Оксид железа(II,III) (Ktvn; 'yly[g(II,III))

Оксид железа(II,III)
Оксид железа(II,III)
Общие
Систематическое; наименование	Оксид железа(II,III)
Традиционные названия	закись-окись железа, железная окалина, магнетит, магнитный железняк
Хим. формула
Физические свойства
Состояние	чёрные кристаллы
Молярная масса	231,54 г/моль
Плотность	5,11; 5,18 г/см³
Твёрдость	5,6-6,5
Термические свойства
	Температура
• плавления	разл. 1538; 1590; 1594 °C
Мол. теплоёмк.	144,63 Дж/(моль·К)
	Энтальпия
• образования	−1120 кДж/моль
Классификация
Рег. номер CAS	1317-61-9
PubChem	16211978
Рег. номер EINECS	215-277-5
SMILES	O1[Fe]2O[Fe]O[Fe]1O2
InChI	InChI=1S/3Fe.4O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N
ChEBI	CHEBI:50821
ChemSpider	17215625, 21169623 и 21250915
Безопасность
NFPA 704	0 0 0
	Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
	Медиафайлы на Викискладе

Окси́д желе́за(II,III) — за́кись-о́кись железа, желе́зная ока́лина — неорганическое соединение, двойной оксид металла железа с формулой ${\ce {Fe3O4}}$ или ${\ce {FeO.Fe2O3}}$ , чёрные кристаллы, не растворимые в воде, существует кристаллогидрат.

Образуется на поверхности стальных и железных предметов в виде слоя чёрной окалины при их накаливании на воздухе.

Нахождение в природе

В природе встречаются большие залежи минерала магнетита (магнитного железняка) — ${\ce {Fe3O4}}$ с различными примесями.

В виде нанокристаллов (размером 42—45 нм) магнетит обнаружен в чувствительных к магнитному полю бактериях^[1] и ткани клюва почтовых голубей^[2].

Получение

Может быть получен добавлением щелочи к смешанному раствору солей железа(II) и железа(III):

{\ce {FeCl2 + 2FeCl3 + 8NaOH -> Fe3O4 + 8NaCl + 4H2O}}

.

Сжигание порошкообразного железа на воздухе:

{\ce {3 Fe + 2 O2 ->[150-600\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Fe3O4}}

.

Действие перегретого пара на железо:

{\ce {3 Fe + 4 H2O ->[800\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Fe3O4 + 4 H2}}

.

Осторожное восстановление оксида железа(III) водородом:

{\ce {3 Fe2O3 + H2 ->[400\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 2 Fe3O4 + H2O}}

.

Восстановление оксидом углерода(II):

{\ce {CO + 3 Fe2O3 -> 2 Fe3O4 + CO2}}

.

Физические свойства

Оксид железа(II,III) при комнатной температуре образует чёрные кристаллы кубической сингонии, пространственная группа F d3m, параметры ячейки a = 0,8393 нм, Z = 8 (структура обращённой шпинели). При 627 °С α-форма переходит в β-форму. При температуре ниже 120—125 К устойчива моноклинная форма.

Ферримагнетик с точкой Кюри 858 К (572 °С)^[3].

Обладает некоторой электрической проводимостью. Электропроводность низкая. Полупроводник.

Истинная удельная электропроводность монокристаллического магнетита максимальна при комнатной температуре (250 Ом⁻¹·см⁻¹), она быстро снижается при понижении температуры, достигая значения около 50 Ом⁻¹·см⁻¹ при температуре перехода Вервея (фазового перехода от кубической к низкотемпературной моноклинной структуре, существующей ниже T_V = 120—135 К)^[4]. Электропроводность моноклинного низкотемпературного магнетита на 2 порядка ниже, чем кубического (~1 Ом⁻¹·см⁻¹ при T_V); она, как и у любого типичного полупроводника, очень быстро уменьшается с понижением температуры, достигая нескольких единиц ×10⁻⁶ Ом⁻¹·см⁻¹ при 50 К. При этом моноклинный магнетит, в отличие от кубического, проявляет существенную анизотропию электропроводности — проводимость вдоль главных осей может отличаться более чем в 10 раз. При 5,3 К электропроводность достигает минимума ~10⁻¹⁵ Ом⁻¹·см⁻¹ и растёт при дальнейшем понижении температуры. При температуре выше комнатной электропроводность медленно уменьшается до ≈180 Ом⁻¹·см⁻¹ при 780—800 К, а затем очень медленно растёт вплоть до температуры разложения^[5].

Измеренная величина электропроводности поликристаллического магнетита в зависимости от наличия трещин и их ориентации может различаться в сотни раз.

Образует кристаллогидрат состава ${\ce {Fe3O4.2H2O}}$ .

Химические свойства

Разлагается при нагревании:

{\ce {2 Fe3O4 ->[1538\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 6 FeO\ + O2}}

.

Реагирует с разбавленными кислотами:

{\ce {Fe3O4 + 8 HCl -> FeCl2 + 2 FeCl3 + 4 H2O}}

.

Реагирует с концентрированными окисляющими кислотами:

{\ce {Fe3O4 + 10 HNO3 -> 3 Fe(NO3)3 + NO2 ^ + 5 H2O}}

.

Реагирует с щелочами при сплавлении:

{\ce {Fe3O4 + 14 NaOH ->[400-500 ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Na4FeO3 + 2 Na5FeO4 + 7 H2O}}

.

Окисляется кислородом воздуха:

{\ce {4 Fe3O4 + O2 ->[450-600\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 6 Fe2O3}}

.

Восстанавливается водородом и монооксидом углерода:

{\ce {Fe3O4 + 4 H2 ->[1000\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 3 Fe + 4 H2O,}}

{\ce {Fe3O4\ +4CO->[700^{\circ }C]3Fe\ +4CO2}}

.

Конпропорционирует при спекании с металлическим железом:

{\ce {Fe3O4 + Fe ->[900-1000\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 4 FeO}}

.

Алюминотермическая реакция при нагревании смеси порошков оксида железа(III) и алюминия:

{\ce {2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}}

.

Применение

Для изготовления специальных электродов.
В качестве чёрного пигмента^[6].
В составе термитных смесей^[7].
Нанокристаллы используются в качестве контрастирующего вещества в медицинской диагностике с помощью магнитно-резонансной томографии^[8].
В пищевой промышленности используются в качестве пищевого красителя (E172).

Примечания

↑ Cornell, Rochelle M. The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses / Rochelle M. Cornell, Udo Schwertmann. — Wiley-VCH, 2007. — ISBN 3-527-60644-0.
↑ Hanzlik M, Heunemann C, Holtkamp-Rötzler E, Winklhofer M, Petersen N, Fleissner G (December 2000). "Superparamagnetic magnetite in the upper beak tissue of homing pigeons". Biometals. 13 (4): 325—31. doi:10.1023/A:1009214526685. PMID 11247039.
↑ Точки Кюри некоторых веществ. (неопр.) Дата обращения: 7 декабря 2020. Архивировано 31 марта 2014 года.
↑ Verwey E. J. W., Haayman P. W. Electronic Conductivity and Transition Point of Magnetite («Fe₃O₄») (нем.) // Physica. — 1941. — Bd. 8, H. 9. — S. 979—987. — doi:10.1016/S0031-8914(41)80005-6. — Bibcode: 1941Phy.....8..979V.
↑ Substance: Fe₃O₄. Property: electrical conductivity // Semiconductors / Eds.: O. Madelung et al. — Springer, 2000. — ISBN 978-3-540-64966-3.
↑ Gunter Buxbaum, Gerhard Pfaff (2005) Industrial Inorganic Pigments 3d edition Wiley-VCH ISBN 3-527-30363-4
↑ Thermite (неопр.). Amazing Rust.com (7 февраля 2001). Дата обращения: 12 октября 2011. Архивировано 7 июля 2011 года.
↑ Babes L, Denizot B, Tanguy G, Jallet P (April 1999). "Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles Used as MRI Contrast Agents: A Parametric Study". Journal of Colloid and Interface Science. 212 (2): 474—482. Bibcode:1999JCIS..212..474B. doi:10.1006/jcis.1998.6053. PMID 10092379.

Литература

Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И. Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5.
Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.. — 2-е изд., испр. — М.—Л.: Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.
Лидин Р. А. и др. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., испр.. — М.: Химия, 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0.
Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.

