El óxido de hierro (II, III) es el compuesto químico de fórmula Fe 3 O 4 . Ocurre en la naturaleza como el mineral magnetita . Es uno de varios óxidos de hierro , los otros son el óxido de hierro (II) (FeO), que es raro, y el óxido de hierro (III) (Fe 2 O 3 ), que también se encuentra naturalmente como el mineral hematita . Contiene iones Fe 2+ y Fe 3+ y, a veces, se formula como FeO ∙ Fe 2 O 3 . Este óxido de hierro se encuentra en el laboratorio como un polvo negro. Exhibe magnetismo permanente y es ferrimagnético., pero a veces se describe incorrectamente como ferromagnético . [3] Su uso más extenso es como pigmento negro. Para este propósito, se sintetiza en lugar de extraerse del mineral natural, ya que el tamaño y la forma de las partículas pueden variar según el método de producción. [4]
Nombres | |
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Nombre IUPAC hierro (II) óxido de hierro (III) | |
Otros nombres óxido férrico ferroso, óxido férrico ferroso, óxido de hierro (II, III), magnetita, óxido de hierro negro, piedra imán, herrumbre, óxido de hierro (II) diiron (III) | |
Identificadores | |
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Modelo 3D ( JSmol ) | |
CHEBI | |
CHEMBL | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.013.889 |
PubChem CID | |
UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
Fe 3 O 4 FeO.Fe 2 O 3 | |
Masa molar | 231,533 g / mol |
Apariencia | polvo negro sólido |
Densidad | 5 g / cm 3 |
Punto de fusion | 1.597 ° C (2.907 ° F; 1.870 K) |
Punto de ebullición | 2.623 [1] ° C (4.753 ° F; 2.896 K) |
Índice de refracción ( n D ) | 2,42 [2] |
Peligros | |
NFPA 704 (diamante de fuego) | |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Preparación
En condiciones anaeróbicas , el agua puede oxidar el hidróxido ferroso (Fe (OH) 2 ) para formar magnetita e hidrógeno molecular . Este proceso se describe mediante la reacción de Schikorr :
La magnetita bien cristalizada (Fe 3 O 4 ) es termodinámicamente más estable que el hidróxido ferroso (Fe (OH) 2 ). [5]
La magnetita se puede preparar en el laboratorio como un ferrofluido en el método Massart mezclando cloruro de hierro (II) y cloruro de hierro (III) en presencia de hidróxido de sodio . [6] La magnetita también se puede preparar mediante la coprecipitación química en presencia de amoníaco, que consiste en una mezcla de una solución 0,1 M de FeCl 3 · 6H 2 O y FeCl 2 · 4H 2 O con agitación mecánica de aproximadamente 2000 rpm. . La relación molar de FeCl 3 : FeCl 2 puede ser 2: 1; calentando esta solución a 70 ° C, e inmediatamente se eleva la velocidad a 7500 rpm y agregando rápidamente una solución de NH 4 OH (10% en volumen), inmediatamente se formará un precipitado oscuro, el cual consiste en nanopartículas de magnetita. [7] En ambos casos, la reacción de precipitación se basa en una transformación rápida de iones de hierro hidrolizados ácidos en la estructura de óxido de hierro de espinela, mediante hidrólisis a valores de pH elevados (por encima de aproximadamente 10).
Se han dedicado considerables esfuerzos para controlar el proceso de formación de partículas de las nanopartículas de magnetita debido a las complejas y desafiantes reacciones químicas involucradas en las transformaciones de fase antes de la formación de la estructura de la espinela de magnetita. [8] Las partículas de magnetita son de interés en aplicaciones de biociencias como la resonancia magnética (MRI), ya que las nanopartículas de magnetita de óxido de hierro representan una alternativa no tóxica a los agentes de contraste basados en gadolinio que se emplean actualmente . Sin embargo, debido a la falta de control sobre las transformaciones específicas involucradas en la formación de las partículas, aún no se han preparado partículas verdaderamente superparamagnéticas a partir de magnetita, es decir, nanopartículas de magnetita que pierden por completo su característica magnética permanente en ausencia de un campo magnético externo (que por definición muestran una coercitividad de 0 A / m). Los valores más pequeños reportados actualmente para partículas de magnetita de tamaño nanométrico son Hc = 8.5 A m −1 , [9] mientras que el valor de magnetización reportado más grande es 87 Am 2 kg −1 para magnetita sintética. [10] [11]
La calidad del pigmento Fe 3 O 4 , denominada magnetita sintética, se puede preparar mediante procesos que utilizan desechos industriales, chatarra de hierro o soluciones que contienen sales de hierro (p. Ej., Las producidas como subproductos en procesos industriales como el tratamiento en tina de ácido ( decapado ) acero):
- Oxidación del metal Fe en el proceso de Laux donde el nitrobenceno se trata con metal de hierro utilizando FeCl 2 como catalizador para producir anilina : [4]
- C 6 H 5 NO 2 + 3 Fe + 2 H 2 O → C 6 H 5 NH 2 + Fe 3 O 4
- Oxidación de compuestos de Fe II , por ejemplo, la precipitación de sales de hierro (II) como hidróxidos seguida de oxidación por aireación donde un control cuidadoso del pH determina el óxido producido. [4]
Reducción de Fe 2 O 3 con hidrógeno: [12] [13]
- 3Fe 2 O 3 + H 2 → 2Fe 3 O 4 + H 2 O
Reducción de Fe 2 O 3 con CO: [14]
- 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2
La producción de nanopartículas se puede realizar químicamente tomando, por ejemplo, mezclas de sales de Fe II y Fe III y mezclándolas con álcali para precipitar el Fe 3 O 4 coloidal . Las condiciones de reacción son críticas para el proceso y determinan el tamaño de partícula. [15]
Reacciones
La reducción del mineral de magnetita por CO en un alto horno se utiliza para producir hierro como parte del proceso de producción de acero: [3]
La oxidación controlada de Fe 3 O 4 se utiliza para producir un pigmento marrón de calidad γ-Fe 2 O 3 ( maghemita ): [16]
Una calcinación más vigorosa (tostado en el aire) proporciona una calidad de pigmento rojo α-Fe 2 O 3 ( hematita ): [16]
Estructura
Fe 3 O 4 tiene una estructura de grupo de espinela inversa cúbica que consiste en una matriz cúbica compactada de iones óxido donde todos los iones Fe 2+ ocupan la mitad de los sitios octaédricos y el Fe 3+ se divide uniformemente en los sitios octaédricos restantes y los sitios tetraédricos.
Tanto FeO como γ-Fe 2 O 3 tienen una matriz compacta cúbica similar de iones de óxido y esto explica la fácil intercambiabilidad entre los tres compuestos en oxidación y reducción, ya que estas reacciones implican un cambio relativamente pequeño en la estructura general. [3] Las muestras de Fe 3 O 4 pueden ser no estequiométricas . [3]
El ferrimagnetismo de Fe 3 O 4 surge porque los espines electrónicos de los iones Fe II y Fe III en los sitios octaédricos están acoplados y los espines de los iones Fe III en los sitios tetraédricos están acoplados pero son antiparalelos al primero. El efecto neto es que las contribuciones magnéticas de ambos conjuntos no están equilibradas y hay un magnetismo permanente. [3]
En el estado fundido, los modelos restringidos experimentalmente muestran que los iones de hierro están coordinados con 5 iones de oxígeno en promedio. [17] Existe una distribución de los sitios de coordinación en el estado líquido, con la mayoría de Fe II y Fe III coordinados en 5 al oxígeno y poblaciones minoritarias de hierro coordinado 4 y 6 veces.
Propiedades
El Fe 3 O 4 es ferrimagnético con una temperatura de Curie de 858 K. Hay una transición de fase a 120K, llamada transición de Verwey donde hay una discontinuidad en la estructura, conductividad y propiedades magnéticas. [18] Este efecto se ha investigado exhaustivamente y, aunque se han propuesto varias explicaciones, no parece entenderse completamente. [19]
Fe 3 O 4 es un conductor eléctrico con una conductividad significativamente más alta (X 10 6 ) que Fe 2 O 3 , y esto se atribuye al intercambio de electrones entre los centros Fe II y Fe III . [3]
Usos
El Fe 3 O 4 se utiliza como pigmento negro y se conoce como pigmento CI negro 11 (CI No 77499) o Mars Black . [dieciséis]
El Fe 3 O 4 se utiliza como catalizador en el proceso de Haber y en la reacción de desplazamiento de agua-gas . [20] Este último utiliza un HTS (catalizador de cambio de alta temperatura) de óxido de hierro estabilizado por óxido de cromo . [20] Este catalizador de hierro-cromo se reduce en el arranque del reactor para generar Fe 3 O 4 a partir de α-Fe 2 O 3 y Cr 2 O 3 a CrO 3 . [20]
El azulado es un proceso de pasivación que produce una capa de Fe 3 O 4 en la superficie del acero para protegerlo del óxido.
El ferumoxitol, junto con el azufre y el aluminio, es un ingrediente de un tipo específico de termita útil para cortar acero. [ cita requerida ]
Usos médicos
Datos clinicos | |
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Nombres comerciales | Feraheme, Rienso |
AHFS / Drugs.com | Monografía |
MedlinePlus | a614023 |
Datos de licencia |
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Vías de administración | Infusión intravenosa |
Código ATC |
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Estatus legal | |
Estatus legal |
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Identificadores | |
Nombre IUPAC
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Número CAS |
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DrugBank |
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UNII |
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KEGG |
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CHEBI |
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Tablero CompTox ( EPA ) |
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Tarjeta de información ECHA | 100.013.889 |
Datos químicos y físicos | |
Fórmula | Fe 3 O 4 |
Masa molar | 231,531 g · mol −1 |
Modelo 3D ( JSmol ) |
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Sonrisas
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InChI
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Las nanopartículas de Fe 3 O 4 se utilizan como agentes de contraste en la exploración por resonancia magnética . [24]
Ferumoxytol, vendido bajo las marcas Feraheme y Rienso, es una preparación de Fe 3 O 4 intravenosa para el tratamiento de la anemia resultante de la enfermedad renal crónica . [21] [22] [25] [26] El ferumoxitol es fabricado y distribuido globalmente por AMAG Pharmaceuticals . [26] [21]
Ocurrencia biológica
La magnetita se ha encontrado como nanocristales en bacterias magnetotácticas (42-45 nm) [4] y en el tejido del pico de palomas mensajeras . [27]
Referencias
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enlaces externos
- "Ferumoxitol" . Portal de información sobre medicamentos . Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
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