Оксиды железа

Электрохимически оксидированное железо (ржавчина)

Оксиды желе́за — соединения железа с кислородом.

Оксиды и оксигидроксиды железа широко распространены в природе и играют важную роль во многих геологических и биологических процессах. Они используются в качестве железных руд, пигментов, катализаторов, термитов и встречаются в гемоглобине. Оксиды железа являются недорогими и долговечными пигментами в красках, покрытиях и цветных бетонах. При использовании в качестве пищевого красителя в составе пищевых продуктов оксиды железа обозначаются E172.

Стехиометрия

Оксиды железа содержат железо в степенях окисления 2 (Fe(II)), 3 (Fe(III)) или в обеих. Атомы железа в оксидах принимают октаэдрическую или тетраэдрическую координационную геометрию.Несколько оксидов железа распространены в земной коре в виде минералов, особенно вюстит, магнетит и гематит. Известно шестнадцать различных оксидов железа, из них наиболее распространены и изучены три:

Название	Формула	Температура плавления	Температура кипения	Цвет	Где содержится
Oксид железа(II)	FeO	1377 °C	3414 °C	чёрный	минерал вюстит
Oксид железа(III)	Fe2O3	1566 °C	1987 °C	Красно-коричневый	минералы гематит и маггемит в альфа- и гамма-модификациях, соответственно
Oксид железа(II,III)	Fe3O4	разл. 1538; 1590; 1594 °C	2623 °C	чёрный	минерал магнетит

Fe₃O₄ — сложный оксид, одновременно содержащий ионы железа(II) и железа(III).

Также известно еще несколько редких и малоизученных оксидов железа, стабильных или могущих оказаться стабильными при высоких давлениях:

• Fe₄O₅ - обнаружен рентеноструктурным анализом как одна из фаз при разложении сидерита FeCO₃ при 1800 °K под давлением 10 ГПа^[1]
• Fe₅O₆ - обнаружен микродифракционным анализом как одна из фаз при нагреве смеси гематита Fe₂O₃ и железа при 2000 °K под давлением 10-20 ГПа^[2]
• Fe₅O₇, Fe₂₅O₃₂ обнаружены рентеноструктурным анализом и мессбауровской спектроскопией при разложении Fe₂O₃ и Fe₃O₄ при 2000 °K под давлением 60 ГПа как отдельные фазы^[3]
• Fe₁₃O₁₉ - обнаружен рентеноструктурным анализом как одна из фаз при разложении сидероплезита (Fe,Mg)CO₃ при 2650 °K под давлением 135 ГПа^[4]
• FeO₂ — пероксид железа(II), предсказанный на основании расчетов продукт разложения гетита FeOOH при давлении 76 ГПа^[5]

Реакции

В доменных печах и в подобных им металлургических установках оксиды железа восстанавливаются до металла. Типичными восстановителями являются различные формы углерода. Типичная реакция начинается с оксида железа^[6]:

${\displaystyle {\ce {2{Fe_{2}O_{3}}+3C\rightarrow 4{Fe}+3CO_{2}}}}$

В природе

Железо хранится во многих организмах в форме ферритина, который представляет собой оксид железа, заключённый в солюбилизирующую белковую оболочку^[7].

Некоторые виды бактерий, в том числе Shewanella oneidensis, Geobacter sulfurreducens и Geobacter metallireducens, используют оксиды железа в качестве конечных акцепторов электронов^[8].

Использование

Почти все железные руды являются оксидами, поэтому в этом смысле эти материалы являются важными предшественниками металлического железа и многих его сплавов.

Оксиды железа являются важными пигментами, которые бывают разных цветов (чёрный, красный, жёлтый). Среди их многочисленных преимуществ: они недорогие, имеют яркие цвета и нетоксичные^[9].

Магнетит является компонентом магнитных лент для записи.

Мелкодисперсный оксид железа(III) используется в качестве полирующего абразива (красный крокус).

Оксиды железа используются в химическом и нефтехимическом производстве в качестве катализаторов (синтез аммиака, диеновых мономеров и пр.).

См. также

• Полигидрат оксида железа(III) FeO(OH)
• Оксид-хлорид железа FeOCl

Примечания

1. Discovery of the recoverable high-pressure iron oxide Fe4O5  (неопр.).
2. Lavina, Barbara; Meng, Yue (2015). "Synthesis of Fe5O6". Science Advances. 1 (5): e1400260. doi:10.1126/sciadv.1400260. PMC 4640612. PMID 26601196.
3. Bykova, E.; Dubrovinsky, L.; Dubrovinskaia, N.; Bykov, M.; McCammon, C.; Ovsyannikov, S. V.; Liermann, H. -P.; Kupenko, I.; Chumakov, A. I.; Rüffer, R.; Hanfland, M.; Prakapenka, V. (2016). "Structural complexity of simple Fe2O3 at high pressures and temperatures". Nature Communications. 7: 10661. doi:10.1038/ncomms10661. PMC 4753252. PMID 26864300.
4. Merlini, Marco; Hanfland, Michael; Salamat, Ashkan; Petitgirard, Sylvain; Müller, Harald (2015). "The crystal structures of Mg2Fe2C4O13, with tetrahedrally coordinated carbon, and Fe13O19, synthesized at deep mantle conditions". American Mineralogist. 100 (8—9): 2001—2004. doi:10.2138/am-2015-5369.
5. Hu, Qingyang; Kim, Duck Young; Yang, Wenge; Yang, Liuxiang; Meng, Yue; Zhang, Li; Mao, Ho-Kwang (June 2016). "FeO₂ and (FeO)OH under deep lower-mantle conditions and Earth's oxygen–hydrogen cycles". Nature (англ.). 534 (7606): 241—244. Bibcode:2016Natur.534..241H. doi:10.1038/nature18018. ISSN 1476-4687. PMID 27279220.
6. Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements (англ.). — 2nd Ed. — Butterworth-Heinemann^[англ.], 1997. — P. 1072. — ISBN 0-08-037941-9.
7. Honarmand Ebrahimi, Kourosh; Hagedoorn, Peter-Leon; Hagen, Wilfred R. (2015). "Unity in the Biochemistry of the Iron-Storage Proteins Ferritin and Bacterioferritin". Chemical Reviews. 115 (1): 295—326. doi:10.1021/cr5004908. PMID 25418839.
8. Bretschger, O.; Obraztsova, A.; Sturm, C. A.; Chang, I. S.; Gorby, Y. A.; Reed, S. B.; Culley, D. E.; Reardon, C. L.; Barua, S.; Romine, M. F.; Zhou, J.; Beliaev, A. S.; Bouhenni, R.; Saffarini, D.; Mansfeld, F.; Kim, B.-H.; Fredrickson, J. K.; Nealson, K. H. (20 July 2007). "Current Production and Metal Oxide Reduction by Shewanella oneidensis MR-1 Wild Type and Mutants". Applied and Environmental Microbiology. 73 (21): 7003—7012. doi:10.1128/AEM.01087-07. PMC 2223255. PMID 17644630.
9. Buxbaum, Gunter. Pigments, Inorganic, 3. Colored Pigments / Gunter Buxbaum, Helmut Printzen, Manfred Mansmann … [и др.]. — 2009. — ISBN 978-3527306732. — doi:10.1002/14356007.n20_n02.