TLENEK ŻELAZA: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, NAZEWNICTWO, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Tlenek żelaza jest każdy ze związków utworzonych pomiędzy żelaza i tlenu. Charakteryzują się jonowością i krystalicznością, a leżą w rozproszeniu w wyniku erozji ich minerałów, tworzących gleby, masę roślinną, a nawet wnętrze organizmów żywych.

Jest to zatem jedna z rodzin związków dominujących w skorupie ziemskiej. Czym one właściwie są? Do chwili obecnej znanych jest szesnaście tlenków żelaza, w większości pochodzenia naturalnego, a inne syntetyzowane w ekstremalnych warunkach ciśnienia lub temperatury.

Źródło: piąte siódme, Flickr.

Na powyższym obrazku pokazano część sproszkowanego tlenku żelaza. Jego charakterystyczny czerwony kolor pokrywa żelazo różnych elementów architektonicznych w tak zwanej rdzy. Podobnie obserwuje się go na zboczach, w górach lub w glebach, zmieszanych z wieloma innymi minerałami, takimi jak żółty proszek z getytu (α-FeOOH).

Najbardziej znanymi tlenkami żelaza są hematyt (α-Fe ₂ O ₃ ) i maghemit (ϒ-Fe ₂ O ₃ ), oba polimorfy tlenku żelaza; i co nie mniej ważne, magnetyt (Fe ₃ O ₄ ). Ich polimorficzna struktura i duża powierzchnia sprawiają, że są one interesującymi materiałami jako sorbenty lub do syntezy nanocząstek o szerokich zastosowaniach.

Struktura

Źródło: Siyavula Education, Flickr.

Górny obraz przedstawia strukturę krystaliczną FeO, jednego z tlenków żelaza, w którym żelazo ma wartościowość +2. Kulki czerwone odpowiadają anionom O ² , a żółte kationom Fe ²⁺ . Należy również zauważyć, że każde Fe ²⁺ jest otoczone przez sześć O ^2- , tworząc ośmiościenną jednostkę koordynacji.

Dlatego strukturę FeO można „rozbić” na jednostki FeO ₆ , gdzie centralnym atomem jest Fe ²⁺ . W przypadku oksywodorotlenków lub wodorotlenków jednostką oktaedryczną jest FeO ₃ (OH) ₃ .

W niektórych strukturach zamiast ośmiościanu znajdują się jednostki czworościenne, FeO ₄ . Z tego powodu struktury tlenków żelaza są zwykle reprezentowane przez ośmiościany lub tetraedry z centrami żelaza.

Struktury tlenków żelaza zależą od warunków ciśnienia lub temperatury, od stosunku Fe / O (czyli od ilości tlenu w żelazie i odwrotnie) oraz od wartościowości żelaza (+2, +3 i bardzo rzadko w tlenkach syntetycznych, +4).

Ogólnie rzecz biorąc, masywne aniony O ^2- ustawiają się w jednej linii, tworząc arkusze, w których puste przestrzenie zawierają kationy Fe ²⁺ lub Fe ³⁺ . Tak więc istnieją tlenki (takie jak magnetyt), które zawierają żelazo o obu wartościowościach.

Wielopostaciowość

Tlenki żelaza wykazują polimorfizm, czyli różne struktury lub układy kryształów tego samego związku. Tlenek żelaza, Fe ₂ O ₃ , ma do czterech możliwych polimorfów. Hematyt, α-Fe ₂ O ₃ , jest najbardziej stabilny ze wszystkich; następnie maghemit, ϒ- Fe ₂ O ₃ i syntetyczne β- Fe ₂ O ₃ i ε- Fe ₂ O ₃ .

Wszystkie mają własne typy struktur i układów kryształów. Jednakże, 2: 3, stosunek pozostaje stały, to istnieją trzy O ^2- aniony dla każdych dwóch Fe ³⁺ kationów . Różnica polega na tym, jak jednostki ośmiościenne FeO ₆ są rozmieszczone w przestrzeni i jak są one przymocowane.

Powiązania strukturalne

Źródło: pliki domeny publicznej

W oktaedryczne jednostki FeO ₆ można przedstawić za pomocą powyższego obrazu. W rogach ośmiościanu znajdują się O ^2- , zaś w jego centrum Fe ²⁺ lub Fe ³⁺ (w przypadku Fe ₂ O ₃ ). Sposób, w jaki te ośmiościany są rozmieszczone w przestrzeni, ujawnia strukturę tlenku.

Jednak wpływają również na sposób, w jaki są ze sobą powiązani. Na przykład dwa ośmiościany można połączyć, dotykając dwóch ich wierzchołków, co jest reprezentowane przez mostek tlenowy: Fe-O-Fe. Podobnie ośmiościany można łączyć poprzez ich krawędzie (sąsiadujące ze sobą). Byłby wówczas przedstawiony za pomocą dwóch mostków tlenowych: Fe- (O) ₂ -Fe.

I wreszcie ośmiościany mogą wchodzić w interakcje poprzez twarze. Tak więc reprezentacja byłaby teraz z trzema mostkami tlenowymi: Fe- (O) ₃ -Fe. Sposób, w jaki oktaedry są połączone, zmieniałby odległości międzyjądrowe Fe-Fe, a tym samym fizyczne właściwości tlenku.

Nieruchomości

Tlenek żelaza to związek o właściwościach magnetycznych. Mogą one być anty, ferro lub ferrimagnetyczne i zależą od wartościowości Fe i tego, jak kationy oddziałują w ciele stałym.

Ponieważ struktury ciał stałych są bardzo zróżnicowane, tak samo jak ich właściwości fizyczne i chemiczne.

Na przykład polimorfy i hydraty Fe ₂ O ₃ mają różne wartości temperatur topnienia (w zakresie między 1200 a 1600ºC) i gęstości. Jednak ich wspólną cechą jest niska rozpuszczalność z powodu Fe ³⁺ , tej samej masy cząsteczkowej, są koloru brązowego i słabo rozpuszczają się w roztworach kwasów.

Nomenklatura

IUPAC ustanawia trzy sposoby na nazwanie tlenku żelaza. Wszystkie trzy są bardzo przydatne, chociaż w przypadku złożonych tlenków (takich jak Fe ₇ O ₉ ) systematyka rządzi innymi ze względu na ich prostotę.

Nomenklatura systematyczna

Liczby tlenu i żelaza są brane pod uwagę, nazywając je greckimi przedrostkami numeracyjnymi mono-, di-, tri- itp. Zgodnie z tą nomenklaturą, Fe ₂ O ₃ nazywa się: trój tlenek di żelaza. A dla Fe ₇ O ₉ jego nazwa brzmiałaby: hepta-żelazo nonautlenek.

Nazewnictwo zapasów

Dotyczy to wartościowości żelaza. Jeśli jest to Fe ²⁺ , jest napisane tlenek żelaza …, a jego wartościowość cyframi rzymskimi ujęto w nawiasach. Nazwa Fe ₂ O ₃ to: tlenek żelaza (III).

Zauważ, że Fe ³⁺ można określić za pomocą sum algebraicznych. Jeśli O ^2- ma dwa ładunki ujemne, a jest ich trzy, sumują się do -6. Aby zneutralizować to -6, +6 jest wymagane, ale są dwa Fe, więc należy je podzielić przez dwa, + 6/2 = +3:

2X (wartościowość metalu) + 3 (-2) = 0

Po prostu rozwiązując X, uzyskuje się wartościowość Fe w tlenku. Ale jeśli X nie jest liczbą całkowitą (jak ma to miejsce w przypadku prawie wszystkich innych tlenków), to istnieje mieszanina Fe ²⁺ i Fe ³⁺ .

Tradycyjna nomenklatura

Przyrostek –ico jest nadawany przedrostkowi ferr-, gdy Fe ma wartościowość +3, a –oso, gdy jego wartościowość wynosi 2+. Tak więc Fe ₂ O ₃ nazywa się: tlenkiem żelaza.

Aplikacje

Nanocząsteczki

Tlenki żelaza mają wspólną wysoką energię krystalizacji, co umożliwia tworzenie bardzo małych kryształów, ale o dużej powierzchni.

Z tego powodu cieszą się dużym zainteresowaniem w dziedzinach nanotechnologii, gdzie projektują i syntetyzują nanocząstki tlenkowe (NP) do określonych celów:

-Jako katalizatory.

-Jako rezerwuar leków lub genów w organizmie

-W projektowaniu powierzchni sensorycznych dla różnych typów biocząsteczek: białek, cukrów, tłuszczów

-Aby przechowywać dane magnetyczne

Pigmenty

Ponieważ niektóre tlenki są bardzo stabilne, można je stosować do barwienia tekstyliów lub nadawania jasnych kolorów powierzchniom dowolnego materiału. Z mozaik na podłogach; farby czerwone, żółte i pomarańczowe (nawet zielone); ceramika, tworzywa sztuczne, skóra, a nawet dzieła architektoniczne.

Bibliografia

1. Powiernicy Dartmouth College. (18 marca 2004). Stechiometria tlenków żelaza. Zaczerpnięte z: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo i in. (8 września 2016). Odkrycie Fe ₇ O ₉ : nowego tlenku żelaza o złożonej strukturze jednoskośnej. Odzyskany z: nature.com
3. M. Cornell, U. Schwertmann. Tlenki żelaza: struktura, właściwości, reakcje, występowanie i zastosowania. . WILEY-VCH. Zaczerpnięte z: epsc511.wustl.edu
4. Alice Bu. (2018). Nanocząsteczki tlenku żelaza, właściwości i zastosowania. Zaczerpnięte z: sigmaaldrich.com
5. Ali, A., Zafar, H., Zia, M., ul Haq, I., Phull, AR, Ali, JS i Hussain, A. (2016). Synteza, charakterystyka, zastosowania i wyzwania nanocząstek tlenku żelaza. Nanotechnology, Science and Applications, 9, 49–67. http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
6. Pigmenty Golchha. (2009). Tlenki żelaza: zastosowania. Zaczerpnięte z: golchhapigments.com
7. Preparat chemiczny. (2018). Tlenek żelaza (II). Zaczerpnięte z: formulacionquimica.com
8. Wikipedia. (2018). Tlenek żelaza (III). Zaczerpnięte z: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_oxide