Järn(II,III)oxid

Järn(II,III)oxid
Fe3O4.JPG
Namn
IUPAC namn
järn(II) järn(III)oxid
Andra namn
järn(II)järnoxid, järn(II,III)oxid, järn(II,III)oxid, magnetit, svart järnoxid, lodestone, rost, järn(II)dijärn(III)oxid
Identifierare
3D-modell ( JSmol )
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.013.889 Edit this at Wikidata
UNII
  • InChI=1S/3Fe.4O  check Y
    Nyckel: SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N  check Y
  • InChI=1/3Fe.4O/rFe3O4/c1-4-2-6-3(5-1)7-2
    Nyckel: SZVJSHCCFOBDDC-QXRQKJBKAR
  • 01[Fe]2O[Fe]O[Fe]102
Egenskaper
Fe 3 O 4

FeO.Fe 2 O 3

Molar massa 231,533 g/mol
Utseende fast svartkrut
Densitet 5 g/cm 3
Smältpunkt 1 597 °C (2 907 °F; 1 870 K)
Kokpunkt 2 623 °C (4 753 °F; 2 896 K)
2,42
Faror
NFPA 704 (branddiamant)
0
0
1
Termokemi

Std formationsentalpi ( Δ f H ⦵ 298 )
-1120,89 kJ·mol -1
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
☒  N ( vad är check☒ Y N ?)

Järn(II,III)oxid är den kemiska föreningen med formeln Fe 3 O 4 . Det förekommer i naturen som mineralet magnetit . Det är en av ett antal järnoxider , de andra är järn(II)oxid (FeO), som är sällsynt, och järn(III)oxid (Fe 2 O 3 ) som också förekommer naturligt som mineralet hematit . Den innehåller både Fe 2+ och Fe 3+ joner och formuleras ibland som FeO ∙ Fe 2 O 3 . Denna järnoxid påträffas i laboratoriet som ett svart pulver. Den uppvisar permanent magnetism och är ferrimagnetisk , men beskrivs ibland felaktigt som ferromagnetisk . Dess mest omfattande användning är som ett svart pigment. För detta ändamål syntetiseras det snarare än att extraheras från det naturligt förekommande mineralet eftersom partikelstorleken och formen kan varieras med produktionsmetoden.

Förberedelse

Uppvärmd järnmetall interagerar med ånga för att bilda järnoxid och vätgas.

Under anaeroba förhållanden kan järnhydroxid (Fe(OH) 2 ) oxideras av vatten för att bilda magnetit och molekylärt väte . Denna process beskrivs av Schikorr-reaktionen :

Detta fungerar eftersom kristallin magnetit (Fe 3 O 4 ) är termodynamiskt mer stabil än amorf järnhydroxid (Fe(OH) 2 ).

Massart-metoden för framställning av magnetit som ferrofluid är praktisk i laboratoriet: blanda järn(II)klorid och järn(III)klorid i närvaro av natriumhydroxid .

En mer effektiv metod för att framställa magnetit utan besvärliga rester av natrium är att använda ammoniak för att främja kemisk samutfällning från järnkloriderna: blanda först lösningar av 0,1 M FeCl 3 · 6H 2 O och FeCl 2 · 4H 2 O under kraftig omrörning vid ca 2000 rpm. Molförhållandet för FeCl3 : FeCl2 bör vara ca 2:1. Värm blandningen till 70 °C, höj sedan omrörningshastigheten till cirka 7500 rpm och tillsätt snabbt en lösning av NH4OH ( 10 volym %). En mörk fällning av nanopartiklar av magnetit bildas omedelbart.

I båda metoderna bygger utfällningsreaktionen på snabb omvandling av sura järnjoner till spinelljärnoxidstrukturen vid pH 10 eller högre.

Att kontrollera bildandet av magnetitnanopartiklar innebär utmaningar: reaktionerna och fasomvandlingarna som är nödvändiga för skapandet av magnetitspinellstrukturen är komplexa. Ämnet är av praktisk betydelse eftersom magnetitpartiklar är av intresse i biovetenskapliga tillämpningar såsom magnetisk resonanstomografi (MRI), där järnoxidmagnetitnanopartiklar potentiellt utgör ett giftfritt alternativ till de gadoliniumbaserade kontrastmedel som för närvarande används. Men svårigheter med att kontrollera bildningen av partiklarna hindrar fortfarande framställningen av superparamagnetiska magnetitpartiklar, det vill säga: magnetitnanopartiklar med en koercitivitet på 0 A/m, vilket innebär att de helt förlorar sin permanenta magnetisering i frånvaro av en extern magnetiskt fält. De minsta värdena som för närvarande rapporteras för nanostora magnetitpartiklar är Hc = 8,5 Am −1 , medan det största rapporterade magnetiseringsvärdet är 87 Am 2 kg −1 för syntetisk magnetit.

Pigmentkvalitet Fe 3 O 4 , så kallad syntetisk magnetit, kan framställas med hjälp av processer som använder industriavfall, järnskrot eller lösningar som innehåller järnsalter (t.ex. de som produceras som biprodukter i industriella processer som t.ex. behandling med surt kar (betning ) av stål):

  • Oxidation av Fe-metall i Laux-processen där nitrobensen behandlas med järnmetall med FeCl 2 som katalysator för att producera anilin :
C 6 H 5 NO 2 + 3 Fe + 2 H 2 O → C 6 H 5 NH 2 + Fe 3 O 4
  • Oxidation av Fe II -föreningar, t.ex. utfällning av järn(II)-salter som hydroxider följt av oxidation genom luftning där noggrann kontroll av pH bestämmer vilken oxid som produceras.

Reduktion av Fe 2 O 3 med väte:

3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O _ _ _ _ _ _

Reduktion av Fe 2 O 3 med CO:

3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

Framställning av nanopartiklar kan utföras kemiskt genom att till exempel ta blandningar av Fe II- och Fe III -salter och blanda dem med alkali för att fälla ut kolloidalt Fe 3 O 4 . Reaktionsbetingelserna är kritiska för processen och bestämmer partikelstorleken.

Järn(II)karbonat kan också sönderdelas termiskt till järn(II,III):

3FeCO 3 → Fe 3 O 4 + 2CO 2 + CO

Reaktioner

Reduktion av magnetitmalm med CO i en masugn används för att producera järn som en del av stålproduktionsprocessen:

Kontrollerad oxidation av Fe 3 O 4 används för att producera brun pigmentkvalitet γ-Fe 2 O 3 ( maghemite ):

Kraftigare kalcinering (rostning i luft) ger röd pigmentkvalitet α-Fe 2 O 3 ( hematit ):

Strukturera

Fe 3 O 4 har en kubisk omvänd spinellgruppstruktur som består av en kubisk tätt packad uppsättning av oxidjoner där alla Fe 2+ -jonerna upptar hälften av de oktaedriska ställena och Fe 3+ delas jämnt över de återstående oktaedriska ställena och de tetraedriska platserna.

Både FeO och γ-Fe 2 O 3 har en liknande kubisk tätpackad grupp av oxidjoner och detta står för den lätta utbytbarheten mellan de tre föreningarna vid oxidation och reduktion eftersom dessa reaktioner medför en relativt liten förändring av den övergripande strukturen. Fe3O4 - prover kan vara icke -stökiometriska .

Ferrimagnetismen hos Fe 3 O 4 uppstår på grund av att elektronspinna hos Fe II- och Fe III -jonerna i de oktaedriska ställena är kopplade och spinnen hos Fe III -jonerna i de tetraedriska ställena är kopplade men antiparallella med de förra . Nettoeffekten är att de magnetiska bidragen från båda uppsättningarna inte är balanserade och det finns en permanent magnetism.

I det smälta tillståndet visar experimentellt begränsade modeller att järnjonerna är koordinerade till 5 syrejoner i genomsnitt. Det finns en fördelning av koordinationsställen i flytande tillstånd, där majoriteten av både Fe II och Fe III är 5-koordinerade till syre- och minoritetspopulationer av både 4- och 6-faldigt koordinerat järn.

Egenskaper

Prov av magnetit , naturligt förekommande Fe 3 O 4 .

Fe 3 O 4 är ferrimagnetisk med en Curie-temperatur på 858 K (585 °C). Det finns en fasövergång vid 120 K (−153 °C), kallad Verwey-övergång där det finns en diskontinuitet i strukturen, konduktiviteten och magnetiska egenskaper. Denna effekt har undersökts ingående och även om olika förklaringar har föreslagits, verkar den inte vara helt förstådd.

Även om den har mycket högre elektrisk resistivitet än järnmetall (96,1 nΩ m), är Fe 3 O 4 :s elektriska resistivitet (0,3 mΩ m ) betydligt lägre än den för Fe 2 O 3 (ca kΩ m). Detta tillskrivs elektronutbytet mellan Fe II och Fe III centra i Fe 3 O 4 .

Används

Fe 3 O 4 används som ett svart pigment och är känt som CI pigment black 11 (CI No.77499) eller Mars Black .

Fe 3 O 4 används som katalysator i Haber-processen och i vatten-gas-skiftreaktionen . Den senare använder en HTS (high temperature shift catalyst) av järnoxid stabiliserad av kromoxid . Denna järn-krom-katalysator reduceras vid start av reaktorn för att generera Fe 3 O 4 från α-Fe 2 O 3 och Cr 2 O 3 till CrO 3 .

Blåning är en passiveringsprocess som producerar ett lager av Fe 3 O 4 på ytan av stål för att skydda det från rost. Tillsammans med svavel och aluminium är det en ingrediens i stålskärande termit . [ citat behövs ]

Medicinsk användning

Ferumoxytol
Kliniska data
Handelsnamn Feraheme, Rienso
AHFS / Drugs.com Monografi
MedlinePlus a614023
Licensdata

Administreringsvägar _ 		Intravenös infusion
ATC-kod
  • Ingen
Rättslig status
Rättslig status
Identifierare
  • järn(2+);järn(3+);syre(2-)
CAS-nummer
DrugBank
UNII
KEGG
ChEBI
CompTox Dashboard ( EPA )
ECHA InfoCard 100.013.889 Edit this at Wikidata
Kemiska och fysikaliska data
Formel Fe 3 O 4
Molar massa 231,531 g-mol -1
3D-modell ( JSmol )
  • [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Fe+2].[Fe+3].[Fe+3]
  • InChI=1S/3Fe.4O/q+2;2*+3;4*-2
  • Nyckel:WTFXARWRTYJXII-UHFFFAOYSA-N

Nanopartiklar av Fe 3 O 4 används som kontrastmedel vid MRT-skanning .

Ferumoxytol, som säljs under varumärkena Feraheme och Rienso, är ett intravenöst Fe 3 O 4 -preparat för behandling av anemi till följd av kronisk njursjukdom . Ferumoxytol tillverkas och distribueras globalt av AMAG Pharmaceuticals .

Biologisk förekomst

Magnetit har hittats som nanokristaller i magnetotaktiska bakterier (42–45 nm) och i målduvors näbbvävnad .

externa länkar

  • "Ferumoxytol" . Läkemedelsinformationsportal . US National Library of Medicine.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Iron(II,III)_oxide&oldid=1127722292 "