Železov(II,III) oksid

Železov(II,III) oksid
Imena
	IUPAC ime železov(II) železov(III) oksid
	Druga imena fero feri oksid, magnetit, črni železov oksid, rja
Identifikatorji
Številka CAS	1317-61-9;
3D model (JSmol)	Interaktivna slika;
ChEBI	CHEBI:50821;
ChEMBL	ChEMBL1201867;
ChemSpider	17215625;
ECHA InfoCard	100.013.889
PubChem CID	16211978;
UNII	XM0M87F357;
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID5029639 ;
	InChI InChI=1S/3Fe.4O Key: SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N; InChI=1/3Fe.4O/rFe3O4/c1-4-2-6-3(5-1)7-2 Key: SZVJSHCCFOBDDC-QXRQKJBKAR;
	SMILES O1[Fe]2O[Fe]O[Fe]1O2;
Lastnosti
Kemijska formula	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
	Če ni navedeno drugače, podatki veljajo za material v standardnem stanju pri 25 °C, 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]

Podatki na hitro Imena, Identifikatorji ...

Zapri

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 (H_c = 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.

Oksidacija kovinskega železa, v katerem se nitrobenzen obdeluje z železom, da bi nastali FeCl₂ kataliziral njegovo redukcijo v anilin:^[3]

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]

Redukcija Fe₂O₃ z vodikom:^[11]^[12]

3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ +H₂O

Redukcija Fe₂O₃ z ogljikovim monoksidom:^[13]

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

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)

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]

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]

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.

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

[1]
Pradyot Patnaik (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. London : McGraw-Hill. ISBN 0-07-049439-8.
[2]
N.N. Greenwood, A. Earnshaw (1997). Chemistry of the Elements. 2. izdaja. Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.
[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]
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]
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.

[1] [1]
Pradyot Patnaik (2002). Handbook of Inorganic Chemicals. London : McGraw-Hill. ISBN 0-07-049439-8.

[Greenwood-2] [2]
N.N. Greenwood, A. Earnshaw (1997). Chemistry of the Elements. 2. izdaja. Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419.

[Rochelle-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] [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] [5]
R. Massart (1981). Preparation of aqueous magnetic liquids in alkaline and acidic media. IEEE transactions on magnetics 17 (2): 1247–1248.

[6] [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] [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] [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] [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] [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] [11]
US patent 2596954 (1947). Process for reduction of iron ore to magnetiteHeath T.D.

[12] [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] [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.

[Bauxbaum-14] [14]
G. Buxbaum, G. Pfaff (2005). Industrial Inorganic Pigments. 3. izdaja. Wiley-VCH. ISBN 3-527-30363-4.

[15] [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] [16]
F. Walz (2002). The Verwey transition - a topical review. Condens. Matter 14 (12): 285–340. doi: 10.1088/0953-8984/14/12/203.

[Sunggyu-17] [17]
L. Sunggyu (2006). Encyclopedia of Chemical Processing. CRC Press. ISBN 0-8247-5563-4.

[18] [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.

[amag-19] [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] [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] [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.

[2]

[3]

[1]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

Wikiwand in your browser!

Železov(II,III) oksid

Wikiwand in your browser!

Priprava

Reakcije

Zgradba

Lastnosti

Uporaba

Biološka nahajališča

Sklici