氧化铁介绍

2023/5/8 10:19:35 作者:贝克曼

氧化铁是化学式为Fe2O3的无机化合物。它是铁的三种主要氧化物之一,另外两种是不常见的氧化亚铁(FeO);和四氧化三铁(Fe3O4),其也作为矿物磁铁矿天然存在。氧化铁又叫赤铁矿,他是钢铁冶炼中铁的主要来源,它很容易被酸侵蚀。氧化铁通常被称为铁锈,在某些场合,这样说没有什么问题,因为铁锈有几个共同的性质和相似的组成。对化学家来说,铁锈是一种定义不清的物质,被称为水合氧化铁。

氧化铁

1 结构

Fe2O3有多种晶型。在主要的α和γ构型的氧化铁中,铁是六配位八面体结构。也就是说,每个铁中心与六个氧配合。

1.1 α晶型

α-Fe2O3具有菱形晶型、刚玉(α-Al2O3)结构,是最常见的晶型。在自然界,它以赤铁矿的形式存在,赤铁矿是主要的铁矿石。它在约260 K(莫林相变温度)以下是反铁磁性的,并且在260 K和950 K的奈耳温度之间表现出弱铁磁性。热分解和液相沉淀法都可以很容易的制得氧化铁。它的磁性取决于许多因素,例如压力、粒度和磁场强度。

1.2 γ晶型

γ-Fe2O3具有立方结构,它的稳定性稍差,是在高温下由α晶型转变而来。它以矿物磁赤铁矿的形式自然存在,通常粒径小于10纳米的超细粒子都是超顺磁性的,但是它是铁磁性的,这可以用于录音磁带上。它可以通过γ-羟基氧化铁加热脱水制备,另一种方法包括四氧化三铁的控制氧化来制取。[2] γ-氧化铁的超细粉末可以通过草酸铁(ⅲ)的热分解来制备。

1.3 其他晶型

其他几个晶型也得到确认。β晶型是立方晶核(空间群Ia3),亚稳,在500℃以上(930℉)转化为α晶型。它可以通过碳还原赤铁矿、高温分解三氯化铁溶液或者硫酸铁来制备。ε晶型是菱形晶型,其性质介于α晶型和γ晶型之间的性质,并且可能具有有用的磁性特征。由于α晶型和γ晶型的污染,纯ε晶型氧化铁的制备非常难。γ-氧化铁可以通过热转换的方式制备出高含量的ε-氧化铁材料。该晶型也是亚稳态的,在500到750℃(930到1380℉)之间转变为α晶型。还可以通过电弧氧化铁或由硝酸铁(III)沉淀溶胶-凝胶法制备该晶型氧化铁。此外,在高压的条件下也发现了非晶态的氧化铁。 最近的研究揭示了中国古代建陶釉中的ε铁(ⅲ)氧化物,这可能为实验室生产这种晶型的氧化铁的方法提供了见解。

2 氧化铁水合物

氧化铁存在几种水合物。当向可溶性铁(ⅲ)盐溶液中加入碱时,形成红棕色凝胶状沉淀。这不是Fe(OH)3,而是Fe2O3·H2O(也写作Fe(O)OH)。几个晶型的氧化铁也都存在水合物。红色纤铁γ-Fe(O)OH出现在锈层的外部,而橙色的针铁出现在锈成内部。当Fe2O3· H2O受热时,它失去结合水。在1670 K下进一步加热会将Fe2O3转化为黑色Fe3O4(FeIIFeIII2O4),这就是众所周知的矿物磁铁矿。Fe(O)OH可溶于酸,产生[Fe(H2O)6]3+。在浓碱水溶液中,Fe2O3生成[Fe(OH)6]3−。

3 反应

最重要的反应是碳热还原,它产生炼钢用的铁:

Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO2

另一个氧化还原反应是与铝强烈放热的铝热反应。

2Al+ Fe 2O 3 → 2Fe+ Al 2O 3 这种方法用于焊接厚金属,如火车轨道的铁轨,用陶瓷容器将反应热熔的铁水滴漏到两段铁轨之间。铝热剂也用于武器和制作小型铸铁雕塑和工具。在约400℃用氢气部分还原产生四氧化三铁,这是一种黑色磁性材料,同时含有三价铁和二价铁:    

3 Fe 2O 3 + H 2 → 2 Fe 3O 4 + H 2O

氧化铁不溶于水,但容易溶解于强酸,如盐酸和硫酸。它也能很好地溶解在螯合剂溶液中,如乙二胺四乙酸和草酸。

其他金属氧化物或者碳酸盐和氧化铁共热,可以得到高铁酸盐:[6]

ZnO+ Fe 2O 3 →Zn(Fe 2) 2

4 制备

氧化铁是铁氧化的产物。它可以在实验室用铁阳极电解一种惰性电解质碳酸氢钠溶液来制备:

4 Fe + 3 O 2 + 2 H 2O → 4 FeO(OH) 生成的水合氧化铁,在这里写为Fe(O)OH,在200℃左右脱水 

2 FeO(OH) → Fe 2O 3 + H 2O

5 应用

5.1 钢铁工业

氧化铁的主要用途是作为钢铁工业的原料,例如铁、钢和许多合金的生产。

5.2 表面抛光

一种非常细的氧化铁粉末被称为“珠宝商的胭脂”、“红色胭脂”,或者简称为胭脂。它被用来对金属首饰和镜片进行最后的抛光,并且在历史上被用作化妆品。氧化铁比一些现代抛光剂切割得更慢,如氧化铈,但仍被用于光学制造和珠宝行业,因为它能产生的优异光洁度。抛光黄金时,胭脂会轻微污染黄金,这会影响成品的外观。胭脂以粉末、浆糊、磨光布或实心棒(用蜡或油脂粘合剂)的形式出售。其他抛光材料也经常被称为“胭脂”,即使它们不含氧化铁。珠宝商用超声波清洗去除珠宝上残留的胭脂。作为“刮削化合物”销售的产品通常用于皮革刮削,以帮助在刀具、直发剃刀或任何其他边缘工具上获得锋利的边缘。

5.3 颜料

不同水合物氧化铁的不同颜色(α = red, β = yellow),作为颜料,他们大有用处。

氧化铁也被用作颜料,其名称为“氧化铁棕6”、“氧化铁棕7”和“氧化铁棕101”。 其中一些,如色素红101和色素棕6,被美国食品和药物管理局批准用于化妆品。氧化铁和二氧化钛一起被用作牙科复合材料的颜料。

赤铁矿是瑞典法鲁红颜料的特征成分。

5.4 磁记录

氧化铁是所有类型的磁存储和记录介质中最常见的磁性粒子,包括磁盘(用于数据存储)和磁带(用于音频和视频记录以及数据存储)。钴合金取代了它在计算机磁盘中的应用,使得磁性薄膜更薄,存储密度更高。

5.5 光催化

α-Fe2O3被研究用于太阳能水氧化的光点阳极。激发的电荷载体扩散长度很短(2-4纳米) 随后又迅速重组,因此它的效率受到限制,需要超电势来驱动反应进行。 目前研究的重点是通过纳米结构、表面功能化、 或采用β-Fe2O3等交替晶像改善Fe2O3的水氧化性能。

5.6 医学

氧化锌与约0.5%氧化铁(ⅲ)的混合物被称为炉甘石,它是炉甘石洗剂的活性成分。

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