Курсовая работа (т): Свойства оксида железа

2. МИНЕРАЛЫ

Магнетит, Fe₃O₄, содержит до 72% железа и представляет собой черные кубические кристаллы со слабым металлическим блеском, плотностью 4,9-5,2 г/см³, твердостью 5,6-6 по шкале Мооса и магнитными свойствами.

Гематит, α-Fe₂O₃ (от греческого слова hematikos, что означает «кровавый»), содержит до 65% железа и представляет собой красно-черные ромбоэдрические кристаллы с плотностью 5-5,3 г/см³, твердостью 5,5-6 по шкале Мооса. α-Fe₂O₃ легко восстанавливается при нагревании под действием Н₂, С, СО, А1, Si и др.

Лимонит (гетит), Fe₂O₃•H₂O или HFeO₂, содержит до 60% железа и представляет собой кристаллы, гранулы, оолиты или конкреции черно-коричневого цвета. Плотность лимонита 3,3-4 г/см³, твердость 1-4 по шкале Мооса. Плотность гетита 4-4,4г/см³, твердость 4,5-5,5 по шкале Мооса. В отличие от других железосодержащих руд лимонит и гетит легче всех восстанавливаются до металлического железа.

Сидерит, FeCO₃, содержит примерно 35% железа, обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом, плотностью 3,9 г/см³ и твердостью 3,5-4,5 по шкале Мооса.

Пирит, FeS₂, содержит 46,6% железа и встречается в виде кубических кристаллов, желтых, как латунь, с металлическим блеском (желтовато-коричневым оттенком), плотностью 4,9-5,2 г/см³, твердостью 6-6,5 по шкале Мооса. Он содержит в небольшом количестве Со, Ni, As, Sb и иногда Сu, Ag, Аu.

Марказит, FeS₂, также содержит 46,6% железа, но встречается в виде желтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6-4,9 г/см³ и твердостью 5-6 по шкале Мооса. При температуре 450° он превращается в пирит.

Лёллингит, FeAs₂, содержит 27,2% железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 7,0 - 7,40 г/см³ и твердостью 5 - 5,5 по шкале Мооса.

Миспикель, FeAsS, содержит 34,3% железа и встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6-6,2 г/см³ и твердостью 5,5-6 по шкале Мооса.

Мелантерит, FeSO₄•7H₂O, реже встречается в природе и представляет собой зеленые (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие, с плотностью 1,8-1,9 г/см³.

Вивианит, Fe₃(PO₄)₂ •8Н₂O, встречается в виде сине-серых или зелено-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твердостью 1,5-2 по шкале Мооса.

Помимо описанных, известны и другие минералы, например: ильменит FeTiO₃, магномагнетит (Fe, Mg)[Fe₂O₄], фиброферрит FeSO₄(OH)•4,5Н₂O, ярозит KFe₃(SO₄)₂(OH)₆, кокимбит Fe₂(SO₄)₃•9Н₂O, рёмерит Fe²⁺Fe^3/2+(SO₄)₄•14H₂O, графтонит (Fe, Мn)₃(РO₄)₂, скородит Fe³⁺AsO₄•2Н₂O, штренгит FePO₄•2H₂O, фаялит Fe₂SiO₄, альмандит Fe₃Al₂[SiO₄]₃, андрадит Ca₃Fe₂[SiO₄]₃, гиперстен (Fe, Mg)₂[Si₂O₆], геденбергит (Са, Fe)[Si₂O₆], эгирин (Na, Fe) [Si₂O₆], шамозит Fe₄²⁺Al[AlSi₃O₁₀(OH)₆ •nН₂0, нонтронит (Fe³⁺, Al)₂[Si₄O₁₀](OH)₂•nH₂O.

