أكسيد الحديد (III)

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

قارورة تحتوي على أكسيد الحديد (III)
أكسيد الحديد (III) في قارورة

أكسيد الحديد الثلاثي، أو أكسيد الحديديك، هو مركب غير عضوي صيغته الكيميائية Fe₂O₃ . يوجد في الطبيعة على شكل معدن الهيماتيت ، الذي يُعد المصدر الرئيسي للحديد في صناعة الصلب. يُعرف أيضاً باسم أكسيد الحديد الأحمر ، خاصةً عند استخدامه في الأصباغ .

وهو أحد الأكاسيد الرئيسية الثلاثة للحديد ، والآخران هما أكسيد الحديد (II) ( FeO )، وهو نادر؛ وأكسيد الحديد (II،III) ( Fe3O4 ) ، والذي يوجد أيضًا بشكل طبيعي كمعدن المغنيتيت .

يُطلق على أكسيد الحديد الثلاثي غالبًا اسم الصدأ ، نظرًا لتشابه الصدأ في العديد من الخصائص والتركيب؛ ومع ذلك، في الكيمياء، يُعتبر الصدأ مادة غير محددة المعالم، ويوصف بأنه أكسيد حديدي مائي. [ 10 ]

يتأثر أكسيد الحديديك بسهولة، حتى بالأحماض الضعيفة . وهو عامل مؤكسد ضعيف ، ويشتهر باختزاله بواسطة الألومنيوم في تفاعل الثرميت .

بناء

يمكن الحصول على Fe₂O₃ بأشكال متعددة . في الشكل الأولي ، α، يتخذ الحديد هندسة تنسيق ثمانية السطوح ، أي أن كل مركز حديد يرتبط بستة روابط أكسجين. أما في الشكل γ، فيوجد بعض الحديد في مواقع رباعية السطوح، مع أربعة روابط أكسجين.

المرحلة ألفا

يتميز أكسيد الحديد الثلاثي ( α- Fe₂O₃ ) ببنية معينية الأوجه ، على غرار الكوروندوم (α-Al₂O₃ ) ، وهو الشكل الأكثر شيوعًا. يوجد طبيعيًا على هيئة معدن الهيماتيت ، الذي يُستخرج كخام رئيسي للحديد. يتميز بخاصية مضادة للمغناطيسية عند درجات حرارة أقل من 260 كلفن تقريبًا ( درجة حرارة انتقال مورين )، ويُظهر مغناطيسية حديدية ضعيفة بين 260 كلفن ودرجة حرارة نيل ، 950 كلفن. [ 11 ] يسهل تحضيره باستخدام كلٍ من التحلل الحراري والترسيب في الحالة السائلة. وتعتمد خصائصه المغناطيسية على عوامل عديدة، مثل الضغط وحجم الجسيمات وشدة المجال المغناطيسي.

المرحلة غاما

يتميز أكسيد الحديد الثلاثي γ -Fe₂O₃ ببنية مكعبة . وهو غير مستقر ويتحول من الطور ألفا عند درجات حرارة عالية. يوجد طبيعيًا على شكل معدن الماغيميت . وهو مغناطيسي حديدي ويُستخدم في أشرطة التسجيل، [ 12 ] على الرغم من أن الجسيمات متناهية الصغر التي يقل حجمها عن 10 نانومترات فائقة المغناطيسية . يمكن تحضيره عن طريق التجفيف الحراري لأكسيد-هيدروكسيد الحديد الثلاثي غاما . وتتضمن طريقة أخرى الأكسدة الدقيقة لأكسيد الحديد الثنائي والثلاثي (Fe₃O₄ ) . [ 12 ] ويمكن تحضير الجسيمات متناهية الصغر عن طريق التحلل الحراري لأكسالات الحديد الثلاثي .

أطوار صلبة أخرى

تم تحديد أو الادعاء بوجود عدة أطوار أخرى. طور بيتا (β-phase) مكعب مركزي الجسم (المجموعة الفراغية Ia3)، غير مستقر ، ويتحول إلى طور ألفا عند درجات حرارة أعلى من 500 درجة مئوية (930 درجة فهرنهايت) . يمكن تحضيره عن طريق اختزال الهيماتيت بالكربون، أو التحلل الحراري لمحلول كلوريد الحديد الثلاثي ، أو التحلل الحراري لكبريتات الحديد الثلاثي . [ 13 ]  

