เหล็ก(III) ออกไซด์

เหล็ก(III)ออกไซด์หรือเฟอร์ริกออกไซด์เป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่มีสูตรเคมีFe₂O₃พบได้ในธรรมชาติในรูปของแร่เฮมาไทต์ซึ่งแหล่งเหล็กหลักสำหรับอุตสาหกรรมเหล็กกล้า นอกจากนี้ยังรู้จักกันในชื่อออกไซด์สีแดงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ในเม็ดสี
เป็นหนึ่งในสามออกไซด์ หลัก ของเหล็กโดยอีกสองชนิดคือ (II) ออกไซด์ (FeO) ซึ่งหายาก และเหล็ก(II,III) ออกไซด์ ( Fe₃O₄ ) ซึ่งพบได้ตามธรรมชาติในรูปของแร่แมกเนต์
เหล็ก(III)ออกไซด์มักเรียกว่าสนิมเนื่องจากสนิมมีคุณสมบัติหลายอย่างร่วมกันและมีองค์ประกอบที่คล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตาม ในทางเคมี สนิมถือเป็นวัสดุที่ไม่ชัดเจน ซึ่งอธิบายว่าเป็นไฮดรัสเฟอร์ริกออกไซด์[ 10 ]
เฟอร์ริกออกไซด์ถูกกัดกร่อนได้ง่าย แม้แต่โดยกรด อ่อนๆ มันเป็นสารออกซิไดซ์ ที่อ่อนแอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อถูกรีดิวซ์ด้วยอะลูมิเนียมในปฏิกิริยาเทอร์ไมต์
โครงสร้าง
Fe₂O₃สามารถพบได้ในรูปผลึก หลายรูปแบบ ในรูปผลึกหลัก α เหล็กจะมีโครงสร้างการประสานงานแบบทรงแปดเหลี่ยม กล่าวคือ อะตอม Fe แต่ละตัวจะถูกล้อมรอบด้วยลิแกนด์ออกซิเจน 6 ตัวรูป γ เหล็ก บางส่วนจะอยู่บนตำแหน่งทรงสี่เหลี่ยมด้านเท่า โดยมีลิแกนด์ออกซิเจน 4 ตัว
เฟสอัลฟา
α- มีโครงสร้าง แบบ รอมโบฮี ดรั คอรันดัม (α-Al2O3 เป็นรูปแบบที่พบได้บ่อยที่สุด เกิดขึ้นตามธรรมชาติในรูปของแร่เฮมาไทต์ซึ่งเป็นแร่เหล็ก หลักที่ถูกขุดขึ้นมา มีคุณสมบัติเป็น แอนติเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิต่ำกว่า ~260 K ( อุณหภูมิ การเปลี่ยนผ่านของโมริน ) และแสดงคุณสมบัติเฟอร์โรแมกเนติก อ่อนๆ ระหว่าง 260 K ถึงอุณหภูมิเนล 950 K [ 11 ]สามารถเตรียมได้ง่ายโดยใช้ทั้งการสลายตัวด้วยความร้อนและการตกตะกอนในเฟสของเหลว คุณสมบัติทางแม่เหล็กขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ความดัน ขนาดอนุภาค และความเข้มของสนามแม่เหล็ก
เฟสแกมมา
γ-Fe O มี โครงสร้าง ลูกบาศก์เป็นสารกึ่งเสถียรและเปลี่ยนจากเฟสอัลฟาที่อุณหภูมิสูง พบได้ตามธรรมชาติในรูปของแร่แมกเฮ ไมต์ เป็น สาร แม่เหล็กเฟอร์ โรแมกเนติก และนำไปใช้ในเทปบันทึกเสียง[ 12 ]แม้ว่าอนุภาคละเอียดพิเศษที่มีขนาดเล็กกว่า 10 นาโนเมตรจะเป็น สารแม่เหล็กซู เปอร์พาราแมก เนติก ก็ตาม สามารถเตรียมได้โดยการกำจัดน้ำด้วยความร้อนของแกมมาเหล็ก(III) ออกไซด์-ไฮดรอกไซด์ อีกวิธีหนึ่งเกี่ยวข้องกับการออกซิเดชันอย่างระมัดระวังของเหล็ก(II,III) ออกไซด์ (Fe O ) [ 12 ]อนุภาคละเอียดพิเศษสามารถเตรียมได้โดยการสลายตัวด้วยความร้อนของเหล็ก(III) ออกซาเลต
