Železov(III) oksid

Železov(III) oksid
Imena
	IUPAC ime Iron(III) oxide
	Druga imena feri oksid, hematit, maghemit, rdeči železov oksid, rja, okra
Identifikatorji
Številka CAS	1309-37-1;
3D model (JSmol)	Interaktivna slika;
ChEBI	CHEBI:50819;
ChemSpider	14147;
ECHA InfoCard	100.013.790
Število E	E172(ii) (barvila)
KEGG	C19424;
PubChem CID	518696;
RTECS število	NO7400000;
UNII	1K09F3G675;
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID0029632 ;
	InChI InChI=1S/2Fe.3O Key: JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N; InChI=1/2Fe.3O/rFe2O3/c3-1-4-2(3)5-1 Key: JEIPFZHSYJVQDO-ZVGCCQCPAC;
	SMILES O1[Fe]2O[Fe]1O2;
Lastnosti
Kemijska formula	Fe2O3
Molska masa	159,69 g·mol−1
Videz	rdečerjava trdnina
Vonj	brez vonja
Gostota	5,242 g/cm3
Tališče	1.539–1.565 °C (2.802–2.849 °F; 1.812–1.838 K)
Topnost v vodi	netopen
Topnost	topen v razredčenih kislinah, raztopini sladkorja, ; trihidrat rahlo topen v vodnih raztopinah vinske, citronske in ocetne kisline
Struktura
Kristalna struktura	romboedrična, Pearsonov simbol hR30 (α-oblika),; kubična biksbiitska, cI80 (β-oblika),; kubična spielska (γ-oblika),; ortorombska (ε-oblika)
Prostorska skupina	R3c, No. 161 (α-oblika); Ia3, No. 206 (β-oblika); Pna21, No. 33 (ε-oblika)
Točkovna grupa	3m (α-oblika); 2/m 3 (β-oblika); mm2 (ε-oblika)
Koordinacijska; geometrija	oktaedrična (Fe3+, α-oblika, β-oblika)
Termokemija
Specifična toplota, C	103,9 J/mol·K
Standardna molarna; entropija So298	87,4 J/mol·K
Std tvorbena; entalpija (ΔfH⦵298)	−824,2 kJ/mol
Gibbsova prosta energija (ΔfG˚)	−742,2 kJ/mol
Nevarnosti
GHS piktogrami
Opozorilna beseda	Nevarno
GHS stavki za nevarnost	H315, H319, H335
GHS stavki za previdnost	P261, P305+351+338
NFPA 704 (diamant ognja)	0 0 0
Zg. vrednost izpostavljenosti (TLV)	5 mg/m3 (TWA)
	Smrtni odmerek ali koncentracija (LD, LC):
LD50 (srednji odmerek)	10 g/kg (podgana, oralno)
Sorodne snovi
Drugi anioni	železov(III) fluorid
Drugi kationi	manganov(III) oksid; kobaltov(III) oksid
Sorodno železovi oksidi	železov(II) oksid; železov(II,III) oksid
	Če ni navedeno drugače, podatki veljajo za material v standardnem stanju pri 25 °C, 100 kPa).
	Sklici infopolja

Železov(III) oksid je anorganska spojina s formulo Fe₂O₃. Je eden od treh glavnih železovih oksidov. Druga dva sta železov(II) oksid (FeO), ki je redek, in železov(II,III) oksid (Fe₃O₄), ki se v naravi pojavlja tudi kot mineral magnetit. Mineral železovega(III) oksida je hematit, ki je glavni vir železa za jeklarsko industrijo. Fe₂O₃ je feromagneten, temno rdeč mineral, topen v kislinah. Pogosto se imenuje tudi rja, ki ima podobno sestavo in lastnosti kot hematit. Rja je slabo definirana snov, opisana kot hidrirani železovi oksidi.

Zgradba

Fe₂O₃ ima več polimorfov. Prevladujeta polimorfa α in γ, ki imata oktaedrsko geometrijo, v kateri je na centralni Fe atom vezanih šest kisikovih ligandov.

α-Fe₂O₃

α-Fe₂O₃ ima romboedrsko zgradbo korunda (α-Al₂O₃) in je najpogostejša oblika železovega(III) oksida. V naravi se pojavlja kot mineral hematit, ki je hkrati tudi najpomembnejša železova ruda. Hematit je pod približno 260 K antiferomagneten (Morinov prehod). Pri temperaturah med 260 in 950 K je šibko feromagneten (Néelova temperatura).^[7] Magnetne lastnosti so odvisne od več dejavnikov, kot so tlak, velikost delcev in jakost magnetnega polja.

