Оксид железа(III) и его полиморфные формы

Введение

Химическое соединение

Структура

Fe2O3 может существовать в различных полиморфных модификациях. В основной полиморфной модификации α железо имеет координационное число шесть и октаэдрическую геометрию. То есть, каждый атом Fe связан с шестью кислородными лигандами. В γ-полиморфе часть атомов Fe занимает тетраэдрические позиции, координированные четырьмя кислородными лигандами.

Альфа-фаза

α Fe2O3 имеет ромбоэдрическую, корундную (α Al2O3) структуру и является наиболее распространенной формой. В природе он встречается в виде минерала гематита, который добывают как основную железную руду. Он антиферромагнитен при температурах ниже ~260 К (температура перехода Морина) и проявляет слабую ферромагнитность в диапазоне от 260 К до температуры Неэля, 950 К. Его легко получить как термическим разложением, так и осаждением из жидкой фазы. Его магнитные свойства зависят от множества факторов, таких как давление, размер частиц и напряженность магнитного поля.

Гамма-фаза

γ Fe2O3 имеет кубическую структуру. Он метастабилен и образуется из альфа-фазы при высоких температурах. В природе встречается в виде минерала маггемита. Он ферромагнитен и используется в магнитных лентах. Эпсилонная (ε) фаза имеет ромбическую структуру и проявляет свойства, промежуточные между альфа- и гамма-фазами, что может быть полезно для создания высокоплотных носителей информации для хранения больших объемов данных. Получение чистой эпсилонной фазы является сложной задачей. Материал с высоким содержанием эпсилонной фазы можно получить путем термического преобразования гамма-фазы. Эпсилонная фаза также метастабильна и преобразуется в альфа-фазу при определенных температурах. Её также можно получить путем окисления железа в электрической дуге или методом золь-гель осаждения из нитрата железа(III). Исследования выявили наличие эпсилонного оксида железа(III) в древних китайских глазурях керамики Цзянь, что может дать представление о способах его получения в лабораторных условиях. Кроме того, сообщается о существовании аморфной формы при высоком давлении.

Жидкая фаза

Ожидается, что расплавленный Fe2O3 будет иметь координационное число, близкое к 5 атомам кислорода вокруг каждого атома железа, что основано на измерениях слегка дефицитных по кислороду переохлажденных капель жидкого оксида железа, где переохлаждение позволяет избежать необходимости в высоком давлении кислорода, требуемом выше температуры плавления для поддержания стехиометрии.

Гидрированные оксиды железа

Существует несколько гидратов оксида железа(III). При добавлении щелочи к растворам растворимых солей Fe(III) образуется красно-коричневый желатинообразный осадок. Это не Fe(OH)3, а Fe2O3·H2O (также записывается как Fe(O)OH). Существует также несколько форм гидратированного оксида железа(III). Красный лепидокроцит (γ-Fe(O)OH) встречается на внешней стороне рустиклов, а оранжевый гоетит (α-Fe(O)OH) – внутри рустиклов. При нагревании Fe2O3·H2O теряет воду гидратации. Дальнейший нагрев при 1670 кельвинах превращает Fe2O3 в чёрный Fe3O4 (FeIIFeIII2O4), известный как минерал магнетит. Fe(O)OH растворим в кислотах, образуя [Fe(H2O)6]3+. В концентрированном водном щелочном растворе Fe2O3 образует [Fe(OH)6]3−.

Полировка

Очень мелкий порошок оксида железа известен как "ювелирный красный", "красная полировальная паста" или просто "красный". Он используется для финальной полировки металлических украшений и линз, а также исторически применялся в качестве косметики. Красный полирует медленнее, чем некоторые современные полироли, такие как оксид церия(IV), но всё ещё используется при изготовлении оптики и ювелирами для достижения превосходной отделки. При полировке золота красный слегка окрашивает его, что способствует внешнему виду готового изделия. Красный продаётся в виде порошка, пасты, нанесённого на полировальные ткани, или в виде твёрдого бруска (со связующим на основе воска или жира). Другие полировальные составы также часто называют "красным", даже если они не содержат оксида железа. Ювелиры удаляют остатки красного с украшений с помощью ультразвуковой очистки. Средства, продаваемые как "паста для правки", часто наносят на кожаный ремень для правки, чтобы придать остроту ножам, опасным бритвам или любому другому режущему инструменту.

Магнитная запись

Оксид железа(III) был наиболее распространенной магнитной частицей, используемой во всех типах магнитных носителей информации и средств записи, включая магнитные диски (для хранения данных) и магнитную ленту (применяемую в аудио- и видеозаписи, а также для хранения данных). Его применение в компьютерных дисках было вытеснено сплавом кобальта, что позволило создавать более тонкие магнитные пленки с большей плотностью записи.

Фотокатализ

α-Fe2O3 исследовался в качестве фотоанода для фотоэлектрохимического разложения воды. Однако его эффективность ограничена малой длиной диффузии (2–4 нм) фотовозбужденных носителей заряда и последующей быстрой рекомбинацией, что требует значительного перенапряжения для протекания реакции. Исследования направлены на повышение эффективности окисления воды на основе Fe2O3 посредством наноструктурирования или использования альтернативных кристаллических фаз, таких как β-Fe2O3.

Медицина

Лосьон каламина, используемый для лечения легкого зуда, в основном состоит из сочетания оксида цинка, обладающего вяжущим действием, и примерно 0,5% оксида железа (III), являющегося активным ингредиентом и обладающего противозудным действием. Красный цвет оксида железа (III) также в основном обуславливает розовый цвет лосьона.