Оксид железа(II,III)

Окси́д желе́за(II,III), за́кись-о́кись железа, желе́зная ока́лина — неорганическое соединение, двойной оксид металла железа с формулой ${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}$${\ce {Fe3O4}}$ или $\text{FeO}\cdot <!--\; \cdot \; -->{\text{Fe}}_2^{}{\text{O}}_3^{}$${\ce {FeO.Fe2O3}}$, чёрные кристаллы, не растворимые в воде, существует кристаллогидрат.

Оксид железа​(II,III)​
Общие
Систематическое наименование	Оксид железа​(II,III)​
Традиционные названия	закись-окись железа, железная окалина, магнетит, магнитный железняк
Хим. формула	${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}$${\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

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

Нахождение в природеПравить

В природе встречаются большие залежи минерала магнетита (магнитного железняка) — ${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}$${\ce {Fe3O4}}$  с различными примесями.

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

ПолучениеПравить

Сжигание порошкообразного железа на воздухе:

$3\text{Fe}+2{\text{O}}_2^{}\stackrel{150-<!--\; -\; -->{600}^{o}C}{\to }{\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}$${\ce {3 Fe + 2 O2 ->[150-600^oC] Fe3O4}}$ .

Действие перегретого пара на железо:

$3\text{Fe}+4{\text{H}}_2^{}\text{O}\stackrel{{800}^{o}C}{\to }{\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+4{\text{H}}_2^{}$${\ce {3 Fe + 4 H2O ->[800^oC] Fe3O4 + 4 H2}}$ .

Осторожное восстановление оксида железа(III) водородом:

$3{\text{Fe}}_2^{}{\text{O}}_3^{}+{\text{H}}_2^{}\stackrel{{400}^{o}C}{\to }2{\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {3 Fe2O3 + H2 ->[400^oC] 2 Fe3O4 + H2O}}$ .

Восстановление оксидом углерода (II):

$\text{CO}+3{\text{Fe}}_2^{}{\text{O}}_3^{}⟶<!--\; ⟶\; -->2{\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+{\text{CO}}_2^{}$${\ce {CO + 3Fe2O3->2Fe3O4 + CO2}}$ 

Физические свойстваПравить

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).

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—125 К). 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.

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

Образует кристаллогидрат состава ${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}\cdot <!--\; \cdot \; -->2{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {Fe3O4.2H2O}}$ .

Химические свойстваПравить

Разлагается при нагревании:

$2{\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}\stackrel{{1538}^{o}C}{\to }6\text{FeO}+{\text{O}}_2^{}$${\ce {2 Fe3O4 ->[1538^oC] 6 FeO + O2}}$ .

Реагирует с разбавленными кислотами:

${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+8\text{HCl}⟶<!--\; ⟶\; -->{\text{FeCl}}_2^{}+2{\text{FeCl}}_3^{}+4{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {Fe3O4 + 8 HCl -> FeCl2 + 2 FeCl3 + 4 H2O}}$ .

Реагирует с концентрированными окисляющими кислотами:

${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+10{\text{HNO}}_3^{}⟶<!--\; ⟶\; -->3\text{Fe}{({\text{NO}}_3^{})}_3^{}+{\text{NO}}_2^{}\uparrow <!--\; \uparrow \; -->+5{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {Fe3O4 + 10 HNO3 -> 3 Fe(NO3)3 + NO2 ^ + 5 H2O}}$ 

Реагирует с щелочами при сплавлении:

${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+14\text{NaOH}\stackrel{400-<!--\; -\; -->{500}^{o}C}{\to }{\text{Na}}_4^{}{\text{FeO}}_3^{}+2{\text{Na}}_5^{}{\text{FeO}}_4^{}+7{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {Fe3O4 + 14 NaOH ->[400-500^oC] Na4FeO3 + 2 Na5FeO4 + 7 H2O}}$ .

Окисляется кислородом воздуха:

$4{\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+{\text{O}}_2^{}\stackrel{450-<!--\; -\; -->{600}^{o}C}{\to }6{\text{Fe}}_2^{}{\text{O}}_3^{}$${\ce {4 Fe3O4 + O2 ->[450-600^oC] 6 Fe2O3}}$ .

Восстанавливается водородом и монооксидом углерода:

${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+4{\text{H}}_2^{}\stackrel{{1000}^{o}C}{\to }3\text{Fe}+4{\text{H}}_2^{}\text{O}$${\ce {Fe3O4 + 4 H2 ->[1000^oC] 3 Fe + 4 H2O}}$ ,

${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+4\text{CO}\stackrel{{700}^{o}C}{\to }3\text{Fe}+4{\text{CO}}_2^{}$${\ce {Fe3O4 + 4 CO ->[700^oC] 3 Fe + 4 CO2}}$ .

Конпропорционирует при спекании с металлическим железом:

${\text{Fe}}_3^{}{\text{O}}_4^{}+\text{Fe}\stackrel{900-<!--\; -\; -->{1000}^{o}C}{\to }4\text{FeO}$${\ce {Fe3O4 + Fe ->[900-1000^oC] 4 FeO}}$ .

ПрименениеПравить

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

ЛитератураПравить

• 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.