γ-Fe₂O₃

γ-Fe₂O₃ ima kubično zgradbo. Je metastabilen in nastaja pri visokih temperaturah iz α-Fe₂O₃. V naravi se pojavlja kot mineral maghemit. Je feromagneten in se uporablja na primer v magnetofonskih trakovih.^[8] Ultrafini delci, manjši od 10 nm, so superparamagnetni. Pripravi se lahko s termično dehidracijo γ-železovega(III) oksida-hidroksida ali s previdno oksidacijo železovega(II,III) oksida.^[8] Ultrafini delci se lahko pripravijo s termičnim razpadom železovega(III) oksalata.

Drugi polimorfi

Železov(III) oksid ima tudi več drugih polimorfov. β-polimorf je telesno centrirana kocka (prostorska skupina Ia3), ki pri temperaturi nad 500 °C preide v α-Fe₂O₃. Pripravi se lahko z redukcijo hematita z ogljikom, pirolizo raztopine železovega(III) klorida ali termičnim razpadom železovega(III) sulfata.

ε-Fe₂O₃ je rombski in ima lastnosti med α in γ-polimorfom. ε-Fe₂O₃ ima uporabne magnetne lastnosti. Priprava čistega ε-Fe₂O₃ je zelo težavna zaradi onesnaženja z α in γ-polimorfoma. Dokaj čist ε-Fe₂O₃ se lahko pripravi s termično pretvorbo γ-polimorfa. Tudi ta polimorf je metastabilen in pri temperaturi 500-750 °C preide v α-Fe₂O₃. Pripravi se lahko tudi z oksidacijo železa v električnem oboku ali s sol-gel precipitacijo železovega(III) nitrata.

Nedavne raziskave so odkrile prisotnost ε-Fe₂O₃ v glazurah stare kitajske keramike.^[9]

Pri visokih tlakih obstaja tudi amorfna oblika železovega(III) oksida.^[5]

Hidrirani železovi(III) oksidi

Obstaja več hidriranih železovih(III) oksidov. Če se topnim železovim(III) solem dodajo alkalije, nastane rdečerjava želatinasta oborina, ki ni Fe(OH)₃, ampak Fe₂O₃•H₂O (piše se tudi kot Fe(O)OH). Obstaja tudi več oblik hidriranega železovega(III) oksida. Rdeči lepidokrocit, ki nastane na zunanji površini stalaktitom podobnih tvorb, je γ-Fe(O)OH. V njihovi notranjosti se pojavlja oranžni getit. Fe₂O₃•H₂O med segrevanjem izgubi vezano vodo. S segrevanjem na 1.670 K se Fe₂O₃ pretvori v črn Fe₃O₄ (Fe(II)Fe(III)₂O₄), ki je znan kot mineral magnetit. Fe(O)OH je topen v kislinah, pri čemer nastane [Fe(OH₂)₆]³⁺. V koncentriranih alkalijah se Fe₂O³ pretvori v [Fe(OH)₆]³⁻.^[8]

Reakcije

Najpomembnejša reakcija je redukcija z ogljikom, v kateri nastane elementarno železo:

2 Fe₂O₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂

Druga je ekstremno eksotermna termitska reakcija z aluminijem:^[10]

2 Al + Fe₂O₃ → 2 Fe + Al₂O₃

Reakcija je uporabna za varjenje debelih železnih predmetov, na primer železniških tirnic. Termit se uporablja tudi kot orožje in sredstvo za izdelavo majhnih ulitih kovinskih predmetov in orodij.

Z delno redukcijo z vodikom pri približno 400 °C nastane magnetit, ki je zmes železovega(II) in (III) oksida:^[11]

3 Fe₂O₃ + H₂ → 2 Fe₃O₄ + H₂O

Železov(III) oksid je netopen v vodi. Topen je v močnih kislinah, na primer v klorovodikovi iz žveplovi kislini. Topen je tudi v raztopinah kelatov, na primer EDTA, in oksalni kislini.

