Оксиды железа: свойства, реакции, применение, польза и вред

Оксид железа – это неорганическое соединение железа и кислорода. В природе с разной частотой встречаются порядка 16 видов оксидов. Человек активно использует только три разновидности: оксид железа II, оксид железа III и смесь оксидов (II и III). Основная сфера применения веществ – тяжёлая промышленность, где они используется для изготовления специальных электродов, боевых снарядов, при выплавке чугуна. В промышленной химии железные оксиды применяются при производстве красок, как катализаторы некоторых реакций.  Вещество важно для пищевой промышленности в качестве пищевой добавки Е172, необходимой для окрашивания продуктов.

Что такое оксид железа, разновидности (оксид железа II, оксид железа III), формулы

Оксид железа – это сложное вещество, состоящее из железа в связи с кислородом. В зависимости от соотношения металла и неметалла выделяют различные виды оксидов, внутри соединения – ионная связь. Широкий спектр сочетаний обусловлен разной валентностью железа – число атомов, с которыми элемент может образовывать химическую связь. Железо имеет переменную валентность: бывает II и III степень. В связи с этим различают такие оксиды:

• оксид железа II (закись железа) – FeO, металл имеет валентность II;
• оксид железа III (окись железа) – Fe₂O₃, железо имеет валентность III.
• оксид железа II и III (железная окалина) – Fe₃O₄ либо FeO ∙ Fe₂O₃, это комплексное соединение, двойной оксид.

Все разновидности встречаются в природе в виде минералов. Закись железа представлена вюститом. Этот минерал характеризуется недостатком атомов железа, внешний вид – непрозрачные кристаллические корочки чёрного, серого цвета, иногда коричневого. Обладает металлическим блеском, твёрдый, при этом хрупкий, твёрдость по шкале Мооса – 5, отличается высокой плотностью.

Оксид железа III (окись железа) структурная формула и молекула

Вюстит встречается редко, в основном в метеоритах, антропогенных шлаках, на дне глубоководных солёных озёр, в алмазах в виде включений. Выступает продуктом преобразований других железосодержащих минералов. Основные месторождения в России – Челябинская область, Красноярский край, Приморский край.

Окись железа очень распространена в природе, находится в форме минерала гематита. Он представляет собой толстые кристаллы таблитчатой или пластинчатой формы чёрного-красного цвета. Излом раковистый, окраска на изломе коричневая либо вишневая. Непрозрачен, с ярким металлическим блеском. Плотность и твёрдость высокая, значение по Моосу – 5 – 5,5.  Часто встречается в виде срощенных кристаллов в форме розы, чешуек.

Гематит – это важный в промышленном отношении минерал, его скопления – железные руды. Встречается рядом с кварцевыми отложениями, хлоритами, баритами. Довольно часть образует залежи. Много месторождений на территории Украины (Кривбасс), в России – в Карелии, на Урале. Как включение присутствует в осадочных и горных породах. В Европе есть залежи в Швейцарии (Альпы), встречается и в Австралии, Бразилии.

Железная окалина в естественных условиях обнаруживается в качестве магнетита.  Этот минерал внешне выглядит как непрозрачные октаэдрические кристаллы черного цвета с металлическом блеском и синим отливом. На изломе неровные с чёрной чертой, грани покрыты штриховкой. Высокая плотность – 5,1 г/см³, при твёрдости в 5-6 по шкале Мооса. Является полупроводником с низкой электропроводностью, обладает сильными магнитными свойствами.

Магнетит – это ценный материал для добычи оксида железа. По химическому составу на 72% состоит из чистого железа, встречается практически 70% содержание оксида железа III и 31% содержание закиси железа. Также содержит порядка 27% кислорода. Примеси представлены в основном магнием, алюминием, хромом, марганцем. Загрязнённость варьирует, зависит от условий образования и температуры окружающей среды, чаще всего она невелика.

Магнетит широко распространён в России на всей территории Урала, в Центральной и Западной Сибири, в Забайкайле, Дальнем Востоке и Якутии. Встречается в Казахстане, Узбекистане, Белоруси. В магматических горных породах минерал представлен в виде вкраплений, его можно найти в гидротермальных источниках, образует широкие залежи железных руд.

