Železov(II,III) oksid

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Jump to navigation Jump to search
Železov(II,III) oksid
Iron oxide black.jpg
Imena
IUPAC ime
železov(II) železov(III) oksid
Druga imena
fero feri oksid, magnetit, črni železov oksid, rja
Identifikatorji
3D model (JSmol)
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.013.889
UNII
Lastnosti
Fe3O4

FeO.Fe2O3

Molska masa 231,533 g/mol
Videz črn prah
Gostota 5 g/cm3
Tališče 1.538 °C (2.800 °F; 1.811 K)
Lomni količnik (nD) 2,42 [1]
Če ni navedeno drugače, podatki veljajo za material v standardnem stanju pri 25 °C [77 °F], 100 kPa).
Sklici infopolja

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.