Окси́д желе́за(II,III) — за́кись-о́кись железа, желе́зная ока́лина — неорганическое соединение, двойной оксид металла железа с формулой ${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$ или ${\displaystyle {\ce {FeO.Fe2O3}}}$ , чёрные кристаллы, не растворимые в воде, существует кристаллогидрат .

Образуется на поверхности стальных и железных предметов в виде слоя чёрной окалины при их накаливании на воздухе.

Нахождение в природе

В природе встречаются большие залежи минерала магнетита (магнитного железняка) — ${\displaystyle {\ce {Fe3O4}}}$ с различными примесями.

В виде нанокристаллов (размером 42—45 нм) магнетит обнаружен в и ткани клюва почтовых голубей .

Получение

Сжигание порошкообразного железа на воздухе:

${\displaystyle {\ce {3 Fe + 2 O2 ->[150-600\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Fe3O4}}}$ .

Действие перегретого пара на железо:

${\displaystyle {\ce {3 Fe + 4 H2O ->[800\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Fe3O4 + 4 H2}}}$ .

Осторожное восстановление оксида железа(III) водородом :

${\displaystyle {\ce {3 Fe2O3 + H2 ->[400\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 2 Fe3O4 + H2O}}}$ .

Восстановление оксидом углерода (II) :

${\displaystyle {\ce {CO + 3 Fe2O3 -> 2 Fe3O4 + CO2}}}$ .

Физические свойства

Оксид железа(II,III) при комнатной температуре образует чёрные кристаллы кубической сингонии , пространственная группа F d 3 m , параметры ячейки a = 0,8393 нм , Z = 8 (структура обращённой шпинели ). При 627 °С α -форма переходит в β -форму. При температуре ниже 120—125 К устойчива моноклинная форма.

Ферримагнетик с точкой Кюри 858 К (572 °С) .

Обладает некоторой электрической проводимостью . Электропроводность низкая. Полупроводник .

Истинная удельная электропроводность монокристаллического магнетита максимальна при комнатной температуре ( 250 Ом ⁻¹ ·см ⁻¹ ), она быстро снижается при понижении температуры, достигая значения около 50 Ом ⁻¹ ·см ⁻¹ при температуре перехода Вервея (фазового перехода от кубической к низкотемпературной моноклинной структуре, существующей ниже T _V = 120—135 К ) . Электропроводность моноклинного низкотемпературного магнетита на 2 порядка ниже, чем кубического ( ~1 Ом ⁻¹ ·см ⁻¹ при T _V ); она, как и у любого типичного полупроводника, очень быстро уменьшается с понижением температуры, достигая нескольких единиц ×10 ⁻⁶ Ом ⁻¹ ·см ⁻¹ при 50 К . При этом моноклинный магнетит, в отличие от кубического, проявляет существенную анизотропию электропроводности — проводимость вдоль главных осей может отличаться более чем в 10 раз . При 5,3 К электропроводность достигает минимума ~10 ⁻¹⁵ Ом ⁻¹ ·см ⁻¹ и растёт при дальнейшем понижении температуры. При температуре выше комнатной электропроводность медленно уменьшается до ≈180 Ом ⁻¹ ·см ⁻¹ при 780—800 К , а затем очень медленно растёт вплоть до температуры разложения .

Измеренная величина электропроводности поликристаллического магнетита в зависимости от наличия трещин и их ориентации может различаться в сотни раз.

Образует кристаллогидрат состава ${\displaystyle {\ce {Fe3O4.2H2O}}}$ .

Химические свойства

Разлагается при нагревании:

${\displaystyle {\ce {2 Fe3O4 ->[1538\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 6 FeO\ + O2}}}$ .

Реагирует с разбавленными кислотами :

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 8 HCl -> FeCl2 + 2 FeCl3 + 4 H2O}}}$ .

Реагирует с концентрированными окисляющими кислотами:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 10 HNO3 -> 3 Fe(NO3)3 + NO2 ^ + 5 H2O}}}$ .

Реагирует с щелочами при сплавлении:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 14 NaOH ->[400-500 ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] Na4FeO3 + 2 Na5FeO4 + 7 H2O}}}$ .

Окисляется кислородом воздуха:

${\displaystyle {\ce {4 Fe3O4 + O2 ->[450-600\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 6 Fe2O3}}}$ .

Восстанавливается водородом и монооксидом углерода :

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + 4 H2 ->[1000\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 3 Fe + 4 H2O,}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe3O4\ +4CO->[700^{\circ }C]3Fe\ +4CO2}}}$ .

Конпропорционирует при спекании с металлическим железом:

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + Fe ->[900-1000\ ^{{\ce {o}}}{\ce {C}}] 4 FeO}}}$ .

Алюминотермическая реакция при нагревании смеси порошков оксида железа(III) и алюминия :

${\displaystyle {\ce {2Al + Fe2O3 -> Al2O3 + 2Fe}}}$ .

Применение

• Для изготовления специальных электродов.
• В качестве чёрного пигмента .
• В составе термитных смесей .
• Нанокристаллы используются в качестве контрастирующего вещества в медицинской диагностике с помощью магнитно-резонансной томографии .
• В пищевой промышленности используются в качестве пищевого красителя ( E172 ).

Примечания

Литература

• Химическая энциклопедия / Редкол.: Кнунянц И. Л. и др.. — М. : Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — 671 с. — ISBN 5-82270-035-5 .
• Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.. — 2-е изд., испр. — М. — Л. : Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
• Справочник химика / Редкол.: Никольский Б. П. и др.. — 3-е изд., испр. — Л. : Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.
• Лидин Р. А. и др. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов. — 3-е изд., испр.. — М. : Химия, 2000. — 480 с. — ISBN 5-7245-1163-0 .
• Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М. : Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.

п • • р Оксиды
H 2 O
Li 2 O LiCoO 2 Li 3 PaO 4 Li 5 PuO 6 Ba 2 LiNpO 6 LiAlO 2 Li 3 NpO 4 Li 2 NpO 4 Li 5 NpO 6 LiNbO 3	BeO											B 2 O 3	С 3 О 2 C 12 O 9 CO C 12 O 12 C 4 O 6 CO 2	N 2 O NO N 2 O 3 N 4 O 6 NO 2 N 2 O 4 N 2 O 5	O	F
Na 2 O NaPaO 3 NaAlO 2 Na 2 PtO 3	MgO											AlO Al 2 O 3 NaAlO 2 LiAlO 2 AlO(OH)	SiO SiO 2	P 4 O P 4 O 2 P 2 O 3 P 4 O 8 P 2 O 5	S 2 O SO SO 2 SO 3	Cl 2 O ClO 2 Cl 2 O 6 Cl 2 O 7
K 2 O K 2 PtO 3 KPaO 3	CaO Ca 3 OSiO 4 CaTiO 3	Sc 2 O 3	TiO Ti 2 O 3 TiO 2 TiOSO 4 CaTiO 3 BaTiO 3	VO V 2 O 3 V 3 O 5 VO 2 V 2 O 5	FeCr 2 O 4 CrO Cr 2 O 3 CrO 2 CrO 3 MgCr 2 O 4	MnO Mn 3 O 4 Mn 2 O 3 MnO(OH) Mn 5 O 8 MnO 2 MnO 3 Mn 2 O 7	FeCr 2 O 4 FeO Fe 2 O 3	CoFe 2 O 4 CoO Co 3 O 4 CoO(OH) Co 2 O 3 CoO 2	NiO NiFe 2 O 4 Ni 3 O 4 NiO(OH) Ni 2 O 3	Cu 2 O CuO CuFe 2 O 4 Cu 2 O 3 CuO 2	ZnO	Ga 2 O Ga 2 O 3	GeO GeO 2	As 2 O 3 As 2 O 4 As 2 O 5	SeOCl 2 SeOBr 2 SeO 2 Se 2 O 5 SeO 3	Br 2 O Br 2 O 3 BrO 2
Rb 2 O RbPaO 3 Rb 4 O 6	SrO	Y 2 O 3 YOF YOCl	ZrO(OH) 2 ZrO 2 ZrOS Zr 2 О 3 Сl 2	NbO Nb 2 O 3 NbO 2 Nb 2 O 5 Nb 2 O 3 (SO 4 ) 2 LiNbO 3	Mo 2 O 3 Mo 4 O 11 MoO 2 Mo 2 O 5 MoO 3	TcO 2 Tc 2 O 7	Ru 2 O 3 RuO 2 Ru 2 O 5 RuO 4	RhO Rh 2 O 3 RhO 2	PdO Pd 2 O 3 PdO 2	Ag 2 O Ag 2 O 2	Cd 2 O CdO	In 2 O InO In 2 O 3	SnO SnO 2	Sb 2 O 3 Sb 2 O 4 Hg 2 Sb 2 O 7 Sb 2 O 5	TeO 2 TeO 3	I 2 O 4 I 4 O 9 I 2 O 5
Cs 2 O Cs 2 ReCl 5 O	BaO BaPaO 3 BaTiO 3 BaPtO 3		HfO(OH) 2 HfO 2	Ta 2 O TaO TaO 2 Ta 2 O 5	WO 2 Br 2 WO 2 WO 2 Cl 2 WOBr 4 WOF 4 WOCl 4 WO 3	Re 2 O ReO Re 2 O 3 ReO 2 Re 2 O 5 ReO 3 Re 2 O 7	OsO Os 2 O 3 OsO 2 OsO 4	Ir 2 O 3 IrO 2	PtO Pt 3 O 4 Pt 2 O 3 PtO 2 K 2 PtO 3 Na 2 PtO 3 PtO 3	Au 2 O AuO Au 2 O 3	Hg 2 O HgO (Hg 3 O 2 )SO 4 Hg 2 O(CN) 2 Hg 2 Sb 2 O 7 Hg 3 O 2 Cl 2 Hg 5 O 4 Cl 2	Tl 2 O Tl 2 O 3	Pb 2 O PbO Pb 3 O 4 Pb 2 O 3 PbO 2	BiO Bi 2 O 3 Bi 2 O 4 Bi 2 O 5	PoO PoO 2 PoO 3	At
Fr	Ra		Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn	Nh	Fl	Mc	Lv	Ts
		↓
		La 2 O 2 S La 2 O 3	Ce 2 O 3 CeO 2	PrO Pr 2 O 2 S Pr 2 O 3 Pr 6 O 11 PrO 2	NdO Nd 2 O 2 S Nd 2 O 3 NdHO	Pm 2 O 3	SmO Sm 2 O 3	EuO Eu 3 O 4 Eu 2 O 3 EuO(OH) Eu 2 O 2 S	Gd 2 O 3	Tb	Dy 2 O 3	Ho 2 O 3 Ho 2 O 2 S	Er 2 O 3	Tm 2 O 3	YbO Yb 2 O 3	Lu 2 O 2 S Lu 2 O 3 LuO(OH)
		Ac 2 O 3	UO 2 UO 3 U 3 O 8	PaO PaO 2 Pa 2 O 5 PaOS	ThO 2	NpO NpO 2 Np 2 O 5 Np 3 O 8 NpO 3	PuO Pu 2 O 3 PuO 2 PuO 3 PuO 2 F 2	AmO 2	Cm 2 O 3 CmO 2	Bk 2 O 3	Cf 2 O 3	Es	Fm	Md	No	Lr