ОКСИД ЗАЛІЗА: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, НОМЕНКЛАТУРА, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Оксид заліза є будь-який із з'єднань , утворених між залізом і киснем. Вони характеризуються тим, що є іонними та кристалічними, і вони лежать розсіяним продуктом ерозії мінералів, складаючи ґрунти, рослинну масу та, навіть, нутрощі живих організмів.

Тоді це одна з сімейств сполук, що переважають у земній корі. Що саме вони? На сьогодні відомо шістнадцять оксидів заліза, більшість з них природного походження та інші синтезовані в екстремальних умовах тиску чи температури.

Джерело: п'ять сьомий, Flickr.

Частина порошкоподібного оксиду заліза показана на зображенні вище. Його характерний червоний колір охоплює залізо різних архітектурних елементів у тому, що відомо як іржа. Так само спостерігається на схилах, горах або грунтах, змішаних з багатьма іншими мінералами, такими як жовтий порошок гетиту (α-FeOOH).

Найбільш відомими оксидами заліза є гематит (α-Fe ₂ O ₃ ) та магеміт (ϒ- Fe ₂ O ₃ ), обидва поліморфи оксиду заліза; і не в останню чергу магнетит (Fe ₃ O ₄ ). Їх поліморфні структури та велика площа поверхні роблять їх цікавими матеріалами як сорбенти, або для синтезу наночастинок із широким застосуванням.

Будова

Джерело: Siyavula Education, Flickr.

Верхнє зображення - це зображення кристалічної структури FeO, одного з оксидів заліза, де залізо має валентність +2. Червоні сфери відповідають O ^2- аніонам , а жовті - катіонами Fe ²⁺ . Зауважимо також, що кожен Fe ²⁺ оточений шістьма O ² , утворюючи восьмигранну одиницю координації.

Тому структуру FeO можна "розбити" на одиниці FeO ₆ , де центральним атомом є Fe ²⁺ . Що стосується оксигідроксидів або гідроксидів, октаедричною одиницею є FeO ₃ (OH) ₃ .

У деяких структурах замість октаедра є тетраедричні одиниці, FeO ₄ . З цієї причини структури оксидів заліза зазвичай представлені октаедрами або тетраедрами з центрами заліза.

Структури оксидів заліза залежать від умов тиску чи температури, від співвідношення Fe / O (тобто, скільки кисню є на залізо і навпаки) та валентності заліза (+2, +3 і, дуже рідко в синтетичних оксидах, +4).

Як правило, об'ємні аніони O ^2- вирівняні отвори в листах, в яких розміщуються катіони Fe ²⁺ або Fe ³⁺ . Таким чином, є оксиди (такі як магнетит), які мають праски з обома валентностями.

Поліморфізм

Оксиди заліза представляють поліморфізм, тобто різні структури або кристалічні композиції для однієї і тієї ж сполуки. Оксид заліза, Fe ₂ O ₃ , має до чотирьох можливих поліморфів. Гематит, α-Fe ₂ O ₃ , є найбільш стійким із усіх; Далі - маггеміт, ϒ- Fe ₂ O ₃ та синтетичні β- Fe ₂ O ₃ та ε- Fe ₂ O ₃ .

Всі вони мають власні типи кристалічних структур і систем. Однак співвідношення 2: 3 залишається постійним, тому для кожного двох катіонів Fe ³⁺ є три аніони O ² . Різниця полягає в тому, як октаедричні одиниці FeO ₆ розташовані в просторі і як вони прикріплені.

Структурні зв’язки

Джерело: Файли публічного домену

Октаедричні одиниці FeO ₆ можна візуалізувати за допомогою зображення, наведеного вище. По кутах октаедра знаходяться O ^2- , а в його центрі Fe ²⁺ або Fe ³⁺ (у випадку Fe ₂ O ₃ ). Спосіб розташування цих октаедрів у просторі розкриває структуру оксиду.

Однак вони також впливають на те, як вони пов'язані. Наприклад, два октаедри можна з'єднати, торкнувшись двох їх вершин, які представлені кисневим мостом: Fe-O-Fe. Аналогічно октаедри можуть з'єднуватися через їхні краї (сусідні один з одним). Потім вона буде представлена ​​двома кисневими містками: Fe- (O) ₂ -Fe.

І нарешті, октаедри можуть взаємодіяти через їх обличчя. Таким чином, представлення буде тепер з трьома кисневими містками: Fe- (O) ₃ -Fe. Спосіб зв’язування октаедрів міняв би міжядерні відстані Fe-Fe і, отже, фізичні властивості оксиду.

