Óxido de hierro (II, III)
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 presenta 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 . [4] 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. [5]
En condiciones anaeróbicas , el hidróxido ferroso (Fe(OH) 2 ) puede oxidarse con agua para formar magnetita e hidrógeno molecular . Este proceso es descrito por la reacción de Schikorr :
La magnetita bien cristalizada (Fe 3 O 4 ) es termodinámicamente más estable que el hidróxido ferroso (Fe(OH) 2 ). [6]
La magnetita se puede preparar en el laboratorio como un ferrofluido en el método de Massart mezclando cloruro de hierro (II) y cloruro de hierro (III) en presencia de hidróxido de sodio . [7] La magnetita también se puede preparar por 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 unas 2000 rpm . La relación molar de FeCl 3 :FeCl 2puede 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. [8] En ambos casos, la reacción de precipitación se basa en una rápida transformación de iones de hierro hidrolizados ácidos en la estructura de óxido de hierro espinela, por hidrólisis a valores de pH elevados (por encima de ca. 10).
Se han dedicado considerables esfuerzos a controlar el proceso de formación de partículas de 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 espinela de magnetita. [9] Las partículas de magnetita son de interés en aplicaciones biocientíficas, como la resonancia magnética nuclear (RMN), ya que las nanopartículas de magnetita de óxido de hierro representan una alternativa no tóxica a los agentes de contraste a base de gadolinio empleados 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 realmente superparamagnéticas a partir de magnetita, es decir, nanopartículas de magnetita que pierden completamente 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 informados actualmente para partículas de magnetita de tamaño nanométrico son Hc = 8,5 A m −1 , [10] mientras que el valor de magnetización más alto informado es 87 Am 2 kg −1 para magnetita sintética. [11] [12]
La calidad del pigmento Fe 3 O 4 , denominada magnetita sintética, se puede preparar mediante procesos que utilizan desechos industriales, chatarra o soluciones que contienen sales de hierro (por ejemplo, los producidos como subproductos en procesos industriales como el tratamiento ácido en tina ( decapado ) acero):