Физические свойства оксидов железа

Оксид железа II при нормальных условиях имеет вид чёрных мелких кристаллов с высокой насыпной плотностью. Характеризуется недостатком атомов железа, поскольку только при таком условии кристаллическая решётка вещества остаётся стабильной. Устойчивость повышается при подогревании. Не имеет вкуса и запаха. Температура плавления – 1377 °С, термическое разложение начинается при температурном режиме 700-800 °С.

Оксид железа III – это мелкодисперсный порошок красного цвета, высокоплотный. Плавится при 1566 °С,  не подвержен термическому разложению. Обладает выраженными магнитными свойствами. Характерно отсутствие вкуса и запаха. Устойчив к действию органических кислот и свету.

Железная окалина представлена черными кристаллами, образующими плотный порошок. Температура плавления составляет 1590 °С. Проявляет выраженный магнетизм и электропроводимость. Вещество не растворяется в воде, но способно соединяться с ней, формируя кристаллогидрат с формулой FeO ∙ Fe₂O₃ ∙ 2H₂O. Безвкусен, запах отсутствует.  Выдерживает действие органических кислот, несветочувствителен.

Реакции с оксидами железа, взаимодействия и химические свойства

Закись железа проявляет основные свойства за счёт металла. Это типичный представитель основных оксидов, поэтому он взаимодействует с соединениями, имеющими противоположные свойства – кислотными оксидами:

FeO + SO₃ → FeSO₄

Вступая в реакцию к кислотными оксидами, основный оксид даёт соль соответствующего металла (например, сульфат железа). Оксид железа II реагирует с кислотами, соляной кислотой,  образуя при взаимодействии растворимую соль и воду:

FeO + HCl – FeCl₂ + H₂O

В связи с низкой стабильностью двухвалентная закись железа легко окисляется до трёхвалентного состояния. Это происходит при взаимодействии с концентрированными кислотами, в том числе при реакции с азотной кислотой:

FeO + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + 2H₂O + NO₂↑

При этом образуется нитрат железа III, вода и бурый газ. В ходе реакции с разбавленными кислотами происходит изменение валентности и степени окисления металла, но изменяется состав побочных продуктов:

3FeO + 10HNO₃ → 3Fe(NO₃)₃ + 5H₂O + NO↑

Несмотря на основный характер, оксид железа II может проявлять слабые окислительные свойства при нагревании, при этом выделяется чистое железо:

FeO + CO → Fe↓ + CO₂↑

Окись железа является амфотерным соединением, т.е. проявляет как основные, так и кислотные свойства в зависимости от ситуации. Такие вещества способны реагировать с кислотами и основаниями. Поэтому оксид железа III взаимодействует с кислотами, реакция:

Fe₂O₃ + 6HNO₃ → 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

При этом окись железа может вступать в реакцию с щелочами при интенсивном нагревании. В результате взаимодействия образуются ферриты:

Fe₂O₃ + 2NaOH → 2NaFeO₂ + H₂O

При взаимодействии с сильными окислителями железо в составе окиси может окисляться до степени окисления +6. Это происходит при реакции с хлоратом калия, хлор в щелочной среде приводит к образованию феррата с Fe⁶⁺:

Fe₂O₃ + KClO₃ + 4KOH → 2K₂FeO₄ + KCl + 2H₂O

При обеспечении щелочной среды даже соли азотной и азотистой кислот могут вступать во взаимодействие и окислить оксид железа III:

Fe₂O₃ + KNO₃ + KOH → 2K₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O

Оксид железа III взаимодействует и с восстановителями, при реакции металл выпадает в осадок и образуется гидроксид:

Fe₂O₃ + 3NaH → 3NaOH + 2Fe↓

Окись железа проявляет окислительные свойства в реакциях с менее активными окислителями, например, при взаимодействии с угарным газом:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe↓ + 3CO₂↑

Реакция может идти другим путём, с образованием оксида железа II:

Fe₂O₃ + CO → 2FeO + CO₂↑

В ходе взаимодействия возможно выделение железной окалины:

