ОКСИД ЖЕЛЕЗА: СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, НОМЕНКЛАТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Оксид железа является любое из соединений , образованных между железом и кислородом. Они характеризуются тем, что они ионные и кристаллические, и они лежат разбросанными в результате эрозии своих минералов, составляющих почвы, растительную массу и даже внутреннюю часть живых организмов.

Тогда это одно из семейств соединений, преобладающих в земной коре. Что именно они? На сегодняшний день известно шестнадцать оксидов железа, большинство из них природного происхождения, а другие синтезированы в экстремальных условиях давления или температуры.

Источник: пять седьмых, Flickr.

Часть порошкового оксида железа (III) показана на изображении выше. Его характерный красный цвет покрывает железо различных архитектурных элементов так называемой ржавчиной. Точно так же он наблюдается на склонах, в горах или на почвах в смеси со многими другими минералами, такими как желтый порошок гетита (α-FeOOH).

Наиболее известными оксидами железа являются гематит (α-Fe ₂ O ₃ ) и маггемит (-Fe ₂ O ₃ ), оба полиморфа оксида железа; и не в последнюю очередь магнетит (Fe ₃ O ₄ ). Их полиморфная структура и большая площадь поверхности делают их интересными материалами в качестве сорбентов или для синтеза наночастиц с широким применением.

Структура

Источник: Siyavula Education, Flickr.

Верхнее изображение представляет собой кристаллическую структуру FeO, одного из оксидов железа, в котором железо имеет валентность +2. Красные сферы соответствуют анионам O ^2- , а желтые - катионам Fe ²⁺ . Отметим также, что каждый Fe ²⁺ окружен шестью O ^2- , образуя октаэдрическую единицу координации.

Следовательно, структуру FeO можно «разбить» на единицы FeO ₆ , центральным атомом которых является Fe ²⁺ . В случае оксигидроксидов или гидроксидов октаэдрическая единица представляет собой FeO ₃ (OH) ₃ .

В некоторых структурах вместо октаэдра присутствуют тетраэдрические звенья FeO ₄ . По этой причине структуры оксидов железа обычно представляют собой октаэдры или тетраэдры с центрами железа.

Структура оксидов железа зависит от условий давления или температуры, от отношения Fe / O (то есть, сколько атомов кислорода приходится на одно железо и наоборот), а также от валентности железа (+2, +3 и, очень редко в синтетических оксидах, +4).

Как правило, объемные анионы O ^2- выстраиваются в ряд, образуя листы, в пустотах которых находятся катионы Fe ²⁺ или Fe ³⁺ . Таким образом, есть оксиды (например, магнетит), которые содержат железо с обоими валентностями.

Полиморфизм

Оксиды железа представляют собой полиморфизм, то есть разные структуры или кристаллические структуры одного и того же соединения. Оксид железа Fe ₂ O ₃ имеет до четырех возможных полиморфов. Гематит, α-Fe ₂ O ₃ , является наиболее устойчивым из всех; за ним следует маггемит, ϒ-Fe ₂ O ₃ , а также синтетические β-Fe ₂ O ₃ и ε-Fe ₂ O ₃ .

У всех есть свои типы кристаллических структур и систем. Однако соотношение 2: 3 остается постоянным, поэтому на каждые два катиона Fe ³⁺ приходится три аниона O ^2- . Разница заключается в том, как октаэдрические звенья FeO ₆ расположены в пространстве и как они прикреплены.

Структурные связи

Источник: Файлы общественного достояния

Октаэдрические звенья FeO ₆ можно визуализировать с помощью изображения выше. В углах октаэдра находится O ^2- , а в его центре - Fe ²⁺ или Fe ³⁺ (в случае Fe ₂ O ₃ ). То, как эти октаэдры расположены в пространстве, показывает структуру оксида.

Однако они также влияют на то, как они связаны. Например, два октаэдра можно соединить, прикоснувшись к двум их вершинам, что представлено кислородным мостиком: Fe-O-Fe. Точно так же октаэдры можно соединить своими ребрами (смежными друг с другом). Тогда он будет представлен двумя кислородными мостиками: Fe- (O) ₂ -Fe.

И наконец, октаэдры могут взаимодействовать через грани. Таким образом, теперь представление будет с тремя кислородными мостиками: Fe- (O) ₃ -Fe. Способ, которым связаны октаэдры, будет изменять межъядерные расстояния Fe-Fe и, следовательно, физические свойства оксида.

