавляя сульфат натрия Na
2 ТАК
4 и переходим к этапу окисления воздухом. [ 8 ] [ 34 ]
Более прямой метод предполагает использование раствора сульфата железа(II) FeSO.
4 с NaOH и переходим к стадии окисления. [ 18 ] Суспензия должна иметь небольшой избыток FeSO.
4 (в соотношении 0,5833 Fe 2+
за каждого ОН −
) для образования зеленой ржавчины; однако слишком большое его количество вместо этого приведет к образованию нерастворимого основного сульфата железа, гидроксида сульфата железа (II). Fe 2 (SO 4 )(OH) 2 · n H 2 O . [ 32 ] Производство зеленой ржавчины снижается с повышением температуры. [ 37 ]
Стехиометрические методы Fe(II)/Fe(III)
[ редактировать ]Альтернативный препарат карбонатного грин раста сначала дает суспензию гидроксида железа (III). Fe(OH) 3 в хлориде железа(II) FeCl
2 раствора и пузырьки углекислого газа . через него [ 3 ]
В более позднем варианте сначала смешивают растворы солей железа(II) и железа(III), затем добавляют раствор NaOH, все в стехиометрических пропорциях желаемого грин раста. В этом случае стадия окисления не требуется. [ 34 ]
Электрохимия
[ редактировать ]Карбонатные пленки зеленого ржавчины также были получены в результате электрохимического окисления железных пластин. [ 35 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Ж.-М.Р. Женен, Ф. Рефе, Л. Симон и С.Х. Дрисси (1998): «Приготовление и E h -pH-диаграммы соединений грин раста Fe(II)-Fe(III); характеристики сверхтонкого взаимодействия и стехиометрия гидрокси -хлорид, -сульфат и -карбонат". Сверхтонкие взаимодействия, том 111, страницы 313–318. два : 10.1023/A:1012638724990
- ^ Jump up to: а б с П. П. Стампфл (1969): «Основной карбонат железа II-III в ржавчине. Коррозионная наука 9, страницы 185–187.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Ханс CB Хансен (1989): «Состав, стабилизация и светопоглощение гидроксикарбоната Fe (II) Fe (III) («зеленая ржавчина»)». Clay Minerals, том 24, страницы 663–669. дои : 10.1180/claymin.1989.024.4.08
- ^ Jump up to: а б с д и М. Абдельмула, Ф. Рефайт, С.Х. Дрисси, Ж.П. Михе и Ж.-М.Р. Женен (1996): «Конверсионная электронная мессбауэровская спектроскопия и рентгеноструктурные исследования образования карбонатсодержащего грин раста в результате коррозии металлического железа». NaHCO 3 и (NaHCO 3 в растворах + NaCl)». Наука о коррозии, том 38, страницы 623–633. два : 10.1016/0010-938X(95)00153-B
- ^ Jump up to: а б с д М. Абдельмула, Ф. Тролар, Г. Бурье и Ж.-М.Р. Женен (1998): «Свидетельства присутствия минерала Fe (II) – Fe (III) зеленого ржавчины, `фужерита', в гидроморфной почве и его трансформация с глубиной. ". Сверхтонкие взаимодействия, том 111, страницы 231–238. два : 10.1023/A:1010802508927
- ^ Jump up to: а б В. Фейткнехт и Г. Келлер (1950): «О темно-зеленых гидроксисоединениях железа». Журнал неорганической и общей химии, том 262, страницы 61–68. два : 10.1002/zaac.19502620110
- ^ Jump up to: а б с д Дж. Д. Бернал, Д. Р. Дасгупта и А. Л. Маккей (1959): «Окислы и гидроксиды железа и их структурные взаимосвязи». Бюллетень глинистых минералов, том 4, страницы 15–30. дои : 10.1180/claymin.1959.004.21.02
- ^ Jump up to: а б с Ж.-М.Р. Женен, А.А. Олове, Б. Ресиак, Н.Д. Бенбузид-Ролле, М. Конфенте и Д. Приер (1993): «Идентификация сульфатированного соединения грин ржавчины 2, образующегося в результате микробиологической коррозии стальных шпунтовых свай в гавань». Морская коррозия нержавеющей стали: хлорирование и микробное воздействие, Серия публикаций Европейской федерации по коррозии, Институт материалов, Лондон; том 10, страницы 162–166.
