Оксид железа(II,III)
Имена | |
---|---|
Название ИЮПАК
оксид железа(II) железа(III)
| |
Другие имена
оксид железа(II,III), оксид железа(II,III), магнетит, черный оксид железа, магнит, ржавчина, оксид железа(II) дижелеза(III)
| |
Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
КЭБ | |
ХЭМБЛ | |
ХимическийПаук | |
Информационная карта ECHA | 100.013.889 |
ПабХим CID
|
|
НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
Характеристики | |
Fe 3 О 4 FeO.Fe 2 O 3 | |
Молярная масса | 231.533 g/mol |
Появление | твердый черный порошок |
Плотность | 5 г/см 3 |
Температура плавления | 1597 ° C (2907 ° F; 1870 К) |
Точка кипения | 2,623 [ 1 ] ° C (4753 ° F; 2896 К) |
Показатель преломления ( n D )
|
2.42 [ 2 ] |
Опасности | |
NFPA 704 (огненный алмаз) | |
Термохимия | |
Стандартная энтальпия
образование (Δ f H ⦵ 298 ) |
-1120,89 кДж·моль −1 [ 3 ] |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
|
Оксид железа(II,III) , или черный оксид железа, представляет собой химическое соединение с формулой Fe 3 O 4 . В природе встречается как минерал магнетит . Это один из многих оксидов железа , остальные — 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 как Fe 2+ и Fe 3+ ионов и иногда формулируется как FeO ∙ Fe 2 O 3 . Этот оксид железа встречается в лаборатории в виде черного порошка. Он проявляет постоянный магнетизм и является ферримагнитным , но иногда его ошибочно называют ферромагнитным . [ 4 ] Наиболее широкое его применение — в качестве черного пигмента (см.: Mars Black ). Для этой цели его синтезируют, а не экстрагируют из природного минерала, поскольку размер и форма частиц могут варьироваться в зависимости от метода производства. [ 5 ]
Подготовка
[ редактировать ]Нагретое металлическое железо взаимодействует с паром с образованием оксида железа и газообразного водорода.
В анаэробных условиях гидроксид железа (Fe(OH) 2 ) может окисляться водой с образованием магнетита и молекулярного водорода . Этот процесс описывается реакцией Шикорра :
Это работает, поскольку кристаллический магнетит (Fe 3 O 4 ) термодинамически более стабилен, чем аморфный гидроксид железа (Fe(OH) 2 ). [ 6 ]
Метод Массара получения магнетита как феррожидкости удобен в лабораторных условиях: смешивают хлорид железа(II) и хлорид железа(III) в присутствии гидроксида натрия . [ 7 ]
Более эффективный метод получения магнетита без неприятных остатков натрия заключается в использовании аммиака для содействия химическому соосаждению из хлоридов железа: сначала смешивают растворы 0,1 М FeCl 3 ·6H 2 O и FeCl 2 ·4H 2 O при интенсивном перемешивании. примерно при 2000 об/мин. Молярное соотношение FeCl 3 :FeCl 2 должно составлять примерно 2:1. Нагрейте смесь до 70°С, затем увеличьте скорость перемешивания примерно до 7500 об/мин и быстро добавьте раствор NH 4 OH (10 об.%). Сразу образуется темный осадок наночастиц магнетита. [ 8 ]
В обоих методах реакция осаждения основана на быстром превращении кислых ионов железа в структуру оксида железа шпинели при pH 10 или выше.
