תחמוצת ברזל: מבנה, תכונות, שמות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

תחמוצת ברזל היא כל המתחמים נוצרו בין הברזל וחמצן. הם מאופיינים בכך שהם יוניים וקריסטליים, והם שוכבים מפוזרים כתוצאה משחיקת המינרלים שלהם, בהרכב הקרקעות, המסה הצמחונית, ואפילו פנים האורגניזמים החיים.

זו אז אחת ממשפחות התרכובות השולטות בקרום כדור הארץ. מה הם בדיוק? ידועים עד היום 16 תחמוצות ברזל, רובן ממקור טבעי ואחרות מסונתזות בתנאים קיצוניים של לחץ או טמפרטורה.

מקור: חמש שביעית, פליקר.

חלק של תחמוצת הברזל האבקה מוצג בתמונה למעלה. צבעו האדום האופייני מכסה את הברזל של אלמנטים אדריכליים שונים במה שמכונה חלודה. כמו כן, הוא נצפה במדרונות, הרים או קרקעות, מעורבב עם מינרלים רבים אחרים, כמו אבקת הצהית הצהובה (α-FeOOH).

תחמוצות הברזל הידועות ביותר הן המטיט (α-Fe ₂ O ₃ ) ו- maghemite (ϒ- Fe ₂ O ₃ ), שניהם פולימורפים של תחמוצת הברזל; ולא פחות מכך, מגנטיט (Fe ₃ O ₄ ). המבנים הפולימורפיים שלהם ושטח השטח הגדול שלהם הופכים אותם לחומרים מעניינים כמו סופגים, או לסינתזה של חלקיקים עם יישומים רחבים.

מִבְנֶה

מקור: חינוך Siyavula, פליקר.

התמונה העליונה היא ייצוג של מבנה הגביש של FeO, אחד מתחמוצות הברזל שבו הברזל בעל ערך של +2. הכדוריות האדומות תואמות את האניונים O ^2- ואילו הצהובים לקטיונים Fe ²⁺ . שים לב גם שכל Fe ²⁺ מוקף בשישה O ^2- ויוצרים יחידת תיאום אוקטאהדרלית.

לכן ניתן "לפרק" את המבנה של FeO ליחידות של FeO ₆ , שם האטום המרכזי הוא Fe ²⁺ . במקרה של אוקסי-הידרוקסיד או הידרוקסיד, היחידה האוקטאהדרלית היא FeO ₃ (OH) ₃ .

במבנים מסוימים, במקום האוקטאהדרון, יש יחידות טטרהדרליות, FeO ₄ . מסיבה זו מבנים של תחמוצות ברזל מיוצגים בדרך כלל על ידי אוקטדרה או טטרדרה עם מרכזי ברזל.

המבנים של תחמוצות ברזל תלויים בתנאי הלחץ או הטמפרטורה, ביחס ה- Fe / O (כלומר, כמה תחמוצות יש לכל ברזל ולהיפך), ובערך הברזל (+2, +3 וגם, מאוד לעיתים רחוקות בתחמוצות סינטטיות, +4).

באופן כללי, האניונים O- ² המגושמים מתיישרים ויוצרים גיליונות אשר חלליהם מכילים את הקטיונים Fe ²⁺ או Fe ³⁺ . לפיכך, יש תחמוצות (כמו מגנטיט) שיש להם מגהצים בשני העמקים.

רב צורתיות

תחמוצות ברזל מציגות פולימורפיזם, כלומר מבנים שונים או סידורי גביש לאותה תרכובת. לתחמוצת הברזל, Fe ₂ O ₃ , יש עד ארבעה פולימורפים אפשריים. המטיט, α-Fe ₂ O ₃ , הוא היציב מכולם; ואחריו מגהמיט, ϒ- Fe ₂ O ₃ , ועל ידי סינטטי β- Fe ₂ O ₃ ו- ε- Fe ₂ O ₃ .

לכולם סוגים של מבנים ומערכות גבישיים משלהם. עם זאת, יחס 2: 3 נשאר קבוע, כך שיש שלושה אניונים O ^2- לכל שני קטיונים של Fe ³⁺ . ההבדל נעוץ באופן שבו יחידות FeO ₆ האוקטאהדרל ממוקמות בחלל ובאופן חיבורן.

קישורים מבניים

מקור: קבצי רשות הרבים

ניתן לדמיין את יחידות האוקטאהדרלה FeO ₆ בעזרת התמונה למעלה. בפינות האוקטאהדרון נמצאים ה- O ^2- , כאשר במרכזו Fe ²⁺ או Fe ³⁺ (במקרה של Fe ₂ O ₃ ). האופן בו מסודרים האוקטאתריות הללו בחלל חושף את מבנה התחמוצת.

עם זאת, הם משפיעים גם על האופן שבו הם קשורים. לדוגמה, ניתן לחבר שתי אוקטאתרה על ידי נגיעה בשתי קודקודיהם המיוצגת על ידי גשר חמצן: Fe-O-Fe. באופן דומה, ניתן לחבר בין octahedra דרך הקצוות שלהם (צמודים זה לזה). לאחר מכן ייצג אותו עם שני גשרי חמצן: Fe- (O) _2- Fe.

ולבסוף, octahedra יכול לקיים אינטראקציה דרך פניהם. לפיכך, הייצוג יהיה כעת עם שלושה גשרי חמצן: Fe- (O) _3- Fe. אופן ההתקשרות של האוקטאתרה ישנה את המרחקים הבין-גרעיים של Fe-Fe, ולכן את התכונות הפיזיות של התחמוצת.

