เหล็กออกไซด์: โครงสร้างคุณสมบัติระบบการตั้งชื่อการใช้งาน - เคมี

เหล็กออกไซด์ใด ๆ ของสารที่เกิดขึ้นระหว่างเหล็กและออกซิเจน พวกมันมีลักษณะเป็นไอออนิกและผลึกและพวกมันอยู่กระจัดกระจายอันเป็นผลมาจากการสึกกร่อนของแร่ธาตุประกอบดินมวลพืชและแม้กระทั่งภายในของสิ่งมีชีวิต

จากนั้นเป็นหนึ่งในตระกูลของสารประกอบที่มีอิทธิพลเหนือเปลือกโลก พวกมันคืออะไรกันแน่? ปัจจุบันเป็นที่ทราบกันดีว่าออกไซด์ของเหล็กสิบหกชนิดส่วนใหญ่มาจากแหล่งกำเนิดตามธรรมชาติและชนิดอื่น ๆ ที่สังเคราะห์ขึ้นภายใต้สภาวะความดันหรืออุณหภูมิที่รุนแรง

ที่มา: five seventh, Flickr.

ส่วนหนึ่งของเฟอร์ริกออกไซด์แบบผงแสดงอยู่ในภาพด้านบน สีแดงลักษณะเฉพาะของมันครอบคลุมเหล็กขององค์ประกอบทางสถาปัตยกรรมต่างๆในสิ่งที่เรียกว่าสนิม ในทำนองเดียวกันจะสังเกตได้ตามที่ลาดชันภูเขาหรือดินซึ่งผสมกับแร่ธาตุอื่น ๆ อีกมากมายเช่นผงสีเหลืองของโกเอไทต์ (α-FeOOH)

ออกไซด์ของเหล็กที่รู้จักกันดี ได้แก่ เฮมาไทต์ (α-Fe ₂ O ₃ ) และแม็กเฮไมท์ (ϒ- Fe ₂ O ₃ ) ซึ่งเป็นโพลีมอร์ฟทั้งสองของเฟอริกออกไซด์ และไม่น้อยกว่าแม่เหล็ก (Fe ₃ O ₄ ) โครงสร้างโพลีมอร์ฟิกและพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ทำให้เป็นวัสดุที่น่าสนใจเป็นตัวดูดซับหรือสำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนที่มีการใช้งานในวงกว้าง

โครงสร้าง

ที่มา: Siyavula Education, Flickr

ภาพบนเป็นการแสดงโครงสร้างผลึกของ FeO ซึ่งเป็นหนึ่งในเหล็กออกไซด์ที่เหล็กมีความจุ +2 ทรงกลมสีแดงตรงกับ O, ^2-แอนไอออนในขณะที่คนสีเหลืองกับเฟ²⁺ไพเพอร์ โปรดทราบด้วยว่า Fe ²⁺แต่ละตัวล้อมรอบด้วย O ^2-หกตัวซึ่งสร้างหน่วยประสานงานแปดด้าน

ดังนั้นโครงสร้างของ FeO สามารถ "เสียลง" เป็นหน่วยของ FeO ₆ที่อะตอมกลางเป็น Fe 2+ในกรณีของการ oxyhydroxides หรือไฮดรอกไซที่หน่วยแปดด้านคือ FeO ₃ (OH) 3

ในโครงสร้างบางอย่างแทนแปดด้านมีหน่วย tetrahedral, FeO 4ด้วยเหตุนี้โครงสร้างของเหล็กออกไซด์จึงมักแสดงด้วยรูปแปดเหลี่ยมหรือเตตระฮีดราที่มีศูนย์กลางเหล็ก

โครงสร้างของเหล็กออกไซด์ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของความดันหรืออุณหภูมิอัตราส่วน Fe / O (นั่นคือจำนวนออกซีเจนต่อเหล็กและในทางกลับกัน) และความจุของเหล็ก (+2, +3 และมาก ไม่ค่อยมีออกไซด์สังเคราะห์ +4)

โดยทั่วไป O ขนาดใหญ่²แอนไอออนปรับตัวในรูปแบบแผ่นที่มีช่องว่างที่บ้าน Fe ²⁺หรือเฟ³⁺ไพเพอร์ ดังนั้นจึงมีออกไซด์ (เช่นแมกไนต์) ที่มีเหล็กที่มีทั้งวาเลนซ์