طور إبسيلون (ε) معيني الشكل، ويُظهر خصائص متوسطة بين طوري ألفا وجاما، وقد يتمتع بخصائص مغناطيسية مفيدة قابلة للتطبيق في أغراض مثل وسائط التسجيل عالية الكثافة لتخزين البيانات الضخمة . [ 14 ] وقد أثبت تحضير طور إبسيلون النقي أنه أمر بالغ الصعوبة. يمكن تحضير مواد ذات نسبة عالية من طور إبسيلون عن طريق التحويل الحراري لطور جاما. كما أن طور إبسيلون غير مستقر، إذ يتحول إلى طور ألفا عند درجات حرارة تتراوح بين 500 و750 درجة مئوية (930 و1380 درجة فهرنهايت) . ويمكن تحضيره أيضًا عن طريق أكسدة الحديد في قوس كهربائي أو عن طريق الترسيب الهلامي من نترات الحديد الثلاثي . وقد كشفت الأبحاث عن وجود أكسيد الحديد الثلاثي إبسيلون في طلاءات خزف جيان الصيني القديم ، مما قد يُسهم في فهم طرق إنتاج هذا الشكل في المختبر. [ 15 ]  

بالإضافة إلى ذلك، يُزعم وجود شكل غير متبلور عند الضغط العالي . [ 5 ]

الطور السائل

من المتوقع أن يكون لأكسيد الحديد المنصهر Fe2O3 عدد تنسيق يقارب 5 ذرات أكسجين حول كل ذرة حديد، وذلك بناءً على قياسات قطرات أكسيد الحديد السائل فائق التبريد التي تعاني من نقص طفيف في الأكسجين، حيث يغني التبريد الفائق عن الحاجة إلى ضغوط الأكسجين العالية المطلوبة فوق نقطة الانصهار للحفاظ على التكافؤ الكيميائي . [ 16 ]

أكاسيد الحديد (III) المائية

توجد عدة هيدرات لأكسيد الحديد الثلاثي. عند إضافة القلويات إلى محاليل أملاح الحديد الثلاثي الذائبة، يتكون راسب هلامي بني محمر. هذا الراسب ليس Fe ( OH ) ₃ ، بل Fe₂O₃ · H₂O ( ويُكتب أيضًا Fe(O)OH ).

توجد أيضًا عدة أشكال من أكسيد الحديد الثلاثي المائي. يوجد الليبيدوكروكيت الأحمر (γ- Fe(O)OH ) على السطح الخارجي للصدأ ، بينما يوجد الجوثيت البرتقالي (α- Fe (O)OH ) في داخل الصدأ. عند تسخين Fe₂O₃ ·H₂O ، يفقد ماء التبلور. ويستمر التسخين عند1670  كلفن يحول Fe 2 O 3 إلى Fe 3 O 4 الأسود ( Fe II Fe III 2 O 4 )، والذي يُعرف باسم معدن المغنيتيت .

يذوب Fe(O)OH في الأحماض، مُعطيًا [ Fe(H₂O ) ₆ ] ³⁺ . في المحاليل القلوية المائية المركزة، يُعطي Fe₂O₃ [ Fe (OH ) ₆ ] ³⁻ . [ 12 ]

ردود الفعل

أهم تفاعل هو اختزاله الكربوني الحراري ، والذي ينتج عنه الحديد المستخدم في صناعة الصلب:

الحديد 2 O 3 + 3 CO → 2 الحديد + 3 CO 2

ومن تفاعلات الأكسدة والاختزال الأخرى تفاعل الثرميت الطارد للحرارة للغاية مع الألومنيوم . [ 17 ]

2 آل + الحديد 2 يا 3 → 2 الحديد + آل 2 يا 3

تُستخدم هذه العملية في لحام المعادن السميكة، مثل قضبان السكك الحديدية، وذلك باستخدام وعاء خزفي لتوجيه الحديد المنصهر بين جزأين من القضيب. كما يُستخدم الثرميت في صناعة الأسلحة، وفي صناعة المنحوتات والأدوات الصغيرة من الحديد الزهر.

اختزال جزئي بالهيدروجين عند حواليينتج عن درجة حرارة 400  درجة مئوية مادة مغناطيسية سوداء تحتوي على كل من Fe(III) و Fe(II): [ 18 ]

Fe₂O₃ + H₂ → 2 Fe₃O₄ + H₂O​​​​​

أكسيد الحديد الثلاثي غير قابل للذوبان في الماء، ولكنه يذوب بسهولة في الأحماض القوية، مثل حمض الهيدروكلوريك وحمض الكبريتيك . كما أنه يذوب جيدًا في محاليل عوامل التخليب مثل حمض الإيثيلين ديامين رباعي الأسيتيك وحمض الأكساليك .