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂↑

Среди простых веществ окись железа может вступать в реакции и с самим железом:

Fe₂O₃ + Fe → 3FeO

Возможно взаимодействие с более активными металлами, реакция с алюминием:

Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃

При сплавлении с летучими оксидами возможно вытеснение их из солей при сплавлении, железо занимает их место:

Fe₂O + Na₂CO₃ → 2NaFeO₂ + CO₂↑

Химические свойства железной окалины обусловлены совокупностью свойств оксида железа II и оксида железа III, которые характеризуются основностью и амфотерностью. Оксид железа II, III взаимодействует с кислотами и кислотными оксидами с образованием солей железа II и II, а также с выделением воды:

Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O

Железная окалина вступает во взаимодействия с концентрированной серной и азотной кислотами, при этом происходит реакция окисления железа до соответствующей соли:

3Fe₃O₄ + 10HNO₃ → NO₂↑ +3Fe(NO₃)₃ + 5H₂O

Оксид железа II, III может окисляться при взаимодействии с кислородом до оксида железа III:

4Fe₃O₄ + O₂ → 6Fe₂O₃

Железная окалина подвержена восстановлению водородом до чистого железа и воды, реакция:

Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe↓ + 4H₂O

Оксид железа II,III способен взаимодействовать с сильнейшими восстановителями. Такими, как йодиды. В ходе реакции образуется молекулярный йод, который выделяется в виде паров, вода, а также йодид железа II.

Fe₃O₄ + 8HI → 3FeI₂ + I₂↑ + 4H₂O

Вещество проявляет окислительные свойства в реакциях с угарным газом при нагревании:

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂↑

Производство и получение

Закись железа в лаборатории и промышленности получают посредством восстановления окиси железа при взаимодействии с водородом, угарным газом либо железом при условии значительного повышения температур (порядка 600°С):

Fe₂O₃ + H₂↑ →2FeO + 3H₂O

Fe₂O₃ + CO↑ →2FeO + CO₂↑

Fe₂O₃ + Fe →3FeO

Возможно получение оксида железа II путём термического разложения гидроксида железа при нагревании до 200 °С без доступа воздуха:

Fe(OH)₂ → FeO + H₂O

При разложении карбоната железа в качестве продукта выделяется оксид железа II:

FeCO₃ → FeO + CO₂↑

В промышленности используют более массовые методики производства, выход при которых существенно выше, а условия протекания реакций не такие жёсткие. Так, оксид железа II производят из неорганической соли сульфата аммония-железа – FeSO₄ ∙ (NH₄)₂SO₄ ∙ 6H₂O (соль Мора). Процесс идёт в несколько этапов:

1. Синтезируют сульфат аммония-железа. Для этого в реакторе разогревают концентрированный раствор сульфата железа II, медленно вносят туда щавелевую кислоту.
2. Образовавшийся оксалат железа отфильтровывают и промывают для очищения от сульфат-иона, затем высушивают при 100-110 °С.
3. Порошок оксалата железа прокаливают при 500-600 °С, образуется закись железа.

Окись железа добывают из солей и их кристаллогидратов, в которых металл имеет валентность III, например, сульфатов и нитратов:

4Fe(NO₃)₃ ∙ 9H₂O → 2Fe₂O₃ + 10NO₂↑ + 3O₂↑ + 36H₂O

Fe₂(SO₄)₃ → Fe_фO₃ + 3SO₃↑

Оксид железа III добывают еще обезвоживанием амфотерных гидроксидов при прокаливании. Так, разогревают метагидроксид железа, являющийся продуктом атмосферной коррозии железа (ржавчина):

2FeO(OH) → Fe₂O₃ + H₂O

Возможен синтез соединения при реакции окисления закиси железа кислородом:

FeO + O₂ → Fe₂O₄

Термическое разложение гидроксида железа, в котором металл имеет валентность III, приводит к образованию окиси железа:

2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O

Оксид железа III в промышленности получают различными способами, которые отличаются друг от друга набором реактивов, разным количеством стадий и затрат времени. Для этого используются как природный минерал, так и чистые синтетические вещества. Распространена методика добычи вещества из карбоната железа:

1. Карбонат железа синтезируют с помощью медленного внесения сульфата железа к смеси карбонатов аммония при постоянном перемешивании. Образуется осадок угольной соли железы, маточный раствор сливается.
2. Порошок карбоната железа направляют в промывочные ванны, где выполаскивают растворимые примеси. Затем его просушивают.
3. Кристаллы поступают в печь, где при температуре порядка 550-600 °С проводят окисление на воздухе, в результате чего выделяется окись железа.

