Оксиди заліза: властивості, реакції, застосування, користь та шкода

Оксид заліза – це неорганічне з'єднання заліза і кисню. У природі з різною частотою зустрічаються близько 16 видів оксидів. промисловість, де вони використовуються для виготовлення спеціальних електродів, бойових снарядів, при виплавці чавуну. У промисловій хімії залізні оксиди застосовуються при виробництві фарб, як каталізатори деяких реакцій.

Що таке оксид заліза, різновиду (оксид заліза II, оксид заліза III), формули

Оксид заліза - це складна речовина, що складається з заліза у зв'язку з киснем. Залізо має змінну валентність: буває II і III ступінь. оксиди:

• оксид заліза II (закис заліза) - FeO, метал має валентність II;



• оксид заліза III (окис заліза) – Fe₂O₃, залізо має валентність ІІІ.



• оксид заліза II та III (залізна окалина) – Fe₃O₄ або FeO ∙ Fe₂O₃, це комплексне з'єднання, подвійний оксид.

Всі різновиди зустрічаються у природі у вигляді мінералів. Закис заліза представлений вюститом.Цей мінерал характеризується нестачею атомів заліза, зовнішній вигляд – непрозорі кристалічні скоринки чорного, сірого кольору, іноді коричневого. Має металевий блиск, твердий, при цьому тендітний, твердість за шкалою Мооса - 5, відрізняється високою щільністю.

Оксид заліза III (окис заліза) структурна формула та молекула

Вюстит зустрічається рідко, переважно у метеоритах, антропогенних шлаках, дні глибоководних солоних озер, в алмазах як включень. Виступає продуктом перетворень інших залізовмісних мінералів. Основні родовища Росії – Челябінська область, Красноярський край, Приморський край.

Окис заліза дуже поширений у природі, знаходиться у формі мінералу гематиту. Він є товстими кристалами таблитчатой ​​або пластинчастої форми чорно-червоного кольору. Злам раковистий, забарвлення на зламі коричнева чи вишнева. Непрозорий, із яскравим металевим блиском. Щільність і твердість висока, значення за Моосом – 5 – 5,5. Часто зустрічається у вигляді зрощених кристалів у формі троянди, лусочок.

Гематит – це важливий у промисловому відношенні мінерал, його скупчення – залізняк. Зустрічається поруч із кварцовими відкладеннями, хлоритами, баритами. Досить частина утворює поклади. Багато родовищ на території України (Кривбас), у Росії – у Карелії, на Уралі. Як включення присутній в осадових та гірських породах. У Європі є поклади у Швейцарії (Альпи), зустрічається й у Австралії, Бразилії.

Залізна окалина в природних умовах виявляється як магнетит. Цей мінерал зовні виглядає як непрозорі октаедричні кристали чорного кольору з металевим блиском та синім відливом. На зламі нерівні з чорною межею, грані вкриті штрихуванням.Висока щільність - 5,1 г/см 3 при твердості в 5-6 за шкалою Моосу. Є напівпровідником з низькою електропровідністю, має сильні магнітні властивості.

Магнетит це цінний матеріал для видобутку оксиду заліза. За хімічним складом на 72% складається із чистого заліза, зустрічається практично 70% вміст оксиду заліза III та 31% вміст закису заліза. Також містить близько 27% кисню. Домішки представлені переважно магнієм, алюмінієм, хромом, марганцем. Забрудненість варіює, залежить від умов освіти та температури навколишнього середовища, найчастіше вона невелика.

Магнетит широко поширений в Росії на всій території Уралу, в Центральному та Західному Сибіру, ​​у Забайкайлі, Далекому Сході та Якутії. Зустрічається у Казахстані, Узбекистані, Білорусі. У магматичних гірських породах мінерал представлений у вигляді вкраплень, його можна знайти в гідротермальних джерелах, що утворює широкі поклади залізних руд.

Фізичні властивості оксидів заліза

Оксид заліза II за нормальних умов має вигляд чорних дрібних кристалів з високою насипною щільністю. Характеризується нестачею атомів заліза, оскільки лише за такої умови кристалічна решітка речовини залишається стабільною. Стійкість підвищується під час підігрівання. Не має смаку та запаху. Температура плавлення – 1377 °С, термічне розкладання починається за температурного режиму 700-800 °С.

Оксид заліза III - Це дрібнодисперсний порошок червоного кольору, високощільний. Плавиться при 1566 ° С, не схильний до термічного розкладання. Має виражені магнітні властивості. Характерна відсутність смаку та запаху. Стійкий до дії органічних кислот та світла.

