EISENOXID: STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, NOMENKLATUR, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Ein Eisenoxid ist eine der Verbindungen, die zwischen Eisen und Sauerstoff gebildet werden. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie ionisch und kristallin sind, und sie liegen infolge der Erosion ihrer Mineralien verstreut und bilden die Böden, die Pflanzenmasse und sogar das Innere lebender Organismen.

Es ist dann eine der Familien von Verbindungen, die in der Erdkruste vorherrschen. Was genau sind sie? Bisher sind 16 Eisenoxide bekannt, von denen die meisten natürlichen Ursprungs sind und andere unter extremen Druck- oder Temperaturbedingungen synthetisiert wurden.

Quelle: fünf siebte, Flickr.

Ein Teil des pulverisierten Eisenoxids ist im obigen Bild gezeigt. Seine charakteristische rote Farbe bedeckt das Eisen verschiedener architektonischer Elemente in sogenanntem Rost. Ebenso wird es in Hängen, Bergen oder Böden beobachtet, gemischt mit vielen anderen Mineralien, wie dem gelben Pulver von Goethit (α-FeOOH).

Die bekanntesten Eisenoxide sind Hämatit (α-Fe ₂ O ₃ ) und Maghemit (ϒ-Fe ₂ O ₃ ), beide Polymorphe von Eisenoxid; und nicht zuletzt Magnetit (Fe ₃ O ₄ ). Ihre polymorphen Strukturen und ihre große Oberfläche machen sie zu interessanten Materialien als Sorptionsmittel oder zur Synthese von Nanopartikeln mit breiten Anwendungen.

Struktur

Quelle: Siyavula Education, Flickr.

Das obere Bild ist eine Darstellung der Kristallstruktur von FeO, einem der Eisenoxide, bei denen Eisen eine Wertigkeit von +2 hat. Die roten Kugeln entsprechen den O ² -Anionen , die gelben den Fe ²⁺ -Kationen . Es ist auch zu beachten, dass jedes Fe ²⁺ von sechs O ^{2- umgeben} ist und eine oktaedrische Koordinationseinheit bildet.

Daher kann die Struktur von FeO in Einheiten von FeO ₆ "zerlegt" werden , wobei das Zentralatom Fe ^{2+ ist} . Im Fall von Oxyhydroxiden oder Hydroxiden ist die oktaedrische Einheit FeO ₃ (OH) ₃ .

In einigen Strukturen gibt es anstelle des Oktaeders tetraedrische Einheiten, FeO ₄ . Aus diesem Grund werden die Strukturen von Eisenoxiden üblicherweise durch Oktaeder oder Tetraeder mit Eisenzentren dargestellt.

Die Strukturen von Eisenoxiden hängen von den Druck- oder Temperaturbedingungen, vom Fe / O-Verhältnis (dh wie viele Sauerstoffatome pro Eisen und umgekehrt vorhanden sind) und von der Wertigkeit von Eisen (+2, +3 und sehr) ab selten in synthetischen Oxiden, +4).

Im Allgemeinen richten sich die sperrigen O ² -Anionen zu Schichten aus, deren Hohlräume die Fe ^{2+ -} oder Fe ³⁺ -Kationen enthalten . Somit gibt es Oxide (wie Magnetit), die Eisen mit beiden Valenzen haben.

Polymorphismus

Eisenoxide weisen einen Polymorphismus auf, dh unterschiedliche Strukturen oder Kristallanordnungen für dieselbe Verbindung. Eisenoxid, Fe ₂ O ₃ , weist bis zu vier mögliche Polymorphe auf. Hämatit, α-Fe ₂ O ₃ , ist der stabilste von allen; gefolgt von Maghemit, ϒ-Fe ₂ O ₃ und synthetischem β-Fe ₂ O ₃ und ε-Fe ₂ O ₃ .

Sie alle haben ihre eigenen Arten von Kristallstrukturen und -systemen. Das 2: 3-Verhältnis bleibt jedoch konstant, sodass auf jeweils zwei Fe ³⁺ -Kationen drei O ^{2 -Anionen kommen} . Der Unterschied liegt darin, wie sich die FeO ₆ -Oktaedereinheiten im Raum befinden und wie sie gebunden sind.

Strukturelle Verbindungen

Quelle: Public Domain-Dateien

Die oktaedrischen Einheiten FeO ₆ können mit Hilfe des obigen Bildes visualisiert werden. In den Ecken des Oktaeders befindet sich das O ^{2 -} , während in seiner Mitte das Fe ²⁺ oder Fe ³⁺ (im Fall von Fe ₂ O ₃ ). Die Art und Weise, wie diese Oktaeder im Raum angeordnet sind, zeigt die Struktur des Oxids.

Sie beeinflussen jedoch auch, wie sie miteinander verbunden sind. Zum Beispiel können zwei Oktaeder verbunden werden, indem zwei ihrer Eckpunkte berührt werden, was durch eine Sauerstoffbrücke dargestellt wird: Fe-O-Fe. In ähnlicher Weise können Oktaeder durch ihre Kanten (nebeneinander) verbunden werden. Es würde dann mit zwei Sauerstoffbrücken dargestellt: Fe- (O) ₂ -Fe.

Und schließlich können Oktaeder durch ihre Gesichter interagieren. Somit würde die Darstellung nun mit drei Sauerstoffbrücken erfolgen: Fe- (O) ₃ -Fe. Die Art und Weise, wie die Oktaeder verknüpft sind, würde die internuklearen Fe-Fe-Abstände und daher die physikalischen Eigenschaften des Oxids variieren.