[Cornell-1] Cornell, Rochelle M. The Iron Oxides: Structure, Properties, Reactions, Occurrences and Uses / Rochelle M. Cornell, Udo Schwertmann. — Wiley-VCH, 2007. — ISBN 3-527-60644-0.

[2] Hanzlik M, Heunemann C, Holtkamp-Rötzler E, Winklhofer M, Petersen N, Fleissner G (December 2000). "Superparamagnetic magnetite in the upper beak tissue of homing pigeons". Biometals. 13 (4): 325—31. doi:10.1023/A:1009214526685. PMID 11247039.

[3] Точки Кюри некоторых веществ. (неопр.) Дата обращения: 7 декабря 2020. Архивировано 31 марта 2014 года.

[ver41-4] Verwey E. J. W., Haayman P. W. Electronic Conductivity and Transition Point of Magnetite («Fe₃O₄») (нем.) // Physica. — 1941. — Bd. 8, H. 9. — S. 979—987. — doi:10.1016/S0031-8914(41)80005-6. — Bibcode: 1941Phy.....8..979V.

[5] Substance: Fe₃O₄. Property: electrical conductivity // Semiconductors / Eds.: O. Madelung et al. — Springer, 2000. — ISBN 978-3-540-64966-3.

[Buxbaum-6] Gunter Buxbaum, Gerhard Pfaff (2005) Industrial Inorganic Pigments 3d edition Wiley-VCH ISBN 3-527-30363-4

[amazingrust-7] Thermite (неопр.). Amazing Rust.com (7 февраля 2001). Дата обращения: 12 октября 2011. Архивировано 7 июля 2011 года.

[8] Babes L, Denizot B, Tanguy G, Jallet P (April 1999). "Synthesis of Iron Oxide Nanoparticles Used as MRI Contrast Agents: A Parametric Study". Journal of Colloid and Interface Science. 212 (2): 474—482. Bibcode:1999JCIS..212..474B. doi:10.1006/jcis.1998.6053. PMID 10092379.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