נכסים

תחמוצת ברזל היא תרכובת בעלת תכונות מגנטיות. אלה יכולים להיות אנטי, פראו או ferrimagnetic, ותלויים בערכיות של Fe ובאופן שבו הקטיונים מתקשרים במוצק.

מכיוון שמבני המוצקים מגוונים מאוד, כך גם תכונותיהם הפיזיקליות והכימיות.

לדוגמא, לפולימורפים והידרטים של Fe ₂ O ₃ יש ערכים שונים של נקודות התכה (שנעות בין 1200 ל 1600 מעלות צלזיוס) וצפיפות. עם זאת, יש להם במשותף המסיסות הנמוכה כתוצאה מ- Fe ³⁺ , אותה המסה המולקולרית, הם בצבע חום ומתמוססים בצורה גרועה בתמיסות חומצות.

מִנוּחַ

ה- IUPAC קובע שלוש דרכים לתת שם תחמוצת ברזל. שלושתם שימושיים מאוד, אם כי עבור תחמוצות מורכבות (כמו Fe ₇ O ₉ ) השיטתיות שולטת על האחרות בגלל הפשטות שלהן.

Nomenclature שיטתית

נלקחים בחשבון את המספרים של חמצן וברזל, ומכנים אותם עם קידומות המספור היווני מונו, די, טרי, וכו '. על פי המינוח הזה, Fe ₂ O ₃ נקרא: tri oxide of di iron. ולגבי Fe ₇ O ₉ שמו יהיה: נפטאוקסיד ברזל.

שמות מלאי

זה מתחשב בערכיות הברזל. אם זה Fe ²⁺ , כתוב תחמוצת ברזל …, וערכיותו עם הספרות הרומאיות הסגורות בסוגריים. עבור Fe ₂ O ₃ שמו הוא: תחמוצת ברזל (III).

שימו לב שניתן לקבוע את Fe ³⁺ לפי סכומים אלגבריים. אם ל- O ^2- יש שני מטענים שליליים, וישנם שלושה מהם, הם מסתכמים ל -6. כדי לנטרל -6 זה +6 נדרש, אך ישנם שני Fe, ולכן עליהם להיות מחולקים על ידי שניים, + 6/2 = +3:

2X (Valence מתכת) + 3 (-2) = 0

פשוט פיתרון ל- X מעניק את הערכיות של Fe בתחמוצת. אבל אם X אינו מספר שלם (כפי שקורה כמעט עם כל התחמוצות האחרות), יש תערובת של Fe ²⁺ ו- Fe ³⁺ .

שמות מסורתיים

הסיומת –ico ניתנת לקידומת ferr- כאשר ל- Fe יש ערכיות +3, וגם- כאשר הערכיות שלו היא 2+. לפיכך, Fe ₂ O ₃ נקרא: תחמוצת הברזל.

יישומים

חלקיקים ננו

לתחמוצות ברזל ישנה אנרגיית התגבשות גבוהה המאפשרת ליצור גבישים קטנים מאוד אך עם שטח פנים גדול.

מסיבה זו, הם מעוניינים מאוד בתחומי הננו-טכנולוגיה, שם הם מתכננים ומסנתזים חלקיקי ננו-תחמוצת (NPs) למטרות ספציפיות:

כזרזים.

-מאגר של תרופות או גנים בגוף

-בתכנון משטחי חישה לסוגים שונים של ביומולקולות: חלבונים, סוכרים, שומנים

לאחסן נתונים מגנטיים

פיגמנטים

מכיוון שחלק מהתחמוצות יציבות מאוד, ניתן להשתמש בהן כדי לצבוע טקסטיל או להעניק צבעים בהירים למשטחים של כל חומר. מהפסיפסים בקומות; צבעי אדום, צהוב וכתום (אפילו ירוק); קרמיקה, פלסטיקה, עור ואפילו עבודות אדריכלות.

הפניות

1. נאמני מכללת דארטמות '. (18 במרץ, 2004). סטוכיומטריה של תחמוצות ברזל. נלקח מ: dartmouth.edu
2. Ryosuke Sinmyo et al. (8 בספטמבר 2016). גילוי Fe ₇ O ₉ : תחמוצת ברזל חדשה עם מבנה מונוקליני מורכב. התאושש מ: nature.com
3. מ. קורנל, א. שוורטמן. תחמוצות הברזל: מבנה, תכונות, תגובות, אירועים ושימושים. . WILEY-VCH. נלקח מ: epsc511.wustl.edu
4. אליס בו. (2018). חלקיקים של תחמוצת ברזל, מאפיינים ויישומים. לקוח מ: sigmaaldrich.com
5. עלי, א., צפר, ח., זיא, מ., Ul Haq, I., Phull, AR, עלי, JS, & Hussain, A. (2016). סינתזה, אפיון, יישומים ואתגרים של חלקיקי ננו-תחמוצת הברזל. ננו-טכנולוגיה, מדע ויישומים, 9, 49–67. http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
6. פיגמנטים של גולצ'ה. (2009). תחמוצות ברזל: יישומים. נלקח מ: golchhapigments.com
7. ניסוח כימי. (2018). תחמוצת ברזל (II). נלקח מ: formulacionquimica.com
8. ויקיפדיה. (2018). תחמוצת ברזל (III). נלקח מ: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_oxide