S segrevanjem železovih(III) oksidov z drugimi kovinskimi oksidi in karbonati nastanejo ferati:^[11]

ZnO + Fe₂O₃ → Zn(FeO₂)₂

Priprava

Železov(III) oksid se v laboratoriju lahko pripravi z elektrolizo raztopine natrijevega bikarbonata z železno anodo:

4 Fe + 3 O₂ + 2 H₂O → 4 FeO(OH)

Nastali hidrirani železov(III) oksid (FeO(OH)) pri približno 200 °C odcepi vezano vodo:^[11]^[12]

2 FeO(OH) → Fe₂O₃ + H₂O

Pripravi se lahko tudi s termičnim razpadom železovega(III) hidroksida pri temperaturah nad 200 °C:

2 Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O

Uporaba

Železov(III) oksid je glavna surovina za proizvodnjo železa, jekla in mnogo drugih zlitin.^[12]

Polirno sredstvo

Zelo drobno uprašen železov(III) oksid se uporablja za končno poliranje kovinskega nakita in optičnih leč. Zlatarji odstranjujejo ostanke oksida z nakita z izpiranjem v ultrazvočni kopeli.

Pigment

Barvi zazlično hidriranega železovega(III) oksida (α = rdeč, β = rumen), ki se uporabljata kot pigmenta^[3]

Železov(III) oksid se uporablja tudi kot pigment s tržnimi imeni »rjavi pigment 6«, »rjavi pigment 7« in »rdeči pigment 101«.^[13] Pigmenta rdeče 101 in rjavo 6 se lahko uporabljata tudi v kozmetiki. Železovi oksidi se kot pigmenti skupaj s titanovimi oksidi uporabljajo v zobni protetiki.^[14]

Hematit je značilna komponenta švedsko rdeče barve, znane tudi kot falunska rdeča barva.

Magnetni spominski mediji

Železov(III) oksid je najpogostejši magnetni delec v vseh vrstah medijev za zapisovanje in shranjevanje podatkov. Sodobni mediji, predvsem trdi diski, uporabljajo bolj dodelane tehnologije, v katerih so premazi sestavljeni iz 15 slojev ali celo več.^[15]

Fotokatalizator

α-Fe₂O₃ se že več kor 25 let preučuje kot fotoanoda za reakcijo razgradnjo vode v kisik in vodik.^[16]

Medicina

Zmes cinkovega oksida in približno 0,5 % železovega(III) oksida se imenuje calamine in je aktivna komponenta kalaminskega losjona.

Sklici

↑ ^1,0 ^1,1 SDS of Iron(III) oxide. Kurt J Lesker Company Ltd., Anglija. 5. januar 2012. Pridobljeno 12. julija 2014.
↑ ^2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 D.R. Lide, urednik (2009). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. izdaja. Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 978-1-4200-9084-0.
↑ ^3,0 ^3,1 A.M. Comey, D.A. Hahn (1921). A Dictionary of Chemical Solubilities: Inorganic. 2. izdaja. New York: The MacMillan Company. str. 433.
↑ ^4,0 ^4,1 ^4,2 Y. Ling, D.A. Wheeler, J.Z. Zhang, Y. Li (2013). One-Dimensional Nanostructures: Principles and Applications. http://www.wiley.com . Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.. str. 167. ISBN 978-1-118-07191-5.
↑ ^5,0 ^5,1 ^5,2 ^5,3 M. Vujtek, R. Zboril, R. Kubinek, M. Mashlan. Ultraﬁne Particles of Iron(III) Oxides by View of AFM – Novel Route for Study of Polymorphism in Nano-world. http://atmilab.upol.cz. Pridobljeno 12. julija 2014.
↑ ^6,0 ^6,1 ^6,2 Sigma-Aldrich Co., Iron(III) oxide. Pridobljeno 12. julija 2014.
↑ J.E. Greedon (1994). Magnetic oxides. Encyclopedia of Inorganic chemistry. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-93620-0.
↑ ^8,0 ^8,1 ^8,2 C.E. Housecroft, A.G. Sharpe (2008). Chapter 22: d-block metal chemistry: the first row elements. Inorganic Chemistry. 3. izdaja. Pearson. str. 716. ISBN 978-0-13-175553-6.
↑ C. Dejoie, P. Sciau, W. Li, L. Noé, A. Mehta, K. Chen, H. Luo, M. Kunz, N. Tamura, Z. Liu. Learning from the past: Rare ε-Fe2O3 in the ancient black-glazed Jian (Tenmoku) wares. Scientific Reports 4. Article number: 4941. doi: 10.1038/srep04941 Pridobljeno 20. februarja 2014.
↑ A. Price (1945). Higher School Certificate Inorganic Chemistry. Leslie Slater Price.
↑ ^11,0 ^11,1 ^11,2 Handbook of Preparative Inorganic Chemistry. 2. izdaja. Academic Press. 1963. NY. Vol. 1, str. 1661.
↑ ^12,0 ^12,1 N.N. Greenwood; A. Earnshaw (1997). Chemistry of the Elements (2 izd.). Oxford [etc.] : Butterworth Heinemann. COBISS 18882053. ISBN 0-7506-3365-4.
↑ Paint and Surface Coatings: Theory and Practice. William Andrew Inc. ISBN 1-884207-73-1.
↑ A. Banerjee (2011). Pickard's Manual of Operative Dentistry. United States: Oxford University Press Inc., New York. str. 89. ISBN 978-0-19-957915-0.
↑ S.N. Piramanayagam. Perpendicular recording media for hard disk drives. J. Appl. Phys. 102, 011301 (2007).
↑ A. Kay, I. Cesar, M. Gratzel (2006). Journal of the American Chemical Society 128: 15714-15721.