- ^ Л. Винс, Дж. Субрт, В. Заплетал и Ф. Ханусек (1987): «Получение и свойства веществ типа зеленой ржавчины». Собирать. Чешский. хим. Комм. том 52, страницы 93–102.
- ^ , М. Л. Мартинес и Дж. М. Отон (1983): «Образование зеленой ржавчины в NO 3 растворах » NH 4 Ганседо Дж. Р. . Анналы химии, серия A, том 79, страницы 470–472.
- ^ П. Рефе, Л. Симон, Ж.-МР Женен (2000): Восстановление SeO 4 2− Анионы и бескислородное образование гидроксиселената железа(II)-железа(III) Зеленая ржавчина. Технологии экологических наук, 34 (5), стр. 819–825. дои : 10.1021/es990376g
- ^ Jump up to: а б И. Р. МакГилл, Б. Макинани и Д.С. Смит (1976): «Кристаллическая структура грин ржавчины, образовавшаяся в результате коррозии чугуна». Природа, том 259, страницы 1521–1529. два : 10.1038/259200a0
- ^ Jump up to: а б с д Людовик Легран, Лео Мазероль и Анни Шоссе (2004): «Окисление карбонатного грин раста в фазы железа: твердотельная реакция или преобразование через раствор». Geochimica et Cosmochimica Acta, том 68, выпуск 17, страницы 3497–3507. два : 10.1016/j.gca.2004.02.019
- ^ Р. Аллманн (1968): «Кристаллическая структура пироаурита». Acta Crystallographica, серия B, том 24, страницы 972–977. дои : 10.1107/S0567740868003511
- ^ Р. М. Тейлор (1982): «Стабилизация цвета и структуры в соединениях пироаурита Fe (II) Fe (III) Al (III) гидроксикарбонаты». Clay Minerals, том 17, страницы 369–372.
- ^ Ханс CB Хансен, Кристиан Бендер Кох, Ханне Нанке-Крог, Оле К. Борггаард и Ян Соренсен (1996): «Абиотическое восстановление нитратов до аммония: ключевая роль зеленой ржавчины». Экологические науки и технологии, том 30, страницы 2053–2056. два : 10.1021/es950844w
- ^ Кристиан Бендер Кох и Ханс CB Хансен (1997): «Восстановление нитрата до аммония сульфатной зеленой ржавчиной» . В: К. Ауэрсвальд, Х. Станьек и Дж. М. Бигэм (ред.), Почвы и окружающая среда: почвенные процессы от минерального до ландшафтного масштаба. Достижения в области геоэкологии, том 30, страницы 373–393. Катена Верлаг. дои : 10.5555/19981900648
- ^ Jump up to: а б Ханс CB Хансен и Кристиан Бендер Кох (1998): «Восстановление нитрата до аммония сульфатной зеленой ржавчиной: энергия активации и механизм реакции». Clay Minerals, том 33, страницы 87–101. дои : 10.1180/000985598545453
- ^ Jump up to: а б с Г. Она-Нгема, М. Абдельмула, Ф. Джоран, О. Бенали, А. Гехин, Дж. К. Блок и Ж.-М. Р. Генин (2002): «Формирование и стабилизация гидроксикарбоната железа (II, III) зеленого ржавчины из лепидокрокита. биоредукция». Экологические науки и технологии, том 36, страницы 16–20.
- ^ Г. Батлер и Дж. Г. Бейнон (1967): «Коррозия мягкой стали в растворах кипящих солей». Коррозионная наука 7, страницы 385–404. два : 10.1016/S0010-938X(67)80052-0
- ^ Паскаль М. Бонин, Войцех Йдрал, Марек С. Одзиемковски и Роберт В. Гиллхэм (2000): «Электрохимические и рамановские спектроскопические исследования влияния хлорированных растворителей на коррозионное поведение железа в боратном буфере и в моделируемых грунтовых водах». Наука о коррозии 42, страницы 1921–1939. два : 10.1016/S0010-938X(00)00027-5
- ^ С. Савой, Л. Легран, Г. Сагон, С. Лекомт, А. Шоссе, Р. Мессина и П. Тулхоат (2001): «Экспериментальные исследования продуктов коррозии железа, образующихся в бикарбонат/карбонатсодержащих растворах при 90°С». °C. Коррозионная наука 43, страницы 2049–2064.
- ^ Ф. Н. Поннамперума (1972): «Химия затопленных почв. Достижения в агрономии 24, страницы 173–189.