يؤدي تسخين أكاسيد الحديد (III) مع أكاسيد المعادن الأخرى أو الكربونات إلى إنتاج مواد تُعرف باسم الفيرات (فيرات (III)): [ 18 ]

ZnO + Fe₂O₃ → Zn ( FeO₂ ) ₂

تحضير

أكسيد الحديد الثلاثي هو ناتج أكسدة الحديد. ويمكن تحضيره في المختبر عن طريق التحليل الكهربائي لمحلول بيكربونات الصوديوم ، وهو إلكتروليت خامل، باستخدام قطب حديدي موجب:

4 Fe + 3 O 2 + 2 H 2 O → 4 FeO(OH)

أكسيد الحديد (III) المائي الناتج، والمكتوب هنا باسم FeO(OH) ، يفقد الماء عند حوالي200  درجة مئوية . [ 18 ] [ 19 ]

2 FeO( OH ) → Fe₂O₃ + H₂O

الاستخدامات

صناعة الحديد

يُستخدم أكسيد الحديد الثلاثي ( Fe₂O₃ ) على نطاق واسع كمادة خام في صناعات الصلب والحديد، مثل إنتاج الحديد والصلب والعديد من السبائك. [ 19 ] وقد استُخدم أكسيد الحديد الثلاثي في ​​صناعة الزجاج الملون منذ العصور الوسطى، وتشير الأدلة إلى استخدامه في إنتاج الزجاج الملون منذ أوائل العصور الوسطى، حيث كان يُستخدم بشكل أساسي لإضفاء الألوان الصفراء والبرتقالية والحمراء على الزجاج، ولا يزال يُستخدم للأغراض الصناعية حتى اليوم. [ 20 ] [ 21 ]

تلميع

يُعرف مسحوق أكسيد الحديديك الناعم جدًا باسم "أحمر التلميع" أو "أحمر التلميع" أو ببساطة " أحمر التلميع". يُستخدم لإضفاء اللمسة النهائية على المجوهرات المعدنية والعدسات ، وكان يُستخدم تاريخيًا كمستحضر تجميلي . يُزيل أحمر التلميع المعادن ببطء مقارنةً ببعض مواد التلميع الحديثة، مثل أكسيد السيريوم (IV) ، ولكنه لا يزال يُستخدم في صناعة البصريات ومن قِبل صائغي المجوهرات لما يُضفيه من لمسة نهائية فائقة. عند تلميع الذهب، يُلوّن أحمر التلميع الذهب قليلًا، مما يُساهم في جمال القطعة النهائية. يُباع أحمر التلميع على شكل مسحوق، أو معجون، أو مُلصق على أقمشة التلميع، أو على شكل قضيب صلب (مع مادة رابطة من الشمع أو الشحم ). تُطلق أيضًا على مركبات التلميع الأخرى اسم "أحمر التلميع"، حتى وإن لم تكن تحتوي على أكسيد الحديد. يُزيل صائغو المجوهرات بقايا أحمر التلميع عن المجوهرات باستخدام التنظيف بالموجات فوق الصوتية . أما المنتجات التي تُباع تحت اسم " مركب الشحذ "، فتُستخدم غالبًا على قطعة جلدية لشحذ السكاكين، أو شفرات الحلاقة، أو أي أداة حادة أخرى.

صبغة

عينة من الطورين الأحمر α والأصفر β لأكسيد الحديد المائي (III)؛ [ 2 ] كلاهما مفيد كأصباغ.

يُستخدم أكسيد الحديد الثلاثي أيضًا كصبغة ، تحت أسماء "الصبغة البنية 6" و"الصبغة البنية 7" و"الصبغة الحمراء 101". [ 22 ] بعض هذه الصبغات، مثل الصبغة الحمراء 101 والصبغة البنية 6، معتمدة من قِبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للاستخدام في مستحضرات التجميل. تُستخدم أكاسيد الحديد كصبغات في حشوات الأسنان المركبة إلى جانب أكاسيد التيتانيوم. [ 23 ]

الهيماتيت هو المكون المميز للون الطلاء السويدي الأحمر فالو .