Создаются более совершенные способы, которые отличаются удешевлением процесса при одновременной экономии времени и исходного сырья. Один из таких методов – добыча оксида железа III из закиси железа при добавлении нитрата натрия и щелочи. В качестве гидроксида используют едкий натр, который обеспечивает щелочную реакцию среды, повышение показателя pH. В ходе взаимодействия оксида железа II с нитритом натрия образуется нерастворимый осадок окиси железа, который промывают от примесей, высушивают и измельчают.

Железная окалина может быть получена с помощью сгорания железа в кислороде при температурном режиме, достигающем 150-600 °С:

3Fe + 2O₂↑ → Fe₃O₄

При воздействии горячего пара на порошок железа образуется соединение оксидов железа II и III. Температура пара достигает 800 °С:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂↑

Возможна добыча железной окалины при медленном восстановлении оксида железа III молекулярным водородом либо угарным газом:

3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ + H₂O

Эти же реакции являются основой для получения закиси-окиси железа в промышленности.

Полезные свойства

Оксиды железа, которые человек употребляет в пищу в составе продуктов питания, практически не усваивается. Это связано с их нерастворимостью и устойчивостью к действию кислотной и щелочной среды. В связи с тем, что пищевая добавка Е172 не расщепляется и не всасывается в желудочно-кишечном тракте, она не влияет на концентрацию железа в плазме крови и не приносит организму ни вреда, ни пользы.

Полезные свойства окиси, закиси железа или железной окалины обусловлены активным внедрением этих веществ в производственную сферу. Они являются необходимыми компонентами многих промышленных процессов и незаменимыми реактивами.

Вред

Оксид железа II не токсичен и не вызывает раздражения, попадая на слизистые оболочки или кожу. Однако длительное вдыхание оксидной пыли или других аэрозолей (дыма) приводит к осаждению закиси в лёгких, что повлечет за собой затруднённое и недостаточное дыхание. При этом развивается воспалительное заболевание – сидероз, которое характеризуется разрастанием соединительной ткани в лёгких и потерей эластичности альвеол.

Оксид железа III и железная окалина не оказывают острого токсичного действия на организм. Однако в высоких концентрациях они могут повреждать кожу, вызывая раздражение, зуд и боль. Вдыхание провоцирует развитие пневмокониоза.

Применение

Оксиды железа используются во многих сферах деятельности. Основная область применения – различные отрасли промышленности, прежде всего химическая, нефтехимическая, тяжёлая, а также пищевая. Ценятся окрашивающие свойства вещества, разнообразие окрасок бывает от чёрной до оранжевой и красной. При этом добавка безвредна для человека, не имеет вкуса и запаха.

Применение оксидов железа в пищевой промышленности

Пищевая добавка оксиды железа в пищевой промышленности обозначаются общим кодом Е172. Для разновидностей существуют маркировки:

• Е171(i) – оксид железа II, III (железная окалина);
• Е171 (ii) – оксид железа III (окись железа);
• Е171 (iii) – оксид железа II (закись железа).

Все они придают разную окраску пищевым продуктам. Пищевая добавка Е171(i) придаёт чёрный, тёмно-коричневый цвет, пищевая добавка Е171(ii) – преимущественно красный, пищевая добавка Е171(iii) – оранжевый, желтый, коричневый.  Благодаря тому, что соединение не имеет вкуса, запаха, не оказывает отрицательного влияния на организм и не вступает во взаимодействие с органическими веществами пищи, оно нашло широкое применение в сфере производства продукции. Оксиды железа можно найти в составе таких товаров, как:

• мясной и рыбный паштет;
• фруктовая и овощная консервация;
• шоколад и какао-содержащие изделия;
• готовые смеси для выпечки;
• конфеты, драже и леденцовая карамель;
• искусственная чёрная и красная икра;
• корм для животных.