Залізна окалина представлена ​​чорними кристалами, що утворюють щільний порошок. Температура плавлення становить 1590 °С. Виявляє виражений магнетизм та електропровідність. Речовина не розчиняється у воді, але здатна з'єднуватися з нею, формуючи кристалогідрат з формулою FeO ∙ Fe₂O₃ ∙ 2H₂O. Без смаку, запах відсутній. Витримує дію органічних кислот, несвітлочутливий.

Реакції з оксидами заліза, взаємодії та хімічні властивості

Закис заліза виявляє основні властивості за рахунок металу. Це типовий представник основних оксидів, тому він взаємодіє із сполуками, що мають протилежні властивості – кислотними оксидами:

Вступаючи в реакцію кислотними оксидами, основний оксид дає сіль відповідного металу (наприклад, сульфат заліза). Оксид заліза II реагує з кислотами, соляною кислотою, утворюючи при взаємодії розчинну сіль та воду:

У зв'язку з низькою стабільністю двовалентний закис заліза легко окислюється до тривалентного стану. Це відбувається при взаємодії з концентрованими кислотами, у тому числі при реакції з азотною кислотою:

При цьому утворюється нітрат заліза III, вода та бурий газ. У ході реакції з розведеними кислотами відбувається зміна валентності та ступеня окиснення металу, але змінюється склад побічних продуктів:

Незважаючи на основний характер, оксид заліза II може виявляти слабкі окисні властивості при нагріванні, при цьому виділяється чисте залізо:

Окис заліза є амфотерним з'єднанням, тобто. виявляє як основні, і кислотні властивості залежно від ситуації. Такі речовини здатні реагувати з кислотами та основами. Тому оксид заліза III взаємодіє з кислотами, реакція:

При цьому окис заліза може вступати в реакцію з лугами при інтенсивному нагріванні.

При взаємодії з сильними окислювачами залізо у складі окису може окислюватися до ступеня окислення +6.

При забезпеченні лужного середовища навіть солі азотної та азотистої кислот можуть вступати у взаємодію та окислити оксид заліза III:

Оксид заліза III взаємодіє і з відновниками, при реакції метал випадає в осад і утворюється гідроксид:

Окис заліза виявляє окислювальні властивості в реакціях з менш активними окислювачами, наприклад, при взаємодії з чадним газом:

Реакція може йти іншим шляхом з утворенням оксиду заліза II:

У ході взаємодії можливе виділення залізної окалини:

Серед простих речовин окис заліза може вступати в реакції з самим залізом:

Можлива взаємодія з активнішими металами, реакція з алюмінієм:

При сплавленні з леткими оксидами можливе витіснення їх із солей при сплавленні, залізо займає їхнє місце:

Хімічні властивості залізної окалини обумовлені сукупністю властивостей оксиду заліза II та оксиду заліза III, які характеризуються основністю та амфотерністю.

Залізна окалина вступає у взаємодії з концентрованою сірчаною та азотною кислотами, при цьому відбувається реакція окислення заліза до відповідної солі:

Оксид заліза II, III може окислюватися при взаємодії з киснем до оксиду заліза III:

Залізна окалина піддається відновленню воднем до чистого заліза та води, реакція:

Оксид заліза II,III здатний взаємодіяти з найсильнішими відновниками. Такими як йодиди. У результаті реакції утворюється молекулярний йод, який виділяється як пари, вода, і навіть йодид заліза II.

Речовина виявляє окислювальні властивості в реакціях з чадним газом при нагріванні:

Виробництво та отримання

Закис заліза в лабораторії та промисловості одержують за допомогою відновлення окису заліза при взаємодії з воднем, чадним газом або залізом за умови значного підвищення температур (близько 600°С):

Можливе одержання оксиду заліза II шляхом термічного розкладання гідроксиду заліза при нагріванні до 200 °С без доступу повітря:

При розкладанні карбонату заліза як продукт виділяється оксид заліза II:

У промисловості використовують масові методики виробництва, вихід у яких значно вищий, а умови протікання реакцій не такі жорсткі. Так, оксид заліза II виробляють із неорганічної солі сульфату амонію-заліза – FeSO₄ ∙ (NH₄)₂SO₄ ∙ 6H₂O (сіль Мора). Процес триває кілька етапів:

1. Синтезують сульфат амонію-заліза. Для цього в реакторі розігрівають концентрований розчин сульфату заліза II, повільно вносять туди щавлеву кислоту.



2. Оксалат заліза, що утворився, відфільтровують і промивають для очищення від сульфат-іону, потім висушують при 100-110 °С.