Кроме этих минералов, многие алюмосиликаты, какими являются глины, загрязнены соединениями железа. [1, 6]

3. ОКСИДЫ ЖЕЛЕЗА

Оксид железа (II), FeO, получают окислением металлического железа, термическим разложением FeC₂O₄·2H₂O без доступа воздуха, восстановлением оксида железа (III) Fe₂O₃ оксидом углерода при 500° или водородом при 700-800°, прокаливанием (650-700° в отсутствие воздуха) смеси стехиометрически необходимых количеств Fe₂O₃ и порошка металлического железа, нагреванием FeCO₃ при 490-581°:

Соединение FeO представляет собой диамагнитный черный неустойчивый кристаллический порошок (структура типа NaCl). Оно превращается в Fe₂O₃ при нагревании до 200-250° на воздухе, диспропорционирует на Fe₃O₄ и металлическое железо при 570°, плавится примерно при 1360°; трудно растворимо в воде и щелочах, легко растворяется в кислотах с образованием солей железа (II); восстанавливается до металлического железа под действием H₂ или CO при нагревании; разлагает при нагревании воду с образованием Fe₂O₃ и выделением H₂:

FeO+H₂O=Fe₂O₃+H₂↑ [11, 13]

Оксид железа (II) образует с многочисленными оксидами металлов соединения типа шпинелей Fe²⁺[Me₂³⁺O₄] или перовскита Fe²⁺Me⁴⁺O₃.

Оксид железа (III), Fe₂O₃, является самым устойчивым природным кислородсодержащим соединением железа, которое встречается в форме минералов гематита или красного железняка. [14]

Известны три модификации оксида железа (III), а именно: α-Fe₂O₃, γ-Fe₂O₃ и δ-Fe₂O₃. Модификация α-Fe₂O₃ (соответствующая гематиту) парамагнитна и образуется окислением железа на воздухе при температуре выше 200°, а также нагреванием δ-Fe₂O₃ в течение 3 часов при 110° или сжиганием пирофорного железа на воздухе при комнатной температуре и давлении меньше 760 мм рт. ст. Модификация γ-Fe₂O₃ ферромагнитна и образуется окислением железа на воздухе при температуре ниже 200°, а также окислением Fe₃O₄ или нагреванием α-Fe₂O₃ при 300°. Модификация δ-Fe₂O₃ ферромагнитна и образуется окислением растворов солей железа (II) в щелочах. [15]

Модификации оксида железа(III) могут также быть получены прокаливанием гидроксида железа (III), Fe(OH)₃ при 700°, нитрата Fe(NO₃)₃•6Н₂O при 600-800°, карбоната FeCO₃ при 500° на воздухе, сульфата FeSO₄ или пирита FeS₂ на воздухе:

Нагревание порошкообразного железа или трихлорида железа в водном паре также дает Fe₂O₃.

Соединение α-Fe₂O₃ представляет собой красный порошок с плотностью 5,24 г/см³, который плавится примерно при 1550°,трудно растворим в воде и может быть восстановлен до Fe₃O₄, FeO или металлического железа водородом, углеродом, оксидом углерода, металлическим алюминием или элементным кремнием. При восстановлении α-, γ-, δ-Fe₂O₃ водородом (280-340°) образуется пирофорное металлическое железо, а при алюмо- или кремнетермическом восстановлении модификаций α-, γ-, δ-Fe₂O₃ образуется загрязненное металлическое железо.

Растворимость α-, γ-, δ-Fe₂O₃ модификаций в кислотах зависит от температуры и продолжительности прокаливания окиси перед растворением. Если оксид железа был слегка прокален, он растворяется в кислотах.

Окись железа под названием железный сурик, охра, мумия, применяется как пигмент приготовления для красок. [1]

Оксид железа(II, III), Fe₃O₄, со структурой шпинели Fe²⁺[Fe₂³⁺O₄] встречается в природе в виде минерала магнетита.

Соединение Fe₃O₄ можно получить прокаливанием других оксидов железа или восстановлением Fe₂O₃ (400-500°) водородом, насыщенным парами воды, или оксидом углерода (800°).₃O₄ представляет собой ферромагнитные ломкие (твердость 5,6-6,5 по шкале Мооса) черные кубические кристаллы с металлическим блеском; они трудно растворимы в воде и кислотах, имеют т. пл. 1538° и разлагаются при 1787°. [18]

Оксид железа(II, III) устойчив в сухом воздухе и служит для изготовления электродов, поскольку является хорошим проводником электрического тока и устойчив к действию химических реагентов. [12]

4. ОКСИД ЖЕЛЕЗА (III)

.1 Применение

Применяется как сырьё при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель аналоговой и цифровой информации (напр. звука и изображения) на магнитных лентах (ферромагнитный γ-Fe₂O₃), как полирующее средство (красный крокус) для стали и стекла.[1]

В пищевой промышленности используется в качестве пищевого красителя (E172).