Управление образованием наночастиц магнетита представляет собой сложную задачу: реакции и фазовые превращения, необходимые для создания структуры магнетитовой шпинели, сложны. [ 9 ] Эта тема имеет практическое значение, поскольку частицы магнетита представляют интерес для таких биологических приложений, как магнитно-резонансная томография (МРТ), в которой наночастицы магнетита оксида железа потенциально представляют собой нетоксичную альтернативу контрастным веществам на основе гадолиния , используемым в настоящее время. Однако трудности с контролем образования частиц по-прежнему не позволяют получить суперпарамагнитные частицы магнетита, то есть: наночастицы магнетита с коэрцитивной силой 0 А/м, что означает, что они полностью теряют свою постоянную намагниченность в отсутствие внешней намагниченности. магнитное поле. Наименьшие значения, зарегистрированные в настоящее время для наноразмерных частиц магнетита, составляют Hc = 8,5 Ампер. −1 , [ 10 ] тогда как наибольшее зарегистрированное значение намагниченности составляет 87 Am. 2 кг −1 для синтетического магнетита. [ 11 ] [ 12 ]
Качественный пигмент Fe 3 O 4 , так называемый синтетический магнетит, можно получить с использованием процессов, в которых используются промышленные отходы, железный лом или растворы, содержащие соли железа (например, те, которые производятся в качестве побочных продуктов в промышленных процессах, таких как кислотная обработка ( травление ) сталь):
- Окисление металлического железа в процессе Ло, где нитробензол обрабатывается металлическим железом с использованием FeCl 2 в качестве катализатора для получения анилина : [ 5 ]
- C 6 H 5 NO 2 + 3 Fe + 2 H 2 O → C 6 H 5 NH 2 + Fe 3 O 4
- Окисление Fe II соединения, например, осаждение солей железа(II) в виде гидроксидов с последующим окислением путем аэрации, при котором тщательный контроль pH определяет образующийся оксид. [ 5 ]
Восстановление Fe 2 O 3 водородом: [ 13 ] [ 14 ]
- 3Fe 2 O 3 + H 2 → 2Fe 3 O 4 +H 2 O
Восстановление Fe 2 O 3 CO: [ 15 ]
- 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2
Производство наночастиц можно осуществлять химическим путем, взяв, например, смеси Fe. II и Fe III солей и смешивания их со щелочью для осаждения коллоидного Fe 3 O 4 . Условия реакции имеют решающее значение для процесса и определяют размер частиц. [ 16 ]
Карбонат железа (II) также можно термически разложить на железо (II, III): [ 17 ]
- 3FeCO 3 → Fe 3 O 4 + 2CO 2 + CO
Реакции
[ редактировать ]Восстановление магнетитовой руды CO в доменной печи используется для получения железа в рамках процесса производства стали: [ 4 ]
Контролируемое окисление Fe 3 O 4 используется для получения коричневого пигмента качества γ-Fe 2 O 3 ( маггемит ): [ 18 ]
Более энергичный прокаливание (обжиг на воздухе) дает красный пигмент качества α-Fe 2 O 3 ( гематит ): [ 18 ]
Структура
[ редактировать ]Fe 3 O 4 имеет кубическую структуру обращенной группы шпинели , которая состоит из кубического плотноупакованного массива оксидных ионов, в котором все Fe 2+ ионы занимают половину октаэдрических позиций, а Fe 3+ распределяются равномерно по остальным октаэдрическим позициям и тетраэдрическим позициям.
И FeO , и γ-Fe 2 O 3 имеют схожий кубический плотноупакованный массив оксидных ионов, и это объясняет легкую взаимозаменяемость между тремя соединениями при окислении и восстановлении, поскольку эти реакции влекут за собой относительно небольшие изменения в общей структуре. [ 4 ] Образцы Fe 3 O 4 могут быть нестехиометрическими . [ 4 ]
Ферримагнетизм возникает из-за того , Fe 3 O 4 что электронные спины Fe II и Fe III ионы в октаэдрических позициях связаны, и спины Fe III ионы в тетраэдрических позициях связаны, но антипараллельны первым. Конечным результатом является то, что магнитные вклады обоих наборов не сбалансированы и существует постоянный магнетизм. [ 4 ]
В расплавленном состоянии экспериментально ограниченные модели показывают, что ионы железа координируются в среднем с 5 ионами кислорода. [ 19 ] В жидком состоянии наблюдается распределение координационных центров, причем большая часть как Fe II и Fe III будучи 5-координированным по отношению к кислороду и меньшинству популяций как 4-, так и 6-координированного железа.
Характеристики
[ редактировать ]
Fe 3 O 4 является ферримагнитным веществом с температурой Кюри 858 К (585 °С). При 120 К (-153 ° C) происходит фазовый переход, называемый переходом Вервея, при котором наблюдается разрыв структуры, проводимости и магнитных свойств. [ 20 ] Этот эффект был тщательно исследован, и хотя были предложены различные объяснения, он, по-видимому, не полностью понят. [ 21 ]
Хотя удельное электрическое сопротивление 4 гораздо выше , чем металлическое железо (96,1 нОм · м), Fe 3 Fe 3 O O 4 (0,3 мОм · м) удельное электрическое сопротивление [ 22 ] ) значительно ниже, чем у Fe 2 O 3 (около кОм·м). Это связывают с обменом электронами между Fe II и Fe III центры в Fe 3 O 4 . [ 4 ]
Использование
[ редактировать ]Клинические данные | |
---|---|
Торговые названия | Ферахеме, Риенсо |
AHFS / Drugs.com | Монография |
МедлайнПлюс | а614023 |
Данные лицензии |
|
Маршруты администрация | Внутривенная инфузия |
код АТС |
|
Юридический статус | |
Юридический статус | |
Идентификаторы | |
Номер CAS | |
Лекарственный Банк | |
НЕКОТОРЫЙ | |
КЕГГ | |
КЭБ | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
Информационная карта ECHA | 100.013.889 |
Химические и физические данные | |
Формула | Fe 3 О 4 |
Молярная масса | 231.531 g·mol −1 |
3D model ( JSmol ) | |
Fe 3 O 4 используется в качестве черного пигмента и известен как пигмент CI черный 11 (CI № 77499) или Mars Black . [ 18 ]
Fe 3 O 4 используется в качестве катализатора в процессе Габера и в реакции конверсии вода-газ . [ 26 ] В последнем используется HTS (катализатор высокотемпературного сдвига) из оксида железа, стабилизированного оксидом хрома . [ 26 ] Этот железохромовый катализатор восстанавливается при запуске реактора с образованием Fe 3 O 4 из α-Fe 2 O 3 и Cr 2 O 3 до CrO 3 . [ 26 ]
Воронение — это процесс пассивации , при котором на поверхности стали образуется слой Fe 3 O 4 , защищающий ее от ржавчины. Наряду с серой и алюминием он входит в состав термита для резки стали . [ нужна ссылка ]
Медицинское использование
[ редактировать ]Наночастицы Fe 3 O 4 используются в качестве контрастного вещества при МРТ-сканировании . [ 27 ]
Ферумокситол, продаваемый под торговыми марками Feraheme и Rienso, представляет собой для внутривенного препарат Fe 3 O 4 введения для лечения анемии, возникающей в результате хронической болезни почек . [ 23 ] [ 24 ] [ 28 ] [ 29 ] Ферумокситол производится и распространяется по всему миру компанией AMAG Pharmaceuticals . [ 23 ] [ 29 ]
Биологическое явление
[ редактировать ]Магнетит был обнаружен в виде нанокристаллов у магнитотактических бактерий (42–45 нм). [ 5 ] и в тканях клюва почтовых голубей . [ 30 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Магнетит (Fe3O4): свойства, синтез и применение Ли Блейни, Lehigh Review 15, 33-81 (2007). См. Приложение А, стр. 77.
- ^ Прадьот Патнаик. Справочник неорганических химикатов . МакГроу-Хилл, 2002 г., ISBN 0-07-049439-8
- ^ Чейз МВт (1998). «Темохимические таблицы NIST-JANAF» . НИСТ (Четвертое изд.): 1–1951.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Гринвуд Н.Н. , Эрншоу А. (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8 .
- ^ Jump up to: а б с д Корнелл Р.М., Швертманн У (2007). Оксиды железа: структура, свойства, реакции, возникновение и использование . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-60644-3 .
- ^ Ма М, Чжан Ю, Го Цз, Гу Н (январь 2013 г.). «Простой синтез ультратонких магнитных нанопластин оксида железа реакцией Шикорра» . Письма о наномасштабных исследованиях . 8 (1): 16. Бибкод : 2013НРЛ.....8...16М . дои : 10.1186/1556-276X-8-16 . ПМК 3598988 . ПМИД 23294626 .
- ^ Массарт Р. (1981). «Приготовление водных магнитных жидкостей в щелочных и кислых средах». Транзакции IEEE по магнетизму . 17 (2): 1247–1248. Бибкод : 1981ITM....17.1247M . дои : 10.1109/TMAG.1981.1061188 .
- ^ Кешаварц С., Сюй Ю., Хрди С., Лемли С., Мьюз Т., Бао Ю. (2010). «Релаксация магнитных наночастиц Fe 3 O 4 с полимерным покрытием в водном растворе». Транзакции IEEE по магнетизму . 46 (6): 1541–1543. дои : 10.1109/TMAG.2010.2040588 . S2CID 35129018 .
- ^ Жоливе ЖП, Шанеак С, Тронк Е (март 2004 г.). «Химия оксида железа. От молекулярных кластеров к протяженным твердым сетям». Химические коммуникации (5): 481–7. дои : 10.1039/B304532N . ПМИД 14973569 .
- ^ Стрём В., Олссон Р.Т., Рао К.В. (2010). «Мониторинг в реальном времени эволюции магнетизма во время осаждения суперпарамагнитных наночастиц для бионаучных приложений». Журнал химии материалов . 20 (20): 4168. doi : 10.1039/C0JM00043D .
- ^ Фанг М., Стрём В., Олссон Р.Т., Белова Л., Рао К.В. (2011). «Быстрое смешивание: путь синтеза наночастиц магнетита с высоким моментом». Письма по прикладной физике . 99 (22): 222501. Бибкод : 2011ApPhL..99v2501F . дои : 10.1063/1.3662965 .