التسجيل المغناطيسي

كان أكسيد الحديد الثلاثي أكثر الجسيمات المغناطيسية شيوعًا في جميع أنواع وسائط التخزين والتسجيل المغناطيسية ، بما في ذلك الأقراص المغناطيسية (لتخزين البيانات) والأشرطة المغناطيسية (المستخدمة في تسجيل الصوت والفيديو بالإضافة إلى تخزين البيانات). وقد حلّت سبائك الكوبالت محله في أقراص الحاسوب، مما أتاح إنتاج أغشية مغناطيسية أرق ذات كثافة تخزين أعلى. [ 24 ]

التحفيز الضوئي

تمت دراسة أكسيد الحديد الثلاثي ألفا (α- Fe₂O₃ ) كقطب ضوئي موجب لأكسدة الماء باستخدام الطاقة الشمسية. [ 25 ] ومع ذلك، فإن فعاليته محدودة بسبب قصر مسافة انتشار حاملات الشحنة المُثارة ضوئيًا (2-4 نانومتر) [ 26 ] وما يتبعها من إعادة تركيب سريعة، مما يتطلب جهدًا زائدًا كبيرًا لتحفيز التفاعل. [ 27 ] وقد ركزت الأبحاث على تحسين أداء أكسدة الماء لأكسيد الحديد الثلاثي باستخدام تقنيات النانو ، [ 25 ] أو تعديل السطح، [ 28 ] أو باستخدام أطوار بلورية بديلة مثل أكسيد الحديد الثلاثي بيتا (β- Fe₂O₃ ) . [ 29 ] 

