Železov(II,III) oksid

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Jump to navigation Jump to search
Železov(II,III) oksid
Iron oxide black.jpg
IUPAC-ime železov(II) železov(III) oksid
Druga imena fero feri oksid, magnetit, črni železov oksid, rja
Identifikatorji
Številka CAS 1317-61-9
PubChem 16211978
ChEBI 50821
SMILES
InChI
ChemSpider 17215625
Lastnosti
Molekulska formula Fe3O4

FeO.Fe2O3

Molekulska masa 231,533 g/mol
Videz črn prah
Gostota 5 g/cm3
Tališče

1538 °C, 1811 K, 2800 °F

Lomni količnik (nD) 2,42 [1]
Če ni navedeno drugače, podatki veljajo za
material v standardnem stanju (pri 25 °C, 100 kPa)

Železov(II,III) oksid je kemijska spojina s formulo Fe3O4. Je eden od številnih železovih oksidov, med katere spadata tudi železov(II) oksid (FeO), ki je redek, in železov(III) oksid (Fe2O3), znan tudi kot hematit. Železov(II,III) oksid se v naravi pojavlja kot mineral magnetit. Vsebuje Fe2+ in Fe3+ ione in se bolj točno zapiše kot FeO∙Fe2O3. Je črn ferimagneten prah, ki se pogosto napačno imenuje feromagneten.[2] Mineral se uporablja predvsem kot črn pigment, ki se najpogosteje pridobiva s sintezo in ne iz narave, ker sta velikost in oblika delcev odvisna od načina pridobivanja.[3]

Priprava[uredi | uredi kodo]

Železov(II) hidroksid (Fe(OH)2) se lahko v anaerobnih pogojih oksidira z vodo in tvori magnetit in vodik. Proces se imenuje Schikorrjeva reakcija:

3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + H2 + 2 H2O

Magnetit (Fe3O4) je termodinamsko bolj stabilen kot železov(II) hidroksid.[4]

V laboratoriju se lahko pripravi z mešanjem železovega(II) klorida in železovega(III) klorida v prisotnosti natrijevega hidroksida.[5] Druga možnost je obarjanjem mešanice 0,1 M raztopine FeCl3•6H2O in 0,1 M FeCl2•4H2O v prisotnosti amonijevega hidroksida med močnim mešanjem s približno 2000 obr/min. Molsko razmerje FeCl3:FeCl2 mora biti 2:1. Ko se raztopina segreje na 70 °C, se mora število obratov takoj povečati na 7500 obr/min in hitro dodati raztopino NH4OH (10 vol. %), ki sproži obarjanje črnih nanodelcev magnetita.[6] Obe reakciji temeljita na hitri pretvorbi hidroliziranih železovih ionov v spinelno zgradbo železovega oksida, ki jo povzroči hidroliza pri povečanem pH (nad približno 10).

Nastajanju nanodelcev magnetita se zaradi kompleksnosti kemijskih reakcij posveča izredno pozornost.[7] Delci magnetita so zanimivi predvsem v bioloških aplikacijah, na primer pri slikanju z magnetno resonanco (MRI), ker so nestrupena alternativa trenutno uporabljanim kontrastnim sredstvom na osnovi gadolinija. Idealnih superparamagnetnih nanodelcev, ki bi v odsotnosti zunanjega magnetnega polja popolnoma izgubili svoje magnetne lastnosti (Hc = 0 A/m), zaradi pomanjkljivega nadzora nad reakcijami še niso pridobili. Najmanjša vrednost, ki so jo dosegli, je 8,5 A/m.[8] Največja objavljena vrednost magnetizacije je 87 Am2kg−1 za sintetični magnetit.[9][10]

Pigmentni Fe3O4, znan tudi kot sintetični magnetit, se lahko pripravi po postopkih, ki uporabljajo industrijske odpadke, staro železo ali raztopine, ki vsebujejo železove soli.