เฟสของแข็งอื่นๆ
มีการระบุหรืออ้างสิทธิ์เฟสอื่นๆ อีกหลายเฟส เฟสเบต้า (β-phase) เป็นลูกบาศก์แบบศูนย์กลางตัว (space group Ia3) เสถียรชั่วคราวและที่อุณหภูมิสูงกว่า500 °C (930 °F)จะเปลี่ยนเป็นเฟสอัลฟา สามารถเตรียมได้โดยการรีดิวซ์เฮมาไทต์ด้วยคาร์บอนการไพโรไลซิสของ สารละลาย เหล็ก(III) คลอไรด์หรือการสลายตัวทางความร้อนของเหล็ก(III)ซัลเฟต[ 13 ]
เฟสเอปซิลอน (ε) เป็นรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน และแสดงคุณสมบัติที่อยู่ระหว่างอัลฟาและแกมมา และอาจมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่เป็นประโยชน์สำหรับการใช้งาน เช่นสื่อบันทึก ความหนาแน่นสูง สำหรับการจัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่[ 14 ]การเตรียมเฟสเอปซิลอนบริสุทธิ์นั้นพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก วัสดุที่มีสัดส่วนของเฟสเอปซิลอนสูงสามารถเตรียมได้โดยการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนของเฟสแกมมา เฟสเอปซิลอนยังไม่เสถียร โดยจะเปลี่ยนเป็นเฟสอัลฟาที่อุณหภูมิระหว่าง500 ถึง 750 °C (930 ถึง 1,380 °F)นอกจากนี้ยังสามารถเตรียมได้โดยการออกซิเดชันของเหล็กในอาร์คไฟฟ้าหรือโดย การตกตะกอน แบบโซลเจลจากเหล็ก(III) ไนเตรตงาน วิจัยได้เปิดเผยเหล็ก(III) ออกไซด์เอปซิลอนในเคลือบ เซรามิกเจี้ยนโบราณของจีนซึ่งอาจให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีการผลิตรูปแบบนั้นในห้องปฏิบัติการ[ 15 ]
นอกจากนี้ ยังมีการอ้างว่าเกิดรูปแบบอสัณฐานที่ความดันสูง[ 5 ]
เฟสของเหลว
คาดว่า Fe O ที่หลอมเหลวจะมีจำนวนการประสานงานใกล้เคียงกับอะตอมออกซิเจน 5 อะตอมรอบอะตอมเหล็กแต่ละอะตอม โดยอิงจากการวัดหยดออกไซด์เหล็กเหลวที่เย็นตัวยิ่งยวดซึ่งมีออกซิเจนขาดไปเล็กน้อย ซึ่งการเย็นตัวยิ่งยวดจะหลีกเลี่ยงความจำเป็นสำหรับความดันออกซิเจนสูงที่จำเป็นเหนือจุดหลอมเหลวเพื่อรักษาสัดส่วนทางเคมี[ 16 ]
ไฮเดรตเหล็ก(III) ออกไซด์
มีไฮเด รตของเหล็ก(III)ออกไซด์อยู่หลายชนิด เมื่อเติมด่างลงในสารละลายของเกลือ Fe(III) ที่ละลายได้ จะเกิดตะกอนสีแดงน้ำตาลคล้ายเจลขึ้น ตะกอนนี้ไม่ใช่Fe OH ) ₃ เป็น · H₂O หรือเขียนว่าFe(O)OH )
ออกไซด์ไฮเดรตของ Fe(III) มีอยู่หลายรูปแบบเช่นกันเลพิโดโครไซต์ สีแดง (γ- Fe(O)OH ) พบอยู่ด้านนอกของรัสติเคิลและโกเอไทต์ สีส้ม (α- Fe(O)OH ) พบอยู่ภายในรัสติเคิล เมื่อFe O ·H O ถูกให้ความร้อน มันจะสูญเสียโมเลกุลน้ำที่เกาะอยู่ การให้ความร้อนต่อไปที่อุณหภูมิ... ที่ 1670 Kจะเปลี่ยนFe₂O₃ ให้ เป็นFe₃O₄ ดำ ( ซึ่งเป็นที่รู้จักกันชื่อแร่แมกเนไทต์
Fe(O)OHละลายได้ในกรด ให้[ Fe(H O) ] 3+ในด่างเข้มข้นFe O ให้[ Fe(OH ) ] 3− [ 12 ]
ปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาที่สำคัญที่สุดคือการรีดิวซ์ด้วยคาร์โบเทอร์มอลซึ่งให้เหล็กที่ใช้ในการผลิตเหล็กกล้า:
- เฟ O + 3 CO → 2 เฟ + 3 CO
ปฏิกิริยารีดอกซ์อีกอย่างหนึ่งคือ ปฏิกิริยาเท อร์ไมต์ที่คายความร้อน อย่างมาก กับอะลูมิเนียม[ 17 ]
- 2 อัล + เฟ O → 2 เฟ + อัล O
กระบวนการนี้ใช้ในการเชื่อมโลหะหนา เช่น รางรถไฟ โดยใช้ภาชนะเซรามิกเป็นช่องทางในการส่งเหล็กหลอมเหลวเข้าไประหว่างรางสองส่วน นอกจากนี้ เทอร์ไมต์ยังใช้ในอาวุธ และการทำประติมากรรมและเครื่องมือเหล็กหล่อขนาดเล็กอีกด้วย
การลดลงบางส่วนด้วยไฮโดรเจนที่ประมาณ400 °Cทำให้เกิดแมกนีไทต์ ซึ่งเป็นวัสดุแม่เหล็กสีดำที่มีทั้ง Fe(III) และ Fe(II) [ 18 ]
- Fe₂O₃ + 2 H₂O
เหล็ก(III)ออกไซด์ไม่ละลายในน้ำ แต่ละลายได้ง่ายในกรดแก่ เช่น กรดไฮโดรคลอริกและกรดซัลฟิวริกนอกจากนี้ยังละลายได้ดีในสารละลายของสารคีเลต เช่นEDTAและกรดออกซาลิก
การให้ความร้อนแก่เหล็ก(III)ออกไซด์ร่วมกับโลหะออกไซด์หรือคาร์บอเนตอื่นๆ จะได้วัสดุที่เรียกว่าเฟอร์เรต (เฟอร์เรต (III)): [ 18 ]
- ZnO + Fe₂O₃ ( FeO₂
การตระเตรียม
ไอรอน(III)ออกไซด์เป็นผลิตภัณฑ์จากการออกซิเดชันของเหล็ก สามารถเตรียมได้ในห้องปฏิบัติการโดยการอิเล็กโทรไลซิสสารละลายโซเดียมไบคาร์บอเนตซึ่งเป็นอิเล็กโทรไลต์เฉื่อย โดยใช้ขั้วบวกเป็นเหล็ก:
- 4 Fe + 3 O + 2 H O → 4 FeO(OH)
ไฮเดรตไอรอน(III) ออกไซด์ที่เกิดขึ้น ซึ่งเขียนในที่นี้ว่าFeO(OH)จะคายน้ำประมาณ200 ° C [ 18 ] [ 19 ]
- 2 FeO(OH) → Fe O + H O
การใช้งาน
อุตสาหกรรมเหล็ก
การใช้งานเหล็ก(III)ออกไซด์ส่วนใหญ่คือการใช้เป็นวัตถุดิบในอุตสาหกรรมเหล็กและเหล็กกล้า เช่น การผลิตเหล็กเหล็กกล้า และโลหะผสมหลายชนิด[ 19 ]เหล็กออกไซด์ (Fe O ) ถูกนำมาใช้ในกระจกสีตั้งแต่ยุคกลาง โดยมีหลักฐานบ่งชี้ว่ามีการใช้ในการผลิตกระจกสีตั้งแต่ช่วงต้นยุคกลาง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการสร้างสีเหลือง ส้ม และแดงในกระจก และยังคงใช้เพื่อวัตถุประสงค์ทางอุตสาหกรรมในปัจจุบัน[ 20 ] [ 21 ]
การขัดเงา
ผงละเอียดมากของเฟอร์ริกออกไซด์เรียกว่า "รูจสำหรับช่างอัญมณี" "รูจสีแดง" หรือเรียกง่ายๆ ว่ารูจ ใช้สำหรับขัดเงาเครื่องประดับ โลหะ และเลนส์และในอดีตใช้เป็นเครื่องสำอางรูจขัดได้ช้ากว่าน้ำยาขัดเงาสมัยใหม่บางชนิด เช่นซีเรียม(IV) ออกไซด์แต่ยังคงใช้ในการผลิตเลนส์และโดยช่างอัญมณีเนื่องจากสามารถให้ความเงางามที่เหนือกว่า เมื่อขัดทอง รูจจะทำให้ทองมีสีจางๆ ซึ่งช่วยเสริมให้ชิ้นงานดูสวยงาม รูจมีจำหน่ายในรูปผง เนื้อครีม ผสมบนผ้าขัดเงา หรือเป็นแท่งแข็ง (มีสาร ยึดเกาะ เป็นขี้ผึ้งหรือไขมัน ) สารขัดเงาอื่นๆ ก็มักถูกเรียกว่า "รูจ" แม้ว่าจะไม่มีเหล็กออกไซด์ก็ตาม ช่างอัญมณีจะกำจัดรูจที่ตกค้างบนเครื่องประดับโดยใช้การทำความสะอาดด้วยคลื่นอัลตราโซนิคผลิตภัณฑ์ที่ขายในชื่อ " สาร ลับคม " มักใช้กับหนังลับคมเพื่อช่วยในการลับคมมีด มีดโกน หรือเครื่องมือมีคมอื่นๆ