3. Порошок оксалату заліза прожарюють при 500-600 ° С, утворюється закис заліза.

Окис заліза добувають із солей та їх кристалогідратів, в яких метал має валентність III, наприклад, сульфатів і нітратів:

Оксид заліза III видобувають ще зневодненням амфотерних гідроксидів під час прожарювання.Так, розігрівають метагідроксід заліза, що є продуктом атмосферної корозії заліза (іржа):

Можливий синтез сполуки при реакції окислення закису заліза киснем:

Термічне розкладання гідроксиду заліза, в якому метал має валентність III, призводить до утворення окису заліза:

Оксид заліза III у промисловості отримують різними способами, які відрізняються один від одного набором реактивів, різною кількістю стадій та витрат часу. Для цього використовують як природний мінерал, так і чисті синтетичні речовини. Поширена методика видобутку речовини з карбонату заліза:

1. Карбонат заліза синтезують за допомогою повільного внесення сульфату заліза до суміші амонію карбонатів при постійному перемішуванні. Утворюється осад вугільної солі залози, маточний розчин зливається.



2. Порошок карбонату заліза направляють у промивні ванни, де виполіскують розчинні домішки. Потім просушують.



3. Кристали надходять у піч, де за нормальної температури порядку 550-600 °З проводять окислення повітря, у результаті виділяється окис заліза.

Створюються більш досконалі способи, які відрізняються здешевленням процесу за одночасної економії часу та вихідної сировини. Один із таких методів – видобуток оксиду заліза III із закису заліза при додаванні нітрату натрію та лугу. Як гідроксид використовують їдкий натр, який забезпечує лужну реакцію середовища, підвищення показника pH. У результаті взаємодії оксиду заліза II з нітритом натрію утворюється нерозчинний осад окису заліза, який промивають від домішок, висушують і подрібнюють.

Залізна окалина може бути отримана за допомогою згоряння заліза в кисні при температурному режимі, що досягає 150-600 °С:

При дії гарячої пари на порошок заліза утворюється з'єднання оксидів заліза ІІ та ІІІ. Температура пари досягає 800 °С:

Можливий видобуток залізної окалини при повільному відновленні оксиду заліза III молекулярним воднем або чадним газом:

Ці ж реакції є основою для одержання закису-окису заліза у промисловості.

Корисні властивості

Оксиди заліза, які людина споживає у складі продуктів харчування, мало засвоюється. Це пов'язано з їх нерозчинністю та стійкістю до дії кислотного та лужного середовища. У зв'язку з тим, що харчова добавка Е172 не розщеплюється і не всмоктується у шлунково-кишковому тракті, вона не впливає на концентрацію заліза у плазмі крові та не приносить організму ні шкоди, ні користі.

Корисні властивості окису, закису заліза чи залізної окалини зумовлені активним використанням цих речовин у виробничу сферу. Вони є необхідними компонентами багатьох промислових процесів та незамінними реактивами.

Шкода

Оксид заліза II не токсичний і викликає подразнення, потрапляючи на слизові оболонки чи шкіру. Однак тривале вдихання оксидного пилу або інших аерозолів (диму) призводить до осадження закису в легень, що спричинить утруднене і недостатнє дихання. При цьому розвивається запальне захворювання – сидероз, що характеризується розростанням сполучної тканини у легких та втратою еластичності альвеол.

Оксид заліза III та залізна окалина не надають гострої токсичної дії на організм. Однак у високих концентраціях вони можуть пошкоджувати шкіру, викликаючи подразнення, свербіж та біль. Вдихання провокує розвиток пневмоконіозу.

Застосування

Оксиди заліза використовують у багатьох сферах діяльності.Основна сфера застосування - різні галузі промисловості, насамперед хімічна, нафтохімічна, важка, а також харчова. Цінуються фарбувальні властивості речовини, різноманітність забарвлень буває від чорної до помаранчевої та червоної. При цьому добавка нешкідлива для людини, не має смаку та запаху.

Застосування оксидів заліза у харчовій промисловості

Харчова добавка оксиди заліза у харчовій промисловості позначаються загальним кодом Е172. Для різновидів існують маркування:

• Е171(i) – оксид заліза II, III (залізна окалина);



• Е171 (ii) - оксид заліза III (окис заліза);



• Е171 (iii) - оксид заліза II (закис заліза).

Усі вони надають різного забарвлення харчовим продуктам. Харчова добавка Е171(i) надає чорний, темно-коричневий колір, харчова добавка Е171(ii) переважно червоний, харчова добавка Е171(iii) - помаранчевий, жовтий, коричневий. Завдяки тому, що з'єднання не має смаку, запаху, не впливає на організм і не вступає у взаємодію з органічними речовинами їжі, воно знайшло широке застосування у сфері виробництва продукції. Оксиди заліза можна знайти у складі таких товарів, як:

• м'ясний та рибний паштет;



• фруктова та овочева консервація;



• шоколад та какао-вмісні вироби;



• готові суміші для випікання;



• цукерки, драже та льодяникова карамель;



• штучна чорна та червона ікра;



• корм для тварин.

Встановлено гранично допустиму добову дозу вживання харчової добавки Е172 – 0,5 мг/кг ваги людини. Досягти передозування дуже складно, т.к. у продуктах харчування її дуже мало.

Застосування оксидів заліза у важкій та інших видах промисловості

Закис заліза необхідний для виплавки чавуну із залізорудної сировини у спеціалізованих доменних печах.Він виступає у ролі каталізатора реакції формування рідкого чавуну.

Оксид заліза II використовують під час виробництва цегли. Він надає їм червоного кольору після випалу. Аналогічну функцію з'єднання виконує при випуску керамічних і мінеральних фарб колірного діапазону від помаранчевого до яскраво-червоного.

Освіта оксидної плівки закису заліза на сталі – основа нанесення на неї кольорових малюнків. Різна товщина шару оксиду заліза II дає різні кольори, що дозволяє досягти унікального зображення.

Окис заліза необхідний для чавунного та керамічного виробництва. Вона є важливим компонентом залізного терміту, який потрібен для міцного зварювання сталевих конструкцій. Цей порошок не вибухонебезпечний, проте виділяє велику кількість тепла при займанні, що дозволяє розігріти поверхні, що зшиваються до 2700 °С.

Нанокристали оксиду заліза III можуть виступати як носій інформації, наприклад, магнітних стрічок. Порошковий кристалічний окис полірує та зачищає такі поверхні, як скло та сталь.

Окис заліза застосовується для виробництва ракетного та бойового карамельного палива з високою швидкістю згоряння. Вона може бути використана для імпровізованих ракетних снарядів, що характеризується високою гігроскопічністю та малою токсичністю.

Оксид заліза III використовується в нафтохімії як каталізатор реакції дегідрування речовин, що містять подвійні зв'язки (дієни). Дегідрування передбачає видалення, відщеплення водню. Дієнові полімери є важливими каучукоподібними сполуками.

Окис-закис заліза використовується для електродів, т.к. має електропровідність, а також як чорний барвник у різних виробничих процесах.Важливою є медична сторона застосування, т.к. нанокристалічний порошок, що проявляє магнітну активність, є складовою апаратів МРТ.

Тип харчової добавки, клас небезпеки та токсичності, зберігання

Харчова добавка Е172 відноситься до типу барвників синтетичного походження. Належить до 3 класу небезпеки – помірно небезпечні речовини, що вимагає дотримання заходів безпеки при зверненні, носіння захисного одягу, особливо респіратора. Не виявляє гострої токсичності, проте може завдати шкоди здоров'ю при систематичному вдиханні аерозолів.

Зберігати оксиди заліза необхідно окремо від харчових продуктів та посуду, в оригінальній щільно закритій упаковці при відносній вологості не більше 70%, у сухому приміщенні, що вентилюється. Рекомендований температурний режим від +15 до +25 °С. Термін придатності за дотримання умов зберігання не обмежений.

Де купити і скільки коштує

Оксиди заліза продаються заводами-виробниками, як зарубіжними, і вітчизняними. Вартість 1 кг від 111 рублів, мінімальний обсяг закупівлі, зазвичай, становить щонайменше 25 кг. Найменші обсяги можна придбати в магазинах хімічних реактивів, ємності від 1 кг коштують близько 400 рублів.

Висновок

Оксиди заліза – це неорганічні речовини, які широко використовують у багатьох сферах. Вони є незамінною сировиною для виплавки чавуну, якісними каталізаторами реакцій, електропровідниками та джерелами магнетизму. Особливе забарвлення дозволяє застосовувати їх як пігменти для надання жовтого, червоного, помаранчевого та чорного кольорів продуктам харчування. Вони нетоксичні і, як вважають вчені, не шкодять організму. Однак вдихання аерозольних оксидів заліза на виробництві спричиняє запальні захворювання легень. Незважаючи на вміст заліза, ці оксиди не засвоюються та не впливають на концентрацію мікроелемента у плазмі крові.