п о р Оксиды
H₂O
Li₂O LiCoO₂ Li₃PaO₄ Li₅PuO₆ Ba₂LiNpO₆ LiAlO₂ Li₃NpO₄ Li₂NpO₄ Li₅NpO₆ LiNbO₃	BeO											B₂O₃	С₃О₂ C₁₂O₉ CO C₁₂O₁₂ C₄O₆ CO₂	N₂O NO N₂O₃ N₄O₆ NO₂ N₂O₄ N₂O₅	O	F
Na₂O NaPaO₃ NaAlO₂ Na₂PtO₃	MgO											AlO Al₂O₃ NaAlO₂ LiAlO₂ AlO(OH)	SiO SiO₂	P₄O P₄O₂ P₂O₃ P₄O₈ P₂O₅	S₂O SO SO₂ SO₃	Cl₂O ClO₂ Cl₂O₆ Cl₂O₇
K₂O K₂PtO₃ KPaO₃	CaO Ca₃OSiO₄ CaTiO₃	Sc₂O₃	TiO Ti₂O₃ TiO₂ TiOSO₄ CaTiO₃ BaTiO₃	VO V₂O₃ V₃O₅ VO₂ V₂O₅	FeCr₂O₄ CrO Cr₂O₃ CrO₂ CrO₃ MgCr₂O₄	MnO Mn₃O₄ Mn₂O₃ MnO(OH) Mn₅O₈ MnO₂ MnO₃ Mn₂O₇	FeCr₂O₄ FeO Fe₃O₄ Fe₂O₃	CoFe₂O₄ CoO Co₃O₄ CoO(OH) Co₂O₃ CoO₂	NiO NiFe₂O₄ Ni₃O₄ NiO(OH) Ni₂O₃	Cu₂O CuO CuFe₂O₄ Cu₂O₃ CuO₂	ZnO	Ga₂O Ga₂O₃	GeO GeO₂	As₂O₃ As₂O₄ As₂O₅	SeOCl₂ SeOBr₂ SeO₂ Se₂O₅ SeO₃	Br₂O Br₂O₃ BrO₂
Rb₂O RbPaO₃ Rb₄O₆	SrO	Y₂O₃ YOF YOCl	ZrO(OH)₂ ZrO₂ ZrOS Zr₂О₃Сl₂	NbO Nb₂O₃ NbO₂ Nb₂O₅ Nb₂O₃(SO₄)₂ LiNbO₃	Mo₂O₃ Mo₄O₁₁ MoO₂ Mo₂O₅ MoO₃	TcO₂ Tc₂O₇	Ru₂O₃ RuO₂ Ru₂O₅ RuO₄	RhO Rh₂O₃ RhO₂	PdO Pd₂O₃ PdO₂	Ag₂O Ag₂O₂	Cd₂O CdO	In₂O InO In₂O₃	SnO SnO₂	Sb₂O₃ Sb₂O₄ Hg₂Sb₂O₇ Sb₂O₅	TeO₂ TeO₃	I₂O₄ I₄O₉ I₂O₅
Cs₂O Cs₂ReCl₅O	BaO BaPaO₃ BaTiO₃ BaPtO₃		HfO(OH)₂ HfO₂	Ta₂O TaO TaO₂ Ta₂O₅	WO₂Br₂ WO₂ WO₂Cl₂ WOBr₄ WOF₄ WOCl₄ WO₃	Re₂O ReO Re₂O₃ ReO₂ Re₂O₅ ReO₃ Re₂O₇	OsO Os₂O₃ OsO₂ OsO₄	Ir₂O₃ IrO₂	PtO Pt₃O₄ Pt₂O₃ PtO₂ K₂PtO₃ Na₂PtO₃ PtO₃	Au₂O AuO Au₂O₃	Hg₂O HgO (Hg₃O₂)SO₄ Hg₂O(CN)₂ Hg₂Sb₂O₇ Hg₃O₂Cl₂ Hg₅O₄Cl₂	Tl₂O Tl₂O₃	Pb₂O PbO Pb₃O₄ Pb₂O₃ PbO₂	BiO Bi₂O₃ Bi₂O₄ Bi₂O₅	PoO PoO₂ PoO₃	At
Fr	Ra		Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts
		↓
		La₂O₂S La₂O₃	Ce₂O₃ CeO₂	PrO Pr₂O₂S Pr₂O₃ Pr₆O₁₁ PrO₂	NdO Nd₂O₂S Nd₂O₃ NdHO	Pm₂O₃	SmO Sm₂O₃	EuO Eu₃O₄ Eu₂O₃ EuO(OH) Eu₂O₂S	Gd₂O₃	Tb	Dy₂O₃	Ho₂O₃ Ho₂O₂S	Er₂O₃	Tm₂O₃	YbO Yb₂O₃	Lu₂O₂S Lu₂O₃ LuO(OH)
		Ac₂O₃	UO₂ UO₃ U₃O₈	PaO PaO₂ Pa₂O₅ PaOS	ThO₂	NpO NpO₂ Np₂O₅ Np₃O₈ NpO₃	PuO Pu₂O₃ PuO₂ PuO₃ PuO₂F₂	AmO₂	Cm₂O₃ CmO₂	Bk₂O₃	Cf₂O₃	Es	Fm	Md	No	Lr

Оксид железа(II,III)

Общие
Систематическое наименование	Оксид железа(II,III)
Традиционные названия	закись-окись железа, железная окалина, магнетит, магнитный железняк
Хим. формула	${\ce {Fe3O4}}$
Физические свойства
Состояние	чёрные кристаллы
Молярная масса	231,54 г/моль
Плотность	5,11; 5,18 г/см³
Твёрдость	5,6-6,5
Термические свойства
Температура
• плавления	разл. 1538; 1590; 1594 °C
Мол. теплоёмк.	144,63 Дж/(моль·К)
Энтальпия
• образования	−1120 кДж/моль
Классификация
Рег. номер CAS	1317-61-9
PubChem	16211978
Рег. номер EINECS	215-277-5
SMILES	O1[Fe]2O[Fe]O[Fe]1O2
InChI	InChI=1S/3Fe.4O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N
ChEBI	CHEBI:50821
ChemSpider	17215625, 21169623 и 21250915
Безопасность
NFPA 704	0 0 0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе