Оксид железа(II,III)

Окси́д желе́за(II,III) — за́кись-о́кись железа, желе́зная ока́лина — неорганическое соединение, двойной оксид металла железа с формулой ${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$ или ${\displaystyle {\ce {FeO.Fe2O3}}}$, 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	${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$
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 природе

В природе встречаются большие залежи минерала магнетита (магнитного железняка) — ${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$ с различными примесями.

В виде нанокристаллов (размером 42—45 нм) магнетит обнаружен в чувствительных к магнитному полю бактериях^[1] и ткани клюва почтовых голубей^[2].

Получение

Может быть получен добавлением щелочи к смешанному раствору солей железа(II) и железа(III):

${\displaystyle {\ce {FeCl2 + 2FeCl3 + 8NaOH -> Fe3O4 + 8NaCl + 4H2O}}}$.

Сжигание порошкообразного железа на воздухе:

${\displaystyle {\ce {3 Fe + 2 O2 ->[150-600\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Fe3O4}}}$.

Действие перегретого пара на железо:

${\displaystyle {\ce {3 Fe + 4 H2O ->[800\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Fe3O4 + 4 H2}}}$.

Осторожное восстановление оксида железа(III) водородом:

${\displaystyle {\ce {3 Fe2O3 + H2 ->[400\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 2 Fe3O4 + H2O}}}$.

Восстановление оксидом углерода(II):

${\displaystyle {\ce {CO + 3 Fe2O3 -> 2 Fe3O4 + CO2}}}$.

Физические свойства

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)^[3].

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—135 К)^[4]. 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^[5].

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

Образует кристаллогидрат состава ${\displaystyle {\ce {Fe3O4.2H2O}}}$.

Химические свойства

Разлагается при нагревании:

${\displaystyle {\ce {2 Fe3O4 ->[1538\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 6 FeO\ + O2}}}$.

Реагирует с разбавленными кислотами:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 8 HCl -> FeCl2 + 2 FeCl3 + 4 H2O}}}$.

Реагирует с концентрированными окисляющими кислотами:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 10 HNO3 -> 3 Fe(NO3)3 + NO2 ^ + 5 H2O}}}$.

Реагирует с щелочами при сплавлении:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 14 NaOH ->[400-500 ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Na4FeO3 + 2 Na5FeO4 + 7 H2O}}}$.

Окисляется кислородом воздуха:

${\displaystyle {\ce {4 Fe3O4 + O2 ->[450-600\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 6 Fe2O3}}}$.

Восстанавливается водородом и монооксидом углерода:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 4 H2 ->[1000\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 3 Fe + 4 H2O,}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe3O4\ +4CO->[700^{\circ }C]3Fe\ +4CO2}}}$.

Конпропорционирует при спекании с металлическим железом:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + Fe ->[900-1000\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 4 FeO}}}$.

Алюминотермическая реакция при нагревании смеси порошков оксида железа(III) и алюминия:

${\displaystyle {\ce {2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}}}$.

Применение

• Для изготовления специальных электродов.
• В качестве чёрного пигмента^[6].
• В составе термитных смесей^[7].
• Нанокристаллы используются в качестве контрастирующего вещества в медицинской диагностике с помощью магнитно-резонансной томографии^[8].
• В пищевой промышленности используются в качестве пищевого красителя (E172).