Eigenschaften

Ein Eisenoxid ist eine Verbindung mit magnetischen Eigenschaften. Diese können anti, ferro oder ferrimagnetisch sein und hängen von den Valenzen von Fe und der Wechselwirkung der Kationen im Feststoff ab.

Da die Strukturen von Festkörpern sehr unterschiedlich sind, sind auch ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften sehr unterschiedlich.

Beispielsweise haben die Polymorphe und Hydrate von Fe ₂ O ₃ unterschiedliche Werte für Schmelzpunkte (die zwischen 1200 und 1600 ° C liegen) und Dichten. Gemeinsam ist ihnen jedoch die geringe Löslichkeit aufgrund von Fe ³⁺ , der gleichen Molekülmasse, die braune Farbe hat und sich in sauren Lösungen schlecht löst.

Nomenklatur

Die IUPAC legt drei Möglichkeiten fest, um ein Eisenoxid zu benennen. Alle drei sind sehr nützlich, obwohl für komplexe Oxide (wie Fe ₇ O ₉ ) die Systematik aufgrund ihrer Einfachheit über die anderen herrscht.

Systematische Nomenklatur

Die Anzahl von Sauerstoff und Eisen wird berücksichtigt und mit den griechischen Nummerierungspräfixen mono-, di-, tri- usw. benannt. Nach dieser Nomenklatur heißt Fe ₂ O ₃ : Trioxid von Di- Eisen. Und für Fe ₇ O _{9 würde} der Name lauten: Hepta-Eisen-Nonoxid.

Aktiennomenklatur

Dies berücksichtigt die Wertigkeit von Eisen. Wenn es Fe ^{2+ ist} , wird Eisenoxid geschrieben … und seine Wertigkeit mit römischen Ziffern in Klammern. Für Fe ₂ O ₃ heißt es: Eisenoxid (III).

Beachten Sie, dass Fe ³⁺ durch algebraische Summen bestimmt werden kann. Wenn das O ^2- zwei negative Ladungen hat und es drei davon gibt, addieren sie sich zu -6. Um diese -6 zu neutralisieren, ist +6 erforderlich, aber es gibt zwei Fe, daher müssen sie durch zwei geteilt werden, + 6/2 = +3:

2X (Metallvalenz) + 3 (-2) = 0

Durch einfaches Auflösen nach X wird die Wertigkeit von Fe im Oxid erhalten. Wenn X jedoch keine ganze Zahl ist (wie dies bei fast allen anderen Oxiden der Fall ist), liegt eine Mischung aus Fe ²⁺ und Fe ^{3+ vor} .

Traditionelle Nomenklatur

Das Suffix –ico wird dem Präfix ferr- gegeben, wenn Fe eine Wertigkeit von +3 hat, und –oso, wenn seine Wertigkeit 2+ beträgt. Daher wird Fe ₂ O ₃ als Eisenoxid bezeichnet.

Anwendungen

Nanopartikel

Eisenoxide haben eine hohe Kristallisationsenergie gemeinsam, die es ermöglicht, sehr kleine Kristalle mit großer Oberfläche zu erzeugen.

Aus diesem Grund sind sie in den Bereichen der Nanotechnologie von großem Interesse, wo sie Oxidnanopartikel (NPs) für bestimmte Zwecke entwerfen und synthetisieren:

-Als Katalysatoren.

- Als Reservoir von Medikamenten oder Genen im Körper

-In der Gestaltung sensorischer Oberflächen für verschiedene Arten von Biomolekülen: Proteine, Zucker, Fette

-Um magnetische Daten zu speichern

Pigmente

Da einige Oxide sehr stabil sind, können sie zum Färben von Textilien verwendet werden oder den Oberflächen jedes Materials helle Farben verleihen. Von den Mosaiken auf den Böden; rote, gelbe und orange (sogar grüne) Farben; Keramik, Kunststoffe, Leder und sogar architektonische Arbeiten.

Verweise

1. Treuhänder des Dartmouth College. (18. März 2004). Stöchiometrie von Eisenoxiden. Entnommen aus: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo et al. (8. September 2016). Entdeckung von Fe ₇ O ₉ : ein neues Eisenoxid mit einer komplexen monoklinen Struktur. Wiederhergestellt von: nature.com
3. M. Cornell, U. Schwertmann. Die Eisenoxide: Struktur, Eigenschaften, Reaktionen, Vorkommen und Verwendungen. . WILEY-VCH. Entnommen aus: epsc511.wustl.edu
4. Alice Bu. (2018). Eisenoxid-Nanopartikel, Eigenschaften und Anwendungen. Entnommen aus: sigmaaldrich.com
5. Ali, A., Zafar, H., Zia, M., ul. Haq, I., Phull, AR, Ali, JS & Hussain, A. (2016). Synthese, Charakterisierung, Anwendungen und Herausforderungen von Eisenoxid-Nanopartikeln. Nanotechnologie, Wissenschaft und Anwendungen, 9, 49–67. http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
6. Golchha-Pigmente. (2009). Eisenoxide: Anwendungen. Entnommen aus: golchhapigments.com
7. Chemische Formulierung. (2018). Eisen (II) oxid. Entnommen aus: formulacionquimica.com
8. Wikipedia. (2018). Eisen (III) oxid. Entnommen aus: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_oxide