Установлена предельно допустимая суточная доза употребления пищевой добавки Е172 – 0,5 мг/кг веса человека. Добиться передозировки очень сложно, т.к. в продуктах питания её очень мало.

Применение оксидов железа в тяжёлой и других видах промышленности

Закись железа необходима для выплавки чугуна из железорудного сырья в специализированных доменных печах. Он выступает в роли катализатора реакции формирования жидкого чугуна.

Оксид железа II используют при производстве кирпича. Он придаёт им красный цвет после обжига. Аналогичную функцию соединение выполняет и при выпуске керамических и минеральных красок цветового диапазона от оранжевого до ярко-красного.

Образование оксидной плёнки закиси железа на стали – основа нанесения на неё цветных рисунков. Различная толщина слоя оксида железа II даёт различные цвета, что позволяет добиться уникального изображения.

Окись железа необходима для чугунного и керамического производства. Она важный компонент железного термита, который нужен для крепкой сварки стальных конструкция. Этот порошок не взрывоопасен, однако выделяет большое количество тепла при возгорании, что позволяет разогреть сшиваемые поверхности до 2700 °С.

Нанокристаллы оксида железа III могут выступать в качестве носителя информации, например, магнитных лент. Порошковая кристаллическая окись полирует и зачищает такие поверхности, как стекло и сталь.

Окись железа применима для производства ракетного и боевого карамельного топлива с высокой скоростью сгорания. Она может быть использована для импровизированных ракетных снарядов, характеризуется высокой гигроскопичностью и малой токсичностью.

Оксид железа III используется в нефтехимии как катализатор реакции дегидрирования веществ, содержащих двойные связи (диены).  Дегидрирование предполагает удаление, отщепление водорода. Диеновые полимеры являются важными каучукообразными соединениями.

Окись-закись железа используется для производства электродов, т.к. обладает электроповодностью, а также как чёрный краситель в различных производственных процессах. Важна медицинская сторона применения, т.к. нанокристаллический порошок, проявляющий магнитную активность, является составной частью аппаратов МРТ.

Тип пищевой добавки, класс опасности и токсичности, хранение

Пищевая добавка Е172 относится к типу красителей синтетического происхождения. Относится к 3 классу опасности – умеренно опасные вещества, требует соблюдения мер безопасности при обращении, ношения защитной одежды, в особенности респиратора. Не проявляет острой токсичности, однако может нанести ущерб здоровью при систематическом вдыхании аэрозолей.

Хранить оксиды железа необходимо отдельно от пищевых продуктов и посуды, в оригинальной плотно закрытой упаковке при относительной влажности не более 70%, в сухом вентилируемом помещении. Рекомендуемый температурный режим от +15 °С до +25 °С. Срок годности при соблюдении условий хранения не ограничен.

Где купить и сколько стоит

Оксиды железа продаются заводами-производителями, как зарубежными, так и отечественными. Стоимость 1 кг от 111 рублей, минимальный объём закупки, как правило, составляет не менее 25 кг. Меньшие объёмы можно приобрести в магазинах химических реактивов, ёмкости от 1 кг стоят порядка 400 рублей.

Заключение

Оксиды железа – это неорганические вещества, которые широко используют во многих сферах. Они являются незаменимым сырьём для выплавки чугуна, качественными катализаторами реакций, электропроводниками и источниками магнетизма. Особая окраска позволяет применять их в качестве пигментов для придания жёлтого, красного, оранжевого и чёрного цветов продуктам питания. Они нетоксичны и, как считают ученые, не вредят организму. Однако вдыхание аэрозольных оксидов железа на производстве влечет воспалительные заболевания лёгких. Несмотря на содержание железа, эти оксиды не усваиваются и не влияют на концентрацию микроэлемента в плазме крови.

Читайте также:

• Гидроксид аммония: свойства, применение, опасность, реакции
• Сульфат калия: свойства, формула, применение
• Сульфит калия: свойства, применение, формула, реакции
• Хлорид калия: описание, свойства инструкция, применение