เม็ดสี
เหล็ก(III) ออกไซด์ยังใช้เป็นเม็ดสีภายใต้ชื่อ "เม็ดสีสีน้ำตาล 6", "เม็ดสีสีน้ำตาล 7" และ "เม็ดสีสีแดง 101" [ 22 ]บางชนิด เช่น เม็ดสีสีแดง 101 และเม็ดสีสีน้ำตาล 6 ได้รับการอนุมัติจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา ของสหรัฐอเมริกา (FDA) สำหรับใช้ในเครื่องสำอางเหล็กออกไซด์ใช้เป็นเม็ดสีในวัสดุคอมโพสิตทางทันตกรรมควบคู่กับไทเทเนียมออกไซด์[ 23 ]
แร่ฮีมาไทต์เป็นส่วนประกอบที่เป็นเอกลักษณ์ของสีแดงฟาลู ซึ่งเป็นสี ทาบ้านจากประเทศสวีเดน
การบันทึกด้วยแม่เหล็ก
เหล็ก(III) ออกไซด์เป็นอนุภาค แม่เหล็ก ที่ใช้ กันทั่วไป ในสื่อ จัดเก็บและบันทึกแม่เหล็กทุกประเภทรวมถึงดิสก์แม่เหล็ก (สำหรับการจัดเก็บข้อมูล) และเทปแม่เหล็ก (ใช้ในการบันทึกเสียงและวิดีโอ รวมถึงการจัดเก็บข้อมูล) การใช้งานในดิสก์คอมพิวเตอร์ถูกแทนที่ด้วยโลหะผสมโคบอลต์ ทำให้สามารถสร้างฟิล์มแม่เหล็กที่บางลงและมีความหนาแน่นในการจัดเก็บสูงขึ้น[ 24 ]
โฟโตคะตาไลซิส
α- Fe2O3ได้รับการศึกษาในฐานะ โฟ โตแอนโนดการออกซิเดชันน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์25 ] อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพของมันถูกจำกัดด้วยระยะการแพร่กระจายที่สั้น (2–4 นาโนเมตร) ของตัวพาประจุที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง[ 26 ]และการรวมตัวกัน อย่างรวดเร็วในภายหลัง ซึ่งต้องใช้ศักย์ เกินขนาดใหญ่เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยา[ 27 ]งานวิจัยมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพการออกซิเดชันน้ำของใช้โครงสร้างนาโน[ 25 ]การปรับแต่งพื้นผิว[ 28 ] หรือ โดยการใช้เฟสผลึก อื่นเช่น β - Fe2O3 []
ยา
โลชั่น คาลาไมน์ใช้บรรเทาอาการคัน เล็กน้อย ส่วนประกอบหลักคือซิงค์ออกไซด์ซึ่งมีฤทธิ์ฝาดสมานและเหล็ก(III)ออกไซด์ประมาณ 0.5% ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของผลิตภัณฑ์ มีฤทธิ์ต้านอาการคันสีแดงของเหล็ก(III)ออกไซด์ยังเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้โลชั่นมีสีชมพู
ดูเพิ่มเติม
แหล่งอ้างอิง
- เฮนส์, วิลเลียม เอ็ม., บรรณาธิการ (2011). คู่มือเคมีและฟิสิกส์ CRC ( ฉบับที่ 92). สำนักพิมพ์ CRC . ISBN 978-1439855119.
ลิงก์ภายนอก
- คู่มือพกพา NIOSH เกี่ยวกับอันตรายจากสารเคมี