Властивості

Оксид заліза - це сполука з магнітними властивостями. Вони можуть бути анти-, феро- або ферримагнітними і залежать від валентностей Fe та способів взаємодії катіонів у твердому тілі.

Оскільки структури твердих тіл дуже різноманітні, такі й фізичні та хімічні властивості.

Наприклад, поліморфи та гідрати Fe ₂ O ₃ мають різні значення температур плавлення (в діапазоні від 1200 до 1600ºC) та щільності. Однак у них спільне низька розчинність завдяки Fe ³⁺ , однаковій молекулярній масі, мають коричневий колір і погано розчиняються в кислотних розчинах.

Номенклатура

IUPAC встановлює три способи називання оксиду заліза. Усі три дуже корисні, хоча для складних оксидів (наприклад, Fe ₇ O ₉ ) систематика править над іншими через їх простоту.

Систематична номенклатура

Кількість кисню та заліза враховується, називаючи їх грецькими нумераціями префіксів моно-, ді-, три- та ін. Відповідно до цієї номенклатурі, Fe ₂ O ₃ називається: три оксидом ді залози. А для Fe ₇ O ₉ її назва була б: нонаоксид заліза гепта.

Фондова номенклатура

Це враховує валентність заліза. Якщо це Fe ²⁺ , він пишеться оксидом заліза …, а його валентність з римськими цифрами укладені в дужки. Для Fe ₂ O ₃ його назва: оксид заліза (III).

Зауважимо, що Fe ³⁺ можна визначити за алгебраїчними сумами. Якщо у O ² є два негативних заряди, а їх три, вони складають до -6. Для нейтралізації цього -6 потрібно +6, але є два Fe, тому їх потрібно розділити на два, + 6/2 = +3:

2X (валентність металу) + 3 (-2) = 0

Просто вирішивши для X, отримана валентність Fe в оксиді. Але якщо X - не ціле число (як це стосується майже всіх інших оксидів), то існує суміш Fe ²⁺ і Fe ³⁺ .

Традиційна номенклатура

Суфікс –ico надається префіксу ferr- коли Fe має валентність +3, а –особливо, коли його валентність становить 2+. Таким чином, Fe ₂ O ₃ називається: оксид заліза.

Програми

Наночастинки

Оксиди заліза мають спільну високу енергію кристалізації, що дозволяє створювати дуже маленькі кристали, але з великою площею поверхні.

З цієї причини вони представляють великий інтерес у галузях нанотехнологій, де розробляють та синтезують наночастинки оксидів (НП) для конкретних цілей:

-Като каталізатори

-Якщо резервуар наркотиків або генів всередині організму

-У дизайні сенсорних поверхонь для різних видів біомолекул: білків, цукрів, жирів

-Для зберігання магнітних даних

Пігменти

Оскільки деякі оксиди дуже стійкі, їх можна використовувати для фарбування текстилю або надання яскравих кольорів поверхонь будь-якого матеріалу. З мозаїки на поверхах; червоні, жовті та помаранчеві (навіть зелені) фарби; керамічні, пластикові, шкіряні та навіть архітектурні роботи.

Список літератури

1. Опікуни Дартмутського коледжу. (18 березня 2004 р.). Стехіометрія оксидів заліза. Взято з: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo та ін. (8 вересня 2016 р.). Відкриття Fe ₇ O ₉ : новий оксид заліза зі складною моноклінічною структурою. Відновлено з: nature.com
3. М. Корнелл, У. Швертманн. Оксиди заліза: будова, властивості, реакції, виникнення та використання. . WILEY-VCH. Взято з: epsc511.wustl.edu
4. Аліса Бу. (2018). Наночастинки оксиду заліза, характеристики та застосування. Взято з: sigmaaldrich.com
5. Ali, A., Zafar, H., Zia, M., ul Haq, I., Phull, AR, Ali, JS, & Hussain, A. (2016). Синтез, характеристика, застосування та проблеми наночастинок оксиду заліза. Нанотехнології, наука та застосування, 9, 49–67. http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
6. Пігменти Гольхи. (2009). Оксиди заліза: застосування. Взято з: golchhapigments.com
7. Хімічна рецептура. (2018). Оксид заліза (II). Взято з: formulacionquimica.com
8. Вікіпедія. (2018). Оксид заліза (III). Взято з: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_оксид