الدواء

يتكون غسول الكالامين ، المستخدم لعلاج الحكة الخفيفة ، بشكل أساسي من مزيج من أكسيد الزنك ، الذي يعمل كمادة قابضة ، ونحو 0.5% من أكسيد الحديد الثلاثي، وهو المكون النشط في المنتج، والذي يعمل كمضاد للحكة . كما أن اللون الأحمر لأكسيد الحديد الثلاثي هو المسؤول بشكل رئيسي عن اللون الوردي للغسول.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 هاينز ، ص 4.69
  2. 1 2 3 4 كومي، آرثر ميسنجر؛ هان، دوروثي أ. (فبراير 1921). قاموس الذوبانية الكيميائية: غير العضوية (  الطبعة الثانية). نيويورك: شركة ماكميلان. ص  433.
  3. ↑ هاينز ، ص 4.141
  4. لينغ، ييتشوان؛ ويلر، دامون أ.؛ تشانغ، جين تشونغ؛ لي، يات (2013). تشاي، تيانيو؛ ياو، جيانيان (محررون). الهياكل النانوية أحادية البعد: المبادئ والتطبيقات . هوبوكين ، نيو جيرسي: جون وايلي وأولاده ، ص 167. ISBN  978-1-118-07191-5.
  5. 1 2 3 4 فوجتيك، ميلان؛ زبوريل، راديك؛ كوبينيك، رومان؛ ماشلان، ميروسلاف. "جسيمات فائقة الدقة من أكاسيد الحديد (III) من منظور المجهر الذري للقوة - مسار جديد لدراسة تعدد الأشكال في عالم النانو" (ملف PDF) . جامعة بالاتسكي . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 2 فبراير 2007. تم الاطلاع عليه في 12 يوليو 2014 .
  6. 1 2 3 4 5 هاينز ، ص 5.12
  7. 1 2 3 شركة سيجما-ألدريتش ، أكسيد الحديد (III) . تم الاطلاع عليه بتاريخ 12-07-2014.
  8. 1 2 "صحيفة بيانات السلامة لأكسيد الحديد (III)" (ملف PDF) . KJLC . إنجلترا: شركة كورت جيه ليسكر المحدودة. 5 يناير 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 يوليو 2014 .
  9. 1 2 3 دليل الجيب الخاص بالمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) حول المخاطر الكيميائية. "#0344" . المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH).
  10. ↑ PubChem. "أكسيد الحديد (Fe2O3)، هيدرات" . pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 نوفمبر 2020 .
  11. ↑ غريدان، جيه إي (1994). "الأكاسيد المغناطيسية". في كينغ، آر. بروس (محرر). موسوعة الكيمياء غير العضوية . نيويورك: جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0-471-93620-6.
  12. 1 2 3 هاوسكروفت، كاثرين إي.؛ شارب ، آلان جي. (2008). "الفصل 22: كيمياء فلزات المجموعة d : عناصر الصف الأول". الكيمياء غير العضوية ( الطبعة الثالثة). بيرسون. ص 716. ISBN   978-0-13-175553-6.
  13. ↑ "آلية الأكسدة والتحلل الحراري لكبريتيدات الحديد" (PDF) .
  14. ↑ توكورو، هيروكو؛ ناماي، أسوكا؛ أوكوشي، شين-إيتشي (2021). "تطورات في الأغشية المغناطيسية لأكسيد الحديد إبسيلون نحو وسائط تسجيل عالية الكثافة من الجيل التالي" . معاملات دالتون . 50 (2). الجمعية الملكية للكيمياء: 452-459 . doi : 10.1039/D0DT03460F . PMID 33393552. S2CID 230482821. تاريخ الاسترجاع: 25 يناير 2021 .  
  15. ↑ ديجوا، كاثرين؛ سياو، فيليب؛ لي، ويدونغ؛ نويه، لور؛ ميهتا، أبورفا؛ تشين، كاي؛ لو، هونغجي؛ كونز، مارتن؛ تامورا، نوبوميتشي؛ ليو، تشي (2015). "التعلم من الماضي: أكسيد الحديد الثلاثي النادر (ε-Fe₂O₃ ) في خزف جيان (تينموكو) الأسود المزجج القديم" . التقارير العلمية . 4 : 4941. doi : 10.1038/srep04941 . PMC 4018809. PMID 24820819 .  
  16. ↑ شي، كايجوان؛ ألدرمان، أوليفر؛ تامالونيس، أنتوني؛ ويبر، ريتشارد؛ يو، جينجلين؛ بنمور، كريس (2020). "اعتماد بنية الأكسدة والاختزال لأكاسيد الحديد المنصهرة" . مواد الاتصالات . 1 (1): 80. Bibcode : 2020CoMat...1...80S . doi : 10.1038/s43246-020-00080-4 .
  17. ↑ أدلام؛ برايس (1945). شهادة الثانوية العامة في الكيمياء غير العضوية . ليزلي سلاتر برايس.
  18. 1 2 3 دليل الكيمياء اللاعضوية التحضيرية، الطبعة الثانية. حرره جي. براور، دار النشر الأكاديمية، 1963، نيويورك. المجلد 1. ص 1661.
  19. 1 2 غرينوود، ن.ن.؛ إيرنشو، أ. (1997). كيمياء العنصر ( الطبعة الثانية). أكسفورد: باتروورث-هاينمان. ISBN  978-0-7506-3365-9.
  20. ↑ غولتشا، فيبول. "حول أصباغ أكسيد الحديد" . شركة غولتشا أوكسايدز المحدودة . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2024 .
  21. ↑ "أكسيد الحديد الثلاثي - التركيب والخواص واستخدامات Fe2O3" . BYJU'S . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2024 .
  22. ↑ الدهانات والطلاءات السطحية: النظرية والتطبيق . دار ويليام أندرو للنشر، 1999. رقم ISBN 978-1-884207-73-0.
  23. ↑ بانيرجي، أفيجيت (2011). دليل بيكارد لطب الأسنان الترميمي . الولايات المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد، نيويورك. ص 89. ISBN  978-0-19-957915-0.
  24. ↑ بيراماناياغام، إس إن (2007). "وسائط تسجيل عمودية لمحركات الأقراص الصلبة". مجلة الفيزياء التطبيقية . 102 (1) 011301: 011301–011301–22. Bibcode : 2007JAP...102a1301P . doi : 10.1063/1.2750414 .
  25. 1 2 كاي، أ.؛ سيزار، إ.؛ غراتزل، م. (2006). " معيار جديد لأكسدة الماء الضوئية بواسطة أغشية α-Fe2O3 النانوية التركيب" . مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 128 (49): 15714-15721 . doi : 10.1021/ja064380l . PMID 17147381 . 
  26. ↑ كينيدي، جيه إتش؛ فريز، كيه دبليو (1978). "الأكسدة الضوئية للماء عند أقطاب α- Fe₂O₃ " . مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 125 (5): 709. Bibcode : 1978JElS..125..709K . doi : 10.1149/1.2131532 .
  27. ↑ لو فورمال، ف. (2014). "إعادة تركيب الإلكترون-الفجوة العكسية في الأنودات الضوئية للهيماتيت لتحليل الماء" . مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 136 (6): 2564-2574 . Bibcode : 2014JAChS.136.2564L . doi : 10.1021/ja412058x . PMID 24437340 . 
  28. ↑ تشونغ، د.ك.؛ غاميلين، د.ر. (2010). "أكسدة الماء الكهروضوئية باستخدام محفز الكوبالت ("Co-Pi")/أقطاب ضوئية مركبة من α- Fe₂O₃ : تطور الأكسجين وحل عنق الزجاجة الحركي". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية . 132 (12): 4202-4207 . doi : 10.1021/ja908730h . PMID 20201513 . 
  29. ↑ إيمري، جيه دي (2014). "ترسيب الطبقات الذرية لأكسيد الحديد الثلاثي بيتا غير المستقر عبر الترسيب المتماثل لأكسدة الماء بمساعدة الضوء". مجلة ACS للمواد والتطبيقات . 6 (24): 21894-21900 . doi : 10.1021/am507065y . OSTI 1355777. PMID 25490778 .  

المصادر المذكورة