В ракетомоделизме применяется для получения катализированого карамельного топлива, которое имеет скорость горения на 80% выше, чем обычное топливо.[23]

Является основным компонентом железного сурика (колькотара). [12]

.2 Колькотар

Колькотар - коричневая минеральная краска. Другие названия: парижская или английская красная краска, caput mortuum vitrioli, крокус, железный сурик; в алхимии - красный лев. [15]

По составу колькотар представляет более или менее чистую безводную окись железа. Хотя безводная окись железа и встречается в природе в очень больших количествах (красный железняк, железный блеск), но ценные сорта этой краски вырабатываются искусственно или получаются как побочный продукт при добывании нордгаузенской кислоты из железного купороса, а также при прокаливании основных серножелезных солей, выделяющихся из раствора при приготовлении железного купороса из купоросного камня. [27]

4.3 Получение и синтез

. Fe₂O₃ образуется при прокаливании на воздухе всех гидратов и кислородных соединений железа, а также Fe(NO₃)₃ и FeSO₄. Так, например, прокаливают в течение 2 час. на полном пламени бунзеновской горелки Fe(OH)₃, полученный по методу Г. Гюттига и Г. Гарсайда.

Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O [1]

. По указанию Д. Н. Финкельштейна 100 г Fe(NO₃)₃ • 9H₂O нагревают в большом фарфоровом тигле на электрической плитке. Вначале соль спокойно плавится, образуя бурую жидкость, постепенно испаряющуюся. При 121° жидкость начинает кипеть, выделяя постоянно кипящую 68%-ную HNO₃.

Постепенно жидкость начинает загустевать и необходимо частое перемешивание, чтобы избежать толчков и разбрызгивания. Начиная со 130°, непрерывно перемешивают жидкость фарфоровым шпателем, причем она загустевает, образуя пасту (без перемешивания жидкость внезапно затвердевает в сплошную массу). При 132° паста сразу рассыпается в порошок, продолжая выделять пары HNO₃.

Не переставая перемешивать, продолжают нагревание до полного высушивания; весь процесс занимает 20-25 мин. Сухую массу растирают, переносят в тигель и прокаливают в муфеле при 600-700° в течение 8-10 час. При достаточной чистоте исходного нитрата железа полученный продукт отвечает квалификации х. ч. Выход 95-98% теоретического, т. е. около 19 г. [9]

. Для приготовления чистого препарата к нагретому до кипения раствору закисной соли железа прибавляют вычисленное количество горячего раствора щавелевой кислоты, причем выпадает закисное щавелевокислое железо. Его отфильтровывают, тщательно промывают водой, высушивают и прокаливают при доступе воздуха, непрерывно перемешивая. Выход 90-93% теоретического. Получаемый препарат содержит 99,79-99,96% Fe₂O₃. [8]

. В фарфоровый котелок емкостью 4 л, снабженный крышкой, помещают раствор 500 г Fe(NO₃)₃ • 9Н₂О в 2 л воды. Через трубку, проходящую до дна котелка, пропускают не слишком сильный ток NH₃, промытого щелочью и водой. Время от времени перемешивают жидкость газоотводящей трубкой.

По окончании осаждения жидкости дают отстояться, раствор декантируют и промывают осадок горячей водой до удаления NO₃ в промывных водах. Отмытый Fe(OH)₃ просушивают в фарфоровых чашках, после чего прокаливают в течение 5-6 час. при 550-600°. Выход 96 г (96-97% теоретического). [10]

. При получении Fe₂O₃, служащего сырьем для приготовления Fe высокой чистоты, исходный нитрат железа должен быть исключительно чист. Путем многократной перекристаллизации Fe(NO₃)₃ • 9Н₂О Кливс и Томпсон получили препарат, содержащий всего 0,005% Si и менее 0,001% других примесей. [14]

. По Брандту целесообразнее всего исходить из химически чистого железа. Последнее растворяют в НСl, раствор при нагревании обрабатывают сероводородом, фильтруют и в фильтрате двухвалентное железо окисляют в трехвалентное кипячением с небольшим количеством HNO₃. Смесь дважды выпаривают с концентрированной HCl и, растворив остаток в избытке разбавленной НСl, несколько раз взбалтывают раствор с эфиром в большой делительной воронке.

Если исходный материал содержал Со, то содержимому воронки дают отстояться, спускают через кран нижний (водный) слой и к оставшейся в воронке эфирной вытяжке прибавляют часть по объему смеси, полученной встряхиванием