[lesker-1] 1,0 ^1,1 SDS of Iron(III) oxide. Kurt J Lesker Company Ltd., Anglija. 5. januar 2012. Pridobljeno 12. julija 2014.

[crc-2] 2,0 ^2,1 ^2,2 ^2,3 ^2,4 D.R. Lide, urednik (2009). CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. izdaja. Boca Raton, Florida: CRC Press. ISBN 978-1-4200-9084-0.

[Messinger-3] 3,0 ^3,1 A.M. Comey, D.A. Hahn (1921). A Dictionary of Chemical Solubilities: Inorganic. 2. izdaja. New York: The MacMillan Company. str. 433.

[Ling-4] 4,0 ^4,1 ^4,2 Y. Ling, D.A. Wheeler, J.Z. Zhang, Y. Li (2013). One-Dimensional Nanostructures: Principles and Applications. http://www.wiley.com . Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.. str. 167. ISBN 978-1-118-07191-5.

[Vujtek-5] 5,0 ^5,1 ^5,2 ^5,3 M. Vujtek, R. Zboril, R. Kubinek, M. Mashlan. Ultraﬁne Particles of Iron(III) Oxides by View of AFM – Novel Route for Study of Polymorphism in Nano-world. http://atmilab.upol.cz. Pridobljeno 12. julija 2014.

[SA-6] 6,0 ^6,1 ^6,2 Sigma-Aldrich Co., Iron(III) oxide. Pridobljeno 12. julija 2014.

[7] J.E. Greedon (1994). Magnetic oxides. Encyclopedia of Inorganic chemistry. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-93620-0.

[Housecroft-8] 8,0 ^8,1 ^8,2 C.E. Housecroft, A.G. Sharpe (2008). Chapter 22: d-block metal chemistry: the first row elements. Inorganic Chemistry. 3. izdaja. Pearson. str. 716. ISBN 978-0-13-175553-6.

[9] C. Dejoie, P. Sciau, W. Li, L. Noé, A. Mehta, K. Chen, H. Luo, M. Kunz, N. Tamura, Z. Liu. Learning from the past: Rare ε-Fe2O3 in the ancient black-glazed Jian (Tenmoku) wares. Scientific Reports 4. Article number: 4941. doi: 10.1038/srep04941 Pridobljeno 20. februarja 2014.

[10] A. Price (1945). Higher School Certificate Inorganic Chemistry. Leslie Slater Price.

[Handbook-11] 11,0 ^11,1 ^11,2 Handbook of Preparative Inorganic Chemistry. 2. izdaja. Academic Press. 1963. NY. Vol. 1, str. 1661.

[Greenwood-12] 12,0 ^12,1 N.N. Greenwood; A. Earnshaw (1997). Chemistry of the Elements (2 izd.). Oxford [etc.] : Butterworth Heinemann. COBISS 18882053. ISBN 0-7506-3365-4.

[13] Paint and Surface Coatings: Theory and Practice. William Andrew Inc. ISBN 1-884207-73-1.

[14] A. Banerjee (2011). Pickard's Manual of Operative Dentistry. United States: Oxford University Press Inc., New York. str. 89. ISBN 978-0-19-957915-0.

[15] S.N. Piramanayagam. Perpendicular recording media for hard disk drives. J. Appl. Phys. 102, 011301 (2007).

[16] A. Kay, I. Cesar, M. Gratzel (2006). Journal of the American Chemical Society 128: 15714-15721.

[1]