OXID ŽELEZA: STRUKTURA, VLASTNOSTI, NOMENKLATURA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Oxid železa je jakékoliv ze sloučenin, vytvořených mezi železem a kyslíku. Vyznačují se tím, že jsou iontové a krystalické, a leží rozptýlené v důsledku eroze jejich minerálů, které tvoří půdy, rostlinnou hmotu a dokonce i vnitřek živých organismů.

Je to pak jedna z rodin sloučenin, které převládají v zemské kůře. Co přesně jsou? Dosud je známo šestnáct oxidů železa, většina z nich přírodního původu a další syntetizované za extrémních podmínek tlaku nebo teploty.

Zdroj: pětý sedmý, Flickre.

Na výše uvedeném obrázku je znázorněna část práškového oxidu železitého. Jeho charakteristická červená barva pokrývá železo různých architektonických prvků v tzv. Rzi. Podobně je pozorována ve svazích, horách nebo půdách, smíchaná s mnoha dalšími minerály, jako je žlutý prášek goethitu (α-FeOOH).

Nejznámější oxidy železa jsou hematit (α-Fe ₂ O ₃) a maghemit (Υ- Fe ₂ O ₃), oba polymorfy oxidu železitého; a v neposlední řadě, magnetit (Fe ₃ O ₄). Jejich polymorfní struktury a jejich velká plocha z nich činí zajímavé materiály jako sorbenty nebo pro syntézu nanočástic s širokými aplikacemi.

Struktura

Zdroj: Siyavula Education, Flickr.

Horní obrázek představuje krystalovou strukturu FeO, jednoho z oxidů železa, kde má železo valenci +2. Červené koule odpovídají O ² aniontům, zatímco žluté kationty Fe ²⁺. Všimněte si také, že každý Fe ²⁺ je obklopen šesti O ², které tvoří oktaedrální koordinační jednotku.

Struktura FeO tedy může být „rozdělena“ na jednotky FeO ₆, kde je středním atomem Fe2 ⁺. V případě oxyhydroxidů nebo hydroxidů, okteadrální jednotka FeO ₃ (OH) ₃.

V některých strukturách jsou namísto osmihedronu tetrahedrální jednotky, FeO ₄. Z tohoto důvodu jsou struktury oxidů železa obvykle reprezentovány oktaedrou nebo čtyřstěnou se středy železa.

Struktury oxidů železa závisí na podmínkách tlaku nebo teploty, na poměru Fe / O (tj. Kolik kyslíků existuje na železo a naopak) a na valenci železa (+2, +3 a velmi zřídka v syntetických oxidech, +4).

Obecně se objemné O ² aniony sestavují do listů, jejichž dutiny obsahují kationty Fe ²⁺ nebo Fe ³⁺. Existují tedy oxidy (jako je magnetit), které mají železo s oběma valencemi.

Polymorfismus

Oxidy železa představují polymorfismus, to znamená různé struktury nebo uspořádání krystalů pro stejnou sloučeninu. Oxid železitý, Fe ₂ O ₃, má až čtyři možné polymorfy. Hematit, α-Fe ₂ O ₃, je nejstabilnější ze všech; následuje maghemitu, Υ- Fe ₂ O ₃, a syntetické β- Fe ₂ O ₃ a ε- Fe ₂ O ₃.

Všichni mají své vlastní typy krystalických struktur a systémů. Poměr 2: 3 však zůstává konstantní, takže pro každé dva kationty Fe ³⁺ existují tři O ² anionty. Rozdíl spočívá v tom, jak jsou oktaedrální jednotky FeO ₆ umístěny v prostoru a jak jsou připojeny.

Strukturální vazby

Zdroj: Public Domain Files

Oktaedrální jednotky FeO ₆ lze vizualizovat pomocí výše uvedeného obrázku. V rozích oktaedronu jsou O ², zatímco v jeho středu Fe ²⁺ nebo Fe ³⁺ (v případě Fe ₂ O ₃). Způsob, jakým jsou tyto oktaedry uspořádány v prostoru, odhaluje strukturu oxidu.

Ovlivňují však také jejich propojení. Například dvě oktaedry mohou být spojeny dotykem dvou jejich vrcholů, které jsou představovány kyslíkovým můstkem: Fe-O-Fe. Podobně lze oktaedru spojit přes jejich okraje (sousedící k sobě). To by pak bylo reprezentováno dvěma kyslíkovými můstky: Fe- (O) _2- Fe.

A konečně, octahedra může komunikovat přes jejich tváře. Reprezentace by tedy byla nyní se třemi kyslíkovými můstky: Fe- (O) _3- Fe. Způsob, jakým jsou oktaedry spojeny, by měnil internukleární vzdálenosti Fe-Fe, a tedy i fyzikální vlastnosti oxidu.

Vlastnosti

Oxid železa je sloučenina s magnetickými vlastnostmi. Ty mohou být anti, ferro nebo ferrimagnetické a závisí na valencích Fe a na tom, jak kationty interagují v pevné látce.

Protože struktury pevných látek jsou velmi rozmanité, tak jsou také jejich fyzikální a chemické vlastnosti.

Například, polymorfy a hydráty Fe ₂ O ₃ mají různé hodnoty teplot tání (které se pohybují mezi 1200 a 1600ºC) a hustoty. Společně však mají nízkou rozpustnost díky Fe ³⁺, stejné molekulové hmotnosti, mají hnědou barvu a špatně se rozpouštějí v kyselých roztocích.

Nomenklatura

IUPAC zavádí tři způsoby, jak pojmenovat oxid železa. Všechny tři jsou velmi užitečné, i když u komplexních oxidů (jako je Fe ₇ O ₉) vládne systematika nad ostatními kvůli jejich jednoduchosti.

Systematická nomenklatura

Počty kyslíku a železa jsou brány v úvahu, pojmenovány řeckými předponami číslování mono-, di-, tri- atd. Podle této nomenklatury, Fe ₂ O ₃, se nazývá: tri oxid di železa. A pro Fe ₇ O ₉ by se jmenoval: hepta-železo nonaoxid.

Skladová nomenklatura

Toto zvažuje mocnost železa. Pokud je to Fe ²⁺, je to psaný oxid železa… a jeho valence s římskými číslicemi uzavřenými v závorkách. Pro Fe ₂ O ₃ jeho název je: oxid železitý (III).

Všimněte si, že Fe ³⁺ lze určit algebraickými součty. Pokud má O ^2- dvě záporné náboje a jsou tři, jsou sčítány až -6. K neutralizaci je to -6, je vyžadováno +6, ale existují dva Fe, takže musí být vyděleny dvěma, + 6/2 = +3:

2X (kovová valence) + 3 (-2) = 0

Jednoduše vyřešením pro X se získá valence Fe v oxidu. Pokud však X není celé číslo (jako je tomu u téměř všech ostatních oxidů), pak existuje směs Fe ²⁺ a Fe ³⁺.

Tradiční nomenklatura

Přípona --ico je dána předponě ferr -, když Fe má valenci +3, a --oso, když je jeho valence 2+. Tak, Fe ₂ O ₃, se nazývá: oxid železitý.

Aplikace

Nanočástice

Oxidy železa mají společnou vysokou krystalizační energii, což umožňuje vytvářet velmi malé krystaly, ale s velkou povrchovou plochou.

Z tohoto důvodu se velmi zajímají o oblasti nanotechnologií, kde navrhují a syntetizují oxidové nanočástice (NP) pro specifické účely:

-Jako katalyzátory.

-Je zásobníkem léčiv nebo genů v těle

-V návrhu senzorických povrchů pro různé typy biomolekul: proteiny, cukry, tuky

- Pro ukládání magnetických dat

Pigmenty

Protože některé oxidy jsou velmi stabilní, mohou být použity k barvení textilií nebo k poskytnutí jasných barev povrchům jakéhokoli materiálu. Z mozaiky na podlahách; červené, žluté a oranžové (dokonce zelené) barvy; keramika, plasty, kůže a dokonce i architektonická díla.

Reference

1. Správci Dartmouth College. (18. března 2004). Stechiometrie oxidů železa. Převzato z: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo a kol. (8. září 2016). Objev Fe ₇ O ₉: nový oxid železa s komplexní monoklinickou strukturou. Obnoveno z: nature.com
3. M. Cornell, U. Schwertmann. Oxidy železa: struktura, vlastnosti, reakce, výskyt a použití.. WILEY-VCH. Převzato z: epsc511.wustl.edu
4. Alice Bu. (2018). Nanočástice oxidu železitého, vlastnosti a aplikace. Převzato z adresy: sigmaaldrich.com
5. Ali, A., Zafar, H., Zia, M., ul Haq, I., Phull, AR, Ali, JS, a Hussain, A. (2016). Syntéza, charakterizace, aplikace a výzvy nanočástic oxidu železa. Nanotechnology, Science and Applications, 9, 49–67.
6. Pigmenty Golchha. (2009). Oxidy železa: Aplikace. Převzato z: golchhapigments.com
7. Chemické složení. (2018). Oxid železitý. Převzato z: formulacionquimica.com
8. Wikipedia. (2018). Oxid železitý. Převzato z: