JÄRNOXID: STRUKTUR, EGENSKAPER, NOMENKLATUR, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2026

En järnoxid är någon av föreningarna som bildas mellan järn och syre. De kännetecknas av att de är joniska och kristallina, och de ligger spridda som ett resultat av erosionen av deras mineraler, komponerar marken, den vegetala massan och till och med det inre av levande organismer.

Det är då en av familjerna av föreningar som dominerar i jordskorpan. Vad är de exakt? Sexton järnoxider är hittills kända, de flesta av naturligt ursprung och andra syntetiserade under extrema förhållanden med tryck eller temperatur.

Källa: fem sjunde, Flickr.

En del av pulveriserad järnoxid visas på bilden ovan. Den karakteristiska röda färgen täcker järnet från olika arkitektoniska element i det som kallas rost. Likaså observeras det i sluttningarna, bergen eller marken, blandat med många andra mineraler, såsom det gula pulvret av goetit (α-FeOOH).

De bäst kända järnoxider är hematit (α-Fe ₂ O ₃ ) och maghemit (Υ- Fe ₂ O ₃ ), båda polymorfer av ferrioxid; och inte minst, magnetit (Fe ₃ O ₄ ). Deras polymorfa strukturer och deras stora ytarea gör dem till intressanta material som sorbenter eller för syntes av nanopartiklar med breda tillämpningar.

Strukturera

Källa: Siyavula Education, Flickr.

Den övre bilden är en representation av FeO, kristallstrukturen, en av järnoxiderna där järn har en valens på +2. De röda sfärerna motsvarar O ^2- anjonerna , medan de gula till Fe 2 ⁺ -katjonerna . Observera också att varje Fe ²⁺ är omgiven av sex O ^2- och bildar en oktaedrisk koordinationsenhet.

Därför kan FeO-strukturen "brytas ned" i enheter av FeO ₆ , där den centrala atomen är Fe ²⁺ . När det gäller oxyhydroxider eller hydroxider är den oktaedriska enheten FeO ₃ (OH) ₃ .

I vissa strukturer, i stället för oktaeder, finns det tetraedriska enheter, FeO ₄ . Av denna anledning representeras strukturerna av järnoxider vanligen av oktaedra eller tetraedra med järncentra.

Strukturerna för järnoxider beror på förhållandena för tryck eller temperatur, på Fe / O-förhållandet (det vill säga hur många oxygner som finns per järn och vice versa), och på valens för järn (+2, +3 och, mycket sällan i syntetiska oxider, +4).

I allmänhet passar de skrymmande O ^2- anjonerna upp och bildar ark vars hålrum innehåller Fe2 ⁺ eller Fe 3 ⁺ -katjonerna . Således finns det oxider (såsom magnetit) som har strykjärn med båda valenser.

polymorfism

Järnoxider uppvisar polymorfism, det vill säga olika strukturer eller kristallarrangemang för samma förening. Järnoxid Fe ₂ O ₃ , har upp till fyra möjliga polymorfer. Hematit, α-Fe ₂ O ₃ , är den mest stabila av alla; följt av maghemit, Υ- Fe ₂ O ₃ , och genom syntetiska β- Fe ₂ O ₃ och ε- Fe ₂ O ₃ .

De har alla sina egna typer av kristallstrukturer och -system. Förhållandet 2: 3 förblir emellertid konstant, så det finns tre O ^2- anjoner för varje två Fe 3 ⁺ -katjoner . Skillnaden ligger i hur FeO ₆ octahedralenheterna är belägna i rymden och hur de är fästa.

Strukturella länkar

Källa: Public Domain Files

Oktahedralenheterna FeO ₆ kan visualiseras med hjälp av bilden ovan. I hörnen av oktaedronen är O ^2- medan i centrum Fe ²⁺ eller Fe ³⁺ (i fallet med Fe ₂ O ₃ ). Hur dessa oktaedrar är arrangerade i rymden avslöjar oxidens struktur.

Men de påverkar också hur de är kopplade. Till exempel kan två oktaedrar förenas genom att röra vid två av deras vertikaler, som representeras av en syrebro: Fe-O-Fe. På liknande sätt kan oktaedrar förenas genom deras kanter (intill varandra). Den skulle då representeras med två syrebroar: Fe- (O) _2- Fe.

Och slutligen kan oktaedra interagera genom deras ansikten. Således skulle representationen nu vara med tre syrebroar: Fe- (O) _3- Fe. Det sätt på vilket oktaedrarna är kopplade skulle variera Fe-Fe internukleära avstånd och därför de fysiska egenskaperna hos oxiden.

Egenskaper

En järnoxid är en förening med magnetiska egenskaper. Dessa kan vara anti-, ferro- eller ferrimagnetiska och beror på valens hos Fe och hur katjonerna samverkar i det fasta ämnet.

Eftersom fasta strukturer är väldigt varierande, så är deras fysikaliska och kemiska egenskaper också.

Till exempel, de polymorfer och hydrater av Fe ₂ O ₃ ha olika värden på smältpunkter (som sträcker mellan 1200 och 1600ºC) och densiteter. De har emellertid gemensamt den låga lösligheten på grund av Fe ³⁺ , samma molekylmassa, är brunfärgad och upplöses dåligt i syralösningar.

Nomenklatur

IUPAC skapar tre sätt att namnge en järnoxid. Alla tre är mycket användbara, även om komplexa oxider (som Fe ₇ O ₉ ) reglerar systematiken över de andra på grund av deras enkelhet.

Systematisk nomenklatur

Antalet syre och järn beaktas och benämns dem med de grekiska numreringsprefixerna mono-, di-, tri-, etc. Enligt denna nomenklatur, Fe ₂ O ₃ heter: tri oxid av di järn. Och för Fe ₇ O _{9 skulle} dess namn vara: hepta-iron nonaoxide.

Lagernomenklatur

Detta beaktar järnens valens. Om det är Fe ²⁺ , är det skrivet järnoxid … och dess valens med romerska siffror inneslutna inom parentes. För Fe ₂ O ₃ heter det: järnoxid (III).

Observera att Fe ³⁺ kan bestämmas med algebraiska summor. Om O ^2- har två negativa laddningar, och det finns tre av dem, lägger de upp till -6. För att neutralisera detta -6 krävs +6, men det finns två Fe, så de måste delas med två, + 6/2 = +3:

2X (metallvalens) + 3 (-2) = 0

Helt enkelt att lösa för X erhålls valens hos Fe i oxid. Men om X inte är ett heltal (som är fallet med nästan alla andra oxider), finns det en blandning av Fe ²⁺ och Fe ³⁺ .

Traditionell nomenklatur

Suffixet –ico ges till prefixet ferr- när Fe har valens +3, och –oso när dess valens är 2+. Sålunda, Fe ₂ O ₃ heter: ferrioxid.

tillämpningar

Nanopartiklar

Järnoxider har en hög kristallisationsenergi gemensamt, vilket gör det möjligt att skapa mycket små kristaller men med en stor ytarea.

Av denna anledning är de av stort intresse inom områdena nanoteknologi, där de utformar och syntetiserar oxidnanopartiklar (NP) för specifika ändamål:

-Som katalysatorer.

-Som en behållare av läkemedel eller gener i kroppen

-I utformningen av sensoriska ytor för olika typer av biomolekyler: proteiner, sockerarter, fetter

-För att lagra magnetiska data

pigment

Eftersom vissa oxider är mycket stabila, kan de användas för att färga textilier eller ge ljusa färger på ytorna i vilket material som helst. Från mosaikerna på golven; röda, gula och orange (till och med gröna) färger; keramik, plast, läder och till och med arkitektoniska verk.

referenser

1. Trustees of Dartmouth College. (18 mars 2004). Stökiometri av järnoxider. Hämtad från: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo et al. (8 september 2016). Upptäckten av Fe ₇ O ₉ : en ny järnoxid med en komplex monoklinisk struktur. Återställd från: nature.com
3. M. Cornell, U. Schwertmann. Järnoxiderna: struktur, egenskaper, reaktioner, händelser och användning. . Wiley-VCH. Hämtad från: epsc511.wustl.edu
4. Alice Bu. (2018). Nanopartiklar av järnoxid, egenskaper och applikationer. Hämtad från sigmaaldrich.com
5. Ali, A., Zafar, H., Zia, M., ul Haq, I., Phull, AR, Ali, JS, & Hussain, A. (2016). Syntes, karakterisering, tillämpningar och utmaningar av järnoxid-nanopartiklar. Nanoteknologi, vetenskap och tillämpningar, 9, 49–67. http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
6. Golchha Pigment. (2009). Järnoxider: applikationer. Hämtad från: golchhapigments.com
7. Kemisk formulering. (2018). Järn (II) oxid. Hämtad från: formulacionquimica.com
8. Wikipedia. (2018). Järn (III) oxid. Hämtad från: https://sv.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_oxide