- ^ Фанг М., Стрём В., Олссон Р.Т., Белова Л., Рао К.В. (апрель 2012 г.). «Зависимость размера частиц и магнитных свойств от температуры роста быстро смешанных соосажденных наночастиц магнетита». Нанотехнологии . 23 (14): 145601. Бибкод : 2012Nanot..23n5601F . дои : 10.1088/0957-4484/23/14/145601 . ПМИД 22433909 . S2CID 34153665 .
- ^ US 2596954 , Heath TD, «Процесс восстановления железной руды в магнетит», выдан 13 мая 1952 г., передан компании Dorr.
- ^ Пино А., Канари Н., Габалла I (2006). «Кинетика восстановления оксидов железа H2. Часть I: Низкотемпературное восстановление гематита». Термохимика Акта . 447 (1): 89–100. дои : 10.1016/j.tca.2005.10.004 .
- ^ Хейс ПК, Гривсон П. (1981). «Влияние нуклеации и роста на восстановление Fe 2 O 3 до Fe 3 O 4 ». Металлургические операции и операции с материалами B . 12 (2): 319–326. Бибкод : 1981MTB....12..319H . дои : 10.1007/BF02654465 . S2CID 94274056 .
- ^ Артур Т. Хаббард (2002) Энциклопедия поверхностных и коллоидных наук CRC Press, ISBN 0-8247-0796-6
- ^ «FeCO3 = Fe3O4 + CO2 + CO | Термическое разложение карбоната железа(II)» . chemiday.com . Проверено 14 октября 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с Гюнтер Буксбаум, Герхард Пфафф (2005) Промышленные неорганические пигменты, 3-е издание Wiley-VCH ISBN 3-527-30363-4
- ^ Ши С., Олдермен О.Л., Тамалонис А., Вебер Р., Ю Дж., Бенмор С.Дж. (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 . S2CID 226248368 .
- ^ Вервей Э.Дж. (1939). «Электронная проводимость магнетита (Fe 3 O 4 ) и ее точка перехода при низких температурах». Природа . 144 (3642): 327–328 (1939). Бибкод : 1939Природа.144..327В . дои : 10.1038/144327b0 . S2CID 41925681 .
- ^ Вальц Ф (2002). «Переход Вервея - актуальный обзор». Физический журнал: конденсированное вещество . 14 (12): 285–340 р. дои : 10.1088/0953-8984/14/12/203 . S2CID 250773238 .
- ^ Итай Р. (1971). «Электрическое сопротивление магнетитовых анодов» . Журнал Электрохимического общества . 118 (10): 1709. Бибкод : 1971JElS..118.1709I . дои : 10.1149/1.2407817 .
- ^ Jump up to: а б с «Ферахем-ферумокситол для инъекций» . ДейлиМед . 9 июля 2020 г. Проверено 14 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б «Риенсо ЭПАР» . Европейское агентство по лекарственным средствам . 17 сентября 2018 года . Проверено 14 сентября 2020 г.
- ^ «Использование ферумокситола (ферахема) во время беременности» . Наркотики.com . 15 мая 2020 г. Проверено 14 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с Сунгю Ли (2006) Энциклопедия химической обработки CRC Press ISBN 0-8247-5563-4
- ^ Бэйбс Л., Денизо Б., Танги Дж., Джаллет П. (апрель 1999 г.). «Синтез наночастиц оксида железа, используемых в качестве контрастных веществ для МРТ: параметрическое исследование». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 212 (2): 474–482. Бибкод : 1999JCIS..212..474B . doi : 10.1006/jcis.1998.6053 . ПМИД 10092379 .
- ^ Швенк М.Х. (январь 2010 г.). «Ферумокситол: новый внутривенный препарат железа для лечения железодефицитной анемии у больных хронической болезнью почек» . Фармакотерапия . 30 (1): 70–79. дои : 10.1592/phco.30.1.70 . ПМИД 20030475 . S2CID 7748714 .
- ^ Jump up to: а б «Пакет одобрения лекарств: Ферахем (ферумокситол) для инъекций NDA № 022180» . США Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) . Проверено 14 сентября 2020 г.
Ривз Д. (23 июня 2009 г.). «Номер заявки: 22-180» (PDF) (Краткий обзор). Центр оценки и исследования лекарств. - ^ Ханзлик М., Хойнеманн С., Хольткамп-Ретцлер Е., Винкльхофер М., Петерсен Н., Фляйсснер Г. (декабрь 2000 г.). «Суперпарамагнитный магнетит в ткани верхнего клюва почтовых голубей». Биометаллы . 13 (4): 325–31. дои : 10.1023/А:1009214526685 . ПМИД 11247039 . S2CID 39216462 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Ферумокситол» . Информационный портал о наркотиках . Национальная медицинская библиотека США.