- ^ WL Lindsay (1979): «Химическое равновесие в почвах. Wiley Interscience.
- ^ Jump up to: а б с Р. М. Тейлор (1980): «Образование и свойства гидроксикарбоната Fe (II)-Fe (III) и его возможное значение в почвообразовании. Clay Minerals, том 15, страницы 369–382.
- ^ Ф. Тролар, Ж.-М.Р. Женен, М. Абдельмула, Г. Бурье, Б. Гумберт и А. Эрбийон (1997): «Идентификация минерала зеленого ржавчины в редуктоморфной почве с помощью мессбауэровской и рамановской спектроскопии. Geochimica et Cosmochimica Acta 61, страницы 1107–1111.
- ^ Дж. К. Фредриксон, Дж. М. Захара, Д. В. Кеннеди, Х. Донг, Т. К. Онстотт, Н. Хинман и С. М. Ли (1998): «Биогенная минерализация железа, сопровождающая диссимиляционное восстановление водного оксида железа бактериями подземных вод». Geochimica et Cosmochimica Acta, том 62, выпуски 19–20, страницы 3239–3257. два : 10.1016/S0016-7037(98)00243-9
- ^ Дж. Детурне, Р. Дери и М. Годси (1976): «Исследование окисления аэрацией Fe (OH) 2 в хлоридной среде». Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, том 427, страницы 265–273. два : 10.1002/zaac.654270311
- ^ Ф. Рефе и Ж.-М.Р. Генен (1993): «Окисление гидроксида Fe (II) в хлоридсодержащих водных средах и диаграммы Пурбе грин ржавчины I. Corrosion Science 34, страницы 797–819.
- ^ У. Швертманн и Х. Фехтер (1994): «Образование зеленого ржавчины и его преобразование в лепидокрокит. Clay Minerals, том 29, страницы 87–92.
- ^ Дж. Детурне, Л. де Миранда, Р. Дери и М. Годси (1975): «Область стабильности грин раста II на диаграмме электрохимический потенциал-рН в сульфатной среде». Коррозионная наука, том 15, страницы 295–306. два : 10.1016/S0010-938X(75)80011-4
- ^ Jump up to: а б А. А. Олове и Ж.-М. Р. Женен (1991): «Механизм окисления гидроксида Fe (II) в сульфатированных водных средах: важность начального соотношения реагентов». Коррозионная наука 32, страницы 965–984. два : 10.1016/0010-938X(91)90016-I
- ^ Ж.-М.Р. Женен, А.А. Олове, Ф. Рефайт и Л. Саймон (1996): «О стехиометрии и диаграмме Пурбе гидроксисульфата Fe (II)-Fe (III) или сульфатсодержащего грин раста 2: Электрохимическое и мессбауэровское спектроскопическое исследование». Наука о коррозии, том 38, страницы 1751–1762. два : 10.1016/S0010-938X(96)00072-8
- ^ Jump up to: а б с А. Гехин, К. Руби, М. Абдельмула, О. Бенали, Ж. Ганбаха, Ф. Рефайт и Ж.-М.Р. Генин (2002): «Синтез гидроксисульфата Fe (II-III) зеленого раста путем соосаждения». Наука твердого тела, том 4, страницы 61–66. два : 10.1016/S1293-2558(01)01219-5
- ^ Jump up to: а б Л. Легран, С. Савой, А. Шоссе и Р. Мессина (2000): «Исследование продуктов окисления, образующихся на железе в растворах, содержащих бикарбонат/карбонат». Electrochimica Acta, том 46, выпуск 1, страницы 111–117. два : 10.1016/S0013-4686(00)00563-6
- ^ Jump up to: а б С.Х. Дрисси, Ф. Рефе, М. Абдельмула и Ж.-М.Р. Женен (1995): «Приготовление и термодинамические свойства гидроксида-карбоната Fe (II)-Fe (III) (зеленый ржавчина 1); диаграмма Пурбе железа в карбонатсодержащих водных средах». Наука о коррозии, том 37, страницы 2025–2041. два : 10.1016/0010-938X(95)00096-3
- ^ А.А. Олове, Б. Паурон, Ж.-М.Р. Женен (1991): «Влияние температуры на окисление гидроксида железа в сульфатированной водной среде: энергии активации образования продуктов и сверхтонкой структуры магнетита» Коррозионная наука, том 32, выпуск 9, страницы 985–1001. два : 10.1016/0010-938X(91)90017-J