ความแตกต่าง

ออกไซด์ของเหล็กนำเสนอความหลากหลายนั่นคือโครงสร้างที่แตกต่างกันหรือการจัดเรียงผลึกสำหรับสารประกอบเดียวกัน เฟอร์ริกออกไซด์ Fe ₂ O ₃มีโพลีมอร์ฟที่เป็นไปได้มากถึงสี่แบบ เฮมาไทต์α-Fe ₂ O ₃มีความเสถียรที่สุดในบรรดา ตามด้วย maghemite, Υ- Fe ₂ O ₃และโดยการสังเคราะห์β- Fe ₂ O ₃และε- Fe ₂ O 3

พวกเขาทั้งหมดมีโครงสร้างและระบบคริสตัลเป็นของตัวเอง อย่างไรก็ตามอัตราส่วน 2: 3 คงที่จึงมีสาม O ^2-แอนไอออนสำหรับทุกสองเฟ³⁺ไพเพอร์ ความแตกต่างอยู่ที่หน่วยแปดหน้า FeO ₆ตั้งอยู่ในอวกาศและวิธีการติดตั้ง

ลิงค์โครงสร้าง

ที่มา: ไฟล์โดเมนสาธารณะ

หน่วยแปดหน้า FeO ₆สามารถมองเห็นได้ด้วยความช่วยเหลือของภาพด้านบน ที่มุมของรูปแปดหน้าคือ O ^2-ในขณะที่อยู่ตรงกลาง Fe ²⁺หรือ Fe ³⁺ (ในกรณีของ Fe ₂ O ₃ ) วิธีจัดเรียงรูปแปดเหลี่ยมเหล่านี้ในอวกาศเผยให้เห็นโครงสร้างของออกไซด์

อย่างไรก็ตามยังมีอิทธิพลต่อวิธีการเชื่อมโยง ตัวอย่างเช่นสามารถเชื่อมแปดแปดจุดได้โดยแตะจุดยอดสองจุดซึ่งแสดงด้วยสะพานออกซิเจน: Fe-O-Fe ในทำนองเดียวกัน octahedra สามารถเชื่อมต่อผ่านขอบ (ติดกัน) จากนั้นจะแสดงด้วยสะพานออกซิเจนสองตัว: Fe- (O) ₂ -Fe

และในที่สุด octahedra ก็สามารถโต้ตอบผ่านใบหน้าได้ ดังนั้นการแสดงจะเป็นสะพานออกซิเจนสามตัว: Fe- (O) ₃ -Fe วิธีการเชื่อมโยง octahedra จะทำให้ระยะทางภายในของ Fe-Fe แตกต่างกันไปดังนั้นคุณสมบัติทางกายภาพของออกไซด์

คุณสมบัติ

เหล็กออกไซด์เป็นสารประกอบที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก สิ่งเหล่านี้สามารถต่อต้านเฟอร์โรหรือเฟอร์ริแมกเนติกและขึ้นอยู่กับความจุของเฟและวิธีการที่ไอออนบวกมีปฏิสัมพันธ์ในของแข็ง

เนื่องจากโครงสร้างของของแข็งมีความแตกต่างกันมากคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีจึงมีเช่นกัน

ตัวอย่างเช่นโพลีมอร์ฟและไฮเดรตของ Fe ₂ O ₃มีค่าจุดหลอมเหลวต่างกัน (ซึ่งอยู่ระหว่าง 1200 ถึง1600ºC) และความหนาแน่น อย่างไรก็ตามพวกมันมีความสามารถในการละลายได้ต่ำเนื่องจาก Fe ³⁺ซึ่งมีมวลโมเลกุลเท่ากันมีสีน้ำตาลและละลายได้ไม่ดีในสารละลายกรด

ศัพท์เฉพาะ

IUPAC กำหนดสามวิธีในการตั้งชื่อเหล็กออกไซด์ ทั้งสามมีประโยชน์มากแม้ว่าสำหรับออกไซด์ที่ซับซ้อน (เช่น Fe ₇ O ₉ ) จะมีกฎเชิงระบบเหนือกฎอื่น ๆ เนื่องจากความเรียบง่าย

ระบบการตั้งชื่อ

จำนวนของออกซิเจนและเหล็กจะถูกนำมาพิจารณาโดยตั้งชื่อด้วยคำนำหน้าเลขภาษากรีกว่า mono-, di-, tri- ฯลฯ ตามระบบการตั้งชื่อนี้ Fe ₂ O ₃เรียกว่า: ไตรออกไซด์ของเหล็กdi และสำหรับ Fe ₇ O ₉ชื่อของมันจะเป็น hepta-iron nonaoxide

ระบบการตั้งชื่อหุ้น

สิ่งนี้จะพิจารณาความจุของเหล็ก ถ้าเป็น Fe ²⁺จะเขียนว่า iron oxide … และความจุของมันด้วยตัวเลขโรมันที่อยู่ในวงเล็บ สำหรับ Fe ₂ O ₃ชื่อของมันคือเหล็กออกไซด์ (III)

โปรดทราบว่า Fe ³⁺สามารถกำหนดได้ด้วยผลรวมพีชคณิต ถ้า O ^2-มีประจุลบสองตัวและมีสามประจุจะรวมกันเป็น -6 ในการทำให้เป็นกลาง -6 นี้จำเป็นต้องใช้ +6 แต่มีสอง Fe ดังนั้นจึงต้องหารด้วยสอง + 6/2 = +3:

2X (ความจุโลหะ) + 3 (-2) = 0

เพียงแค่แก้หา X จะได้ความจุของ Fe ในออกไซด์ แต่ถ้า X ไม่ได้เป็นจำนวนเต็ม (เป็นกรณีที่มีเกือบทุกออกไซด์อื่น ๆ ) แล้วมีส่วนผสมของเฟ²⁺และเฟ3+

ระบบการตั้งชื่อแบบดั้งเดิม

คำต่อท้าย –ico มอบให้กับคำนำหน้า ferr- เมื่อ Fe มีวาเลนซ์ +3 และ –oso เมื่อความจุเป็น 2+ ดังนั้น Fe ₂ O ₃จึงถูกเรียกว่า: เฟอร์ริกออกไซด์

การประยุกต์ใช้งาน

อนุภาคนาโน

เหล็กออกไซด์มีพลังงานในการตกผลึกสูงเหมือนกันซึ่งทำให้สามารถสร้างผลึกขนาดเล็กมาก แต่มีพื้นที่ผิวมาก

ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงมีความสนใจอย่างมากในสาขานาโนเทคโนโลยีซึ่งพวกเขาออกแบบและสังเคราะห์อนุภาคนาโนออกไซด์ (NPs) เพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะ:

- เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

- เป็นแหล่งกักเก็บยาหรือยีนภายในร่างกาย

- ในการออกแบบพื้นผิวรับสัมผัสสำหรับสารชีวโมเลกุลประเภทต่างๆ: โปรตีนน้ำตาลไขมัน

- เพื่อจัดเก็บข้อมูลแม่เหล็ก

รงควัตถุ

เนื่องจากออกไซด์บางชนิดมีความเสถียรสูงจึงสามารถใช้ย้อมสิ่งทอหรือให้สีสดใสกับพื้นผิวของวัสดุใดก็ได้ จากกระเบื้องโมเสคบนพื้น สีแดงสีเหลืองและสีส้ม (แม้กระทั่งสีเขียว) เซรามิกพลาสติกเครื่องหนังและแม้แต่งานสถาปัตยกรรม

อ้างอิง

ผู้ดูแลผลประโยชน์ของ Dartmouth College (18 มีนาคม 2547). Stoichiometry ของออกไซด์ของเหล็ก นำมาจาก: dartmouth.edu
Ryosuke Sinmyo และคณะ (8 กันยายน 2559). การค้นพบ Fe ₇ O ₉ : เหล็กออกไซด์ใหม่ที่มีโครงสร้างโมโนคลินิกที่ซับซ้อน ดึงมาจาก: nature.com
M. Cornell, U. Schwertmann ออกไซด์ของเหล็ก: โครงสร้างคุณสมบัติปฏิกิริยาการเกิดและการใช้งาน . WILEY-VCH นำมาจาก: epsc511.wustl.edu
อลิซบู. (2018) อนุภาคนาโนของเหล็กออกไซด์ลักษณะและการใช้งาน นำมาจาก: sigmaaldrich.com
Ali, A. , Zafar, H. , Zia, M. , ul Haq, I. , Phull, AR, Ali, JS, & Hussain, A. (2016) การสังเคราะห์ลักษณะเฉพาะการใช้งานและความท้าทายของอนุภาคนาโนของเหล็กออกไซด์ นาโนเทคโนโลยีวิทยาศาสตร์และการประยุกต์, 9, 49–67 http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
Golchha รงควัตถุ (2009) ออกไซด์ของเหล็ก: การใช้งาน นำมาจาก: golchhapigments.com
สูตรทางเคมี (2018) เหล็ก (II) ออกไซด์ นำมาจาก: formulacionquimica.com
วิกิพีเดีย (2018) เหล็ก (III) ออกไซด์ นำมาจาก: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_oxide

เหล็กออกไซด์: โครงสร้างคุณสมบัติระบบการตั้งชื่อการใช้งาน - เคมี - 2026