標籤:黑色金屬氧化物

四氧化三鐵,化學式Fe₃O₄。別名氧化鐵黑、磁鐵、吸鐵石,為具有磁性的黑色晶體,故又稱為磁性氧化鐵。請注意,絕對不可以稱作"偏鐵酸亞鐵"或"偏鐵酸鐵"Fe(FeO₂)₂,也不是氧化鐵與氧化亞鐵的混合物。 溶於酸,不溶於水、鹼及乙醇、乙醚等有機溶劑,但天然的四氧化三鐵不溶於酸,潮濕狀態下在空氣中容易氧化成三氧化二鐵。通常用作顏料和拋光劑,也可用於製造錄音磁帶和電訊器材。

1基本信息

中文名稱:氧化鐵黑
中文別名:C.I.顏料黑11;氧化鐵黑;鐵黑;鐵氧黑
英文名稱:C.I. Pigment Black 11
英文別名:77499; iron oxide black
CAS:12227-89-3;58339-39-2;65777-20-0;65777-22-2
EINECS:235-442-5

2簡介

四氧化三鐵是鐵的一種氧化物,其化學式為Fe₃O₄,相對分子質量為231.54
四氧化三鐵是中學階段唯一可以被磁化的鐵化合物。四氧化三鐵中含有Fe2+和Fe3+,X射線衍射實驗表明,四氧化三鐵具有反式尖晶石結構,晶體中從來不存在偏鐵酸根離子FeO2-。四氧化三鐵,又稱磁性氧化鐵、氧化鐵黑、磁鐵、磁石、吸鐵石,天然礦物類型為磁鐵礦。鐵在四氧化三鐵中有兩種化合價,為反式尖晶石結構,即FeⅢ[FeⅢFeⅡ]O₄。另外,四氧化三鐵還是導體,因為在磁鐵礦中由於Fe2+與Fe3+在八面體位置上基本上是無序排列的,電子可在鐵的兩種氧化態間迅速發生轉移,所以四氧化三鐵固體具有優良的導電性。

3全解

性質
Q:能否簡單介紹Fe₃O₄的性質
A:黑色的Fe₃O₄是鐵的一種混合價態氧化物,熔點為1597℃,密度為5.17g/cm³,不溶於水,可溶於酸,在自然界中以磁鐵礦的形態出現,常溫時具有強的亞磁鐵性與頗高的導電率。
(也有文獻指出Fe₃O₄的熔點為1538℃,不溶於酸)
Q:磁鐵用火燒會失去磁性,Fe₃O₄的磁性受溫度影響嗎?
A:鐵磁性和亞鐵磁性物質在Curie溫度以上發生二級相變轉變為順磁性物質。Fe₃O₄的Curie溫度為585℃
Q:這幾種磁性有什麼區別呢?
A:可將物質的磁性分為五類:
(a)抗磁性(反磁性):物質中全部電子在原子軌道或分子軌道上都已雙雙配對、自旋相反,沒有永久磁矩。
(b)順磁性:原子或分子中有未成對電子存在,存在永久磁矩,但磁矩間無相互作用。
(c)鐵磁性:每個原子都有幾個未成對電子,原子磁矩較大,且相互間有作用,使原子磁矩平行排列。
(d)亞鐵磁性(鐵氧體磁性):相鄰原子磁矩部分呈現不相等的反平行排列。
(e)反鐵磁性:在Néel溫度以上呈順磁性;在低於Néel溫度時,磁矩間相鄰原子磁矩呈現相等的反平行排列。