C6H5NO2 + 3 Fe + 2 H2O → C6H5NH2 + Fe3O4
  • Oksidacija Fe2+ spojin, na primer obarjanje železovih(II) soli kot hidroksidov, kateremu sledi oksidacija z zrakom pri natančno krmiljenem pH:[3]
3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 +H2O
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

Reakcije[uredi | uredi kodo]

  • Z redukcijo magnetitne rude z ogljikovim monoksidom v plavžu se proizvaja surovo železo:[2]
Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2
  • S kontrolirano oksidacijo Fe3O4 se proizvaja rjav pigment maghemit (γ-Fe2O3):[14]
4Fe3O4 + O2 → 6(γ-Fe2O3)
  • S praženjem Fe3O4 na zraku nastane rdeč pigment hematit (α-Fe2O3):[14]
4Fe3O4 + O2 → 6(α-Fe2O3)

Zgradba[uredi | uredi kodo]

Kristalna zgradba magnetita

Fe3O4 ima inverzno kubično spinelno zgradbo, ki je sestavljena iz področja kubičnega gostega sklada oksidnih ionov, v katerem vsi ioni Fe2+ zasedajo polovico oktaedrskih mest, ioni Fe3+ pa so enakomerno porazdeljeni po ostalih oktaedrskih in tetraedrskih mestih.

Podobna področja kubičnih gostih skladov oksidnih ionov imata tudi FeO in γ-Fe2O3, zato med oksidacijo in redukcijo med njimi zlahka pride do zamenjav, saj ti procesi zelo malo spremenijo njihovo splošno zgradbo.[2] Vzorci Fe3O4 so lahko tudi nestehiometrični.[2]

Ferimagnetizem Fe3O4 nastane zaradi parnih elektronskih spinov Fe2+ in Fe3+ ionov na oktaedrskih mestih in parnih, vendar antiparalelnih spinov, na tetraedrskih mestih. Magnetna prispevka obeh nizov nista uravnovešena, kar ima za posledico permanentni magnetizem.[2]

Lastnosti[uredi | uredi kodo]

Vzorec naravnega Fe3O4 (magnetit)

Fe3O4 je ferimagneten s Curiejevo temperaturo 858 K. Pri 120 K je fazni prehod, pri katerem pride do diskontinuitete zgradbe, električne prevodnosti in magnetnih lastnosti.[15] Pojav je predmet obširnih študij in številnih razlag, vendar še ni v celoti pojasnjen.[16]

Fe3O4 je električni prevodnik s prevodnostjo, ki je znatno večja (106 krat) od prevodnosti Fe2O3. Visoko prevodnost se pripisuje izmenjavi elektronov med Fe2+ in Fe3+ centri.[2]

Uporaba[uredi | uredi kodo]

Fe3O4 se uporablja kot črn pigment.[14]

Kot katalizator se uporablja v Haber-Boschevem postopku za sintezo amonijaka in pri pretvorbi vodnega plina v sintezni plin.[17] V slednji so železovi oksidi stabilizirani s kromovim oksidom.[17]

Nanodelci Fe3O4 se uporabljajo kot kontrastno sredstvo v slikanju z magnetno resonanco (MRI).[18]

Ferumoxytol, znan tudi kot Feraheme in Rienso,[19] je intravenozni preparat Fe3O4 za zdravljenje slabokrvnosti, ki je posledica kronične odpovedi ledvic.[20]

V zmesi z žveplom in aluminijem je posebna vrsta termita, uporabna za rezanje jekla.

Bruniranje je pasivacijski postopek, v katerem nastane površinski sloj Fe3O4, ki zaščiti jeklo pred rjavenjem.

Biološka nahajališča[uredi | uredi kodo]

Nanokristale magnetita, velikosti 42-45 nm, so odkrili v magnetotaktičnih bakterijah[3] in kljunih domačih golobov.[21]

Sklici[uredi | uredi kodo]