Свойства

Оксид железа - это соединение с магнитными свойствами. Они могут быть анти-, ферро- или ферримагнетиками и зависят от валентностей Fe и того, как катионы взаимодействуют в твердом теле.

Поскольку структура твердых тел очень разнообразна, их физические и химические свойства также разнообразны.

Например, полиморфы и гидраты Fe ₂ O ₃ имеют разные значения температуры плавления (которые находятся в диапазоне от 1200 до 1600 ° C) и плотности. Однако они имеют общую низкую растворимость из-за Fe ³⁺ , одинаковой молекулярной массы, имеют коричневый цвет и плохо растворяются в кислых растворах.

Номенклатура

IUPAC устанавливает три способа называть оксид железа. Все три очень полезны, хотя для сложных оксидов (таких как Fe ₇ O ₉ ) систематика преобладает над остальными из-за их простоты.

Систематическая номенклатура

Принимают во внимание числа кислорода и железа, называя их греческими приставками нумерации моно-, ди-, три- и т. Д. Согласно этой номенклатуре, Fe ₂ O ₃ называется: три оксидом ди железы. А для Fe ₇ O ₉ его имя будет: нонаоксид гепта-железа.

Номенклатура акций

Это учитывает валентность железа. Если это Fe ²⁺ , пишется оксид железа …, а его валентность римскими цифрами заключена в круглые скобки. Для Fe ₂ O ₃ его название: оксид железа (III).

Обратите внимание, что Fe ³⁺ можно определить алгебраическими суммами. Если O ^2- имеет два отрицательных заряда, а их три, в сумме они составляют -6. Чтобы нейтрализовать это -6, требуется +6, но есть два Fe, поэтому их нужно разделить на два, + 6/2 = +3:

2X (металлическая валентность) + 3 (-2) = 0

Простое решение для X позволяет получить валентность Fe в оксиде. Но если X не является целым числом (как в случае почти со всеми другими оксидами), то имеется смесь Fe ²⁺ и Fe ³⁺ .

Традиционная номенклатура

Суффикс –ico присваивается префиксу ferr-, когда Fe имеет валентность +3, и –oso, когда его валентность 2+. Таким образом, Fe ₂ O ₃ называется оксидом железа.

Приложения

Наночастицы

Оксиды железа обычно имеют высокую энергию кристаллизации, что позволяет создавать очень маленькие кристаллы, но с большой площадью поверхности.

По этой причине они представляют большой интерес в области нанотехнологий, где они проектируют и синтезируют наночастицы оксидов (НЧ) для конкретных целей:

-Как катализаторы.

-Как резервуар лекарств или генов в организме

-В дизайне сенсорных поверхностей для разных типов биомолекул: белков, сахаров, жиров.

-Для хранения магнитных данных

Пигменты

Поскольку некоторые оксиды очень стабильны, их можно использовать для окрашивания тканей или придания яркости поверхностям из любого материала. Из мозаики на полах; красные, желтые и оранжевые (даже зеленые) краски; керамика, пластмасса, кожа и даже архитектурные работы.

Ссылки

1. Попечители Дартмутского колледжа. (18 марта 2004 г.). Стехиометрия оксидов железа. Взято с: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo et al. (8 сентября 2016 г.). Открытие Fe ₇ O ₉ : нового оксида железа со сложной моноклинной структурой. Получено с: nature.com
3. М. Корнелл, У. Швертманн. Оксиды железа: структура, свойства, реакции, появление и использование. . ВИЛИ-ВЧ. Взято с: epsc511.wustl.edu
4. Алиса Бу. (2018). Наночастицы оксида железа, характеристики и применение. Взято с: sigmaaldrich.com
5. Али, А., Зафар, Х., Зия, М., ул Хак, И., Фулл, АР, Али, Дж. С., и Хуссейн, А. (2016). Синтез, характеристика, применения и проблемы наночастиц оксида железа. Нанотехнологии, наука и приложения, 9, 49–67. http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
6. Гольчханские пигменты. (2009). Оксиды железа: применение. Взято с: golchhapigments.com
7. Химический состав. (2018). Оксид железа (II). Взято с: formulacionquimica.com
8. Wikipedia. (2018). Оксид железа (III). Взято с: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_oxide