  
各種磁性物質內部的磁結構

  各種磁性物質內部的磁結構

Q:鐵只有Fe₃O₄這種氧化物具有順磁性嗎?
A:這是不正確的,如γ—Fe₂O₃同樣具有亞鐵磁性
不幸的是,在中學階段,這種物質完全沒有被提及。
Q:為什麼Fe₃O₄有高的電導率?
A:可以將Fe₃O₄不平常的電化學性質歸因於電子在Fe2+與Fe3+之間的傳遞
四氧化三鐵
其他問題
Q:Fe₃O₄是混合物嗎?
A:不,Fe₃O₄是純凈物。它的組成大致是固定的,鐵原子與氧原子的個數比約為3:4.
(由於晶體缺陷,原子個數比並不是準確值,但通常可以忽略)
Q:為什麼鐵絲在氧氣里燃燒會生成四氧化三鐵?
A:通常的解答是比較鐵的氧化物的標準摩爾生成Gibbs自由能的大小,得出Fe₃O₄的熱力學穩定性最大,因此產物是Fe₃O₄。但此處使用這個方法不太恰當。
較好的方法是通過分別計算比較高溫時生成三種鐵的氧化物相互轉化的反應的摩爾Gibbs自由能變得出結論。已有文獻對此進行的分析。
(查閱文獻時請注意,ΔG=ΔH-TΔS並不是Gibbs-Helmholtz方程,請勿將兩者混淆)
Q:既然Fe₃O₄熱力學最穩定,為什麼在常溫下鐵發生氧化反應,生成的鐵鏽主要成分是Fe₂O₃·χH₂O呢?這不是說明Fe₂O₃通常最容易生成嗎?
A:其實這也是不嚴謹的認識。
鐵與空氣接觸就會在其表面上形成氧化物,此時,氧化物膜本身的化學組成並非均勻。如一塊低碳鋼可以為三種氧化物膜所覆蓋:與金屬接觸的是FeO,與空氣接觸的一側是Fe₂O₃,中間則是Fe₃O₄.更確切地說,也許是三種氧化物的飽和固溶體的混合物構成鋼鐵表面的氧化膜層。
同時,氧化物膜的厚度也視氧化時的不同環境條件而變化。室溫下,乾燥空氣中相對較純的鐵上氧化物的厚度不超過20埃(1埃=0.1納米)但在潮濕空氣中氧化物膜的厚度明顯增加,可以看到表面上的銹斑。此時氧化物的沉積是分層的,接近金屬的一側是緻密的無定形無水層,接近空氣一側是厚的多孔水化層
事實上,幾乎所有實際固體的表面上都存在不同的結構不完整性和組成不均勻性,簡單地用標準摩爾生成Gibbs自由能作為判斷依據是不合理的。
Q:為什麼鐵與水蒸氣反應生成Fe₃O₄和氫氣?氫氣不會還原Fe₃O₄嗎?
A:兩個反應發生的溫度不同。高溫時氫氣可以還原Fe₃O₄,在溫度較低時,鐵則可以置換水蒸氣中的氫。同樣可以藉助計算反應的摩爾Gibbs自由能得出結論。
Q:怎樣製取Fe₃O₄?
A:可由將水蒸氣通過赤熱的鐵、FeO的部分氧化或由Fe₂O₃加熱到1400℃以上製得。對於Fe₃O₄納米粒子則有化學共沉澱法、溶膠-凝膠法等多種製備方法,下面進行詳述。
Q:Fe₃O₄能否在鐵表面形成緻密氧化膜?有抗腐蝕效果嗎?
A:Fe₃O₄有抗腐蝕效果,如鋼鐵製件的發藍(又稱燒藍和烤藍)就是利用鹼性氧化性溶液的氧化作用,在鋼鐵製件表面形成一層藍黑色或深藍色Fe₃O₄薄膜,以用於增加抗蝕性、光澤和美觀的方法
簡介
四氧化三鐵具有鐵磁性,如果形成顆粒半徑在納米級別,稱為四氧化三鐵磁性顆粒。
應用
在當代電氣化和信息化社會中,磁性材料的應用非常廣泛。四氧化三鐵磁性材料作為一種多功能磁性材料,在腫瘤的治療、微波吸收材料、催化劑載體、細胞分離、磁記錄材料、磁流體、醫藥等領域均已有廣泛的應用,這種材料很有發展前景。
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