  1. Pradyot Patnaik (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. London : McGraw-Hill. ISBN 0-07-049439-8. 
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 N.N. Greenwood, A. Earnshaw (1997). Chemistry of the Elements. 2. izdaja. Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 R.M. Cornell, U. Schwertmann (2007). The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses. Wiley-VCH. ISBN 3-527-60644-0.
  4. M. Ming, Y. Zhang, Z. Guo, G. Ning (2013). Facile synthesis of ultrathin magnetic iron oxide nanoplates by Schikorr reaction. Nanoscale Research Letters 8 (1): 16. doi: 10.1186/1556-276X-8-16.
  5. R. Massart (1981). Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media. IEEE transactions on magnetics 17 (2): 1247–1248.
  6. S. Keshavarz, Y. Xu, S. Hardy, C. Lemley, T. Mewes, Y. Bao (2012). Relaxation of Polymer Coated Magnetic Nanoparticles in Aqueous Solution. IEEE Transactions on Magnetics 46 (6): 1541-43. Tuscaloosa. Pridobljeno 3. septembra 2012.
  7. J.P. Jolivet, C. Chanéac, E. Tronc (2004). Iron oxide chemistry. From molecular clusters to extended solid networks. Chem. Commun. 5: 481-483.
  8. V. Ström, R.T. Olsson, K.V. Rao )2010). Real-time monitoring of the evolution of magnetism during precipitation of superparamagnetic nanoparticles for bioscience applications. J. Mater. Chem. 20: 4168-4175.
  9. M. Fang, V. Ström, R.T. Olsson, L. Belova, K.V. Rao (2011). Rapid mixing: A route to synthesize magnetite nanoparticles with high moment. Appl. Phys. Lett. 99: 222501.
  10. M. Fang, V. Ström, R.T. Olsson, L. Belova, K.V. Rao (2012). Particle size and magnetic properties dependence on growth temperature for rapid mixed co-precipitated magnetite nanoparticles. Nanotechnology 23 (14(): 145601.
  11. US patent 2596954 (1947). Process for reduction of iron ore to magnetiteHeath T.D.
  12. A. Pineau, N. Kanari, I. Gaballah (2006). Kinetics of reduction of iron oxides by H2. Part I: Low temperature reduction of hematite. Thermochimica Acta 447 (1): 89–100. doi: 10.1016/j.tca.2005.10.004.
  13. P.C. Hayes, P. Grieveson (1981). The effects of nucleation and growth on the reduction of Fe2O3 to Fe3O4. Metallurgical and Materials Transactions B 12 (2): 319–326. doi: 10.1007/BF02654465.
  14. 14,0 14,1 14,2 G. Buxbaum, G. Pfaff (2005). Industrial Inorganic Pigments. 3. izdaja. Wiley-VCH. ISBN 3-527-30363-4.
  15. E.J.W. Verwey (1939). Electronic Conduction of Magnetite (Fe3O4) and its Transition Point at Low Temperatures. Nature 144 (3642): 327–328. doi: 10.1038/144327b0.
  16. F. Walz (2002). The Verwey transition - a topical review. Condens. Matter 14 (12): 285–340. doi: 10.1088/0953-8984/14/12/203.
  17. 17,0 17,1 L. Sunggyu (2006). Encyclopedia of Chemical Processing. CRC Press. ISBN 0-8247-5563-4.
  18. L. Babes, B. Denizot, G. Tanguy, J.J. Le Jeune, P. Jallet (1999). Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles Used as MRI Contrast Agents: A Parametric Study. Journal of Colloid and Interface Science 212 (2): 474–482. doi: 10.1006/jcis.1998.6053. PMID 10092379.
  19. AMAG Pharmaceuticals and Takeda Announce Mutual Termination of Agreement to License, Develop and Commercialize Ferumoxytol in Ex-U.S. Territories, Including Europe. AMAG Pharmaceuticals. 29. december 2014.
  20. M.H. Schwenk (2010). Ferumoxytol: A New Intravenous Iron Preparation for the Treatment of Iron Deficiency Anemia in Patients with Chronic Kidney Disease. Pharmacother 30 (1): 70–79.
  21. M. Hanzlik, C. Heunemann, E. Holtkamp-Rötzler, M. Winklhofer, N. Petersen, G. Fleissner (2000). Superparamagnetic Magnetite in the Upper Beak Tissue of Homing Pigeons. BioMetals 13 (4): 325–331. doi: 10.1023/A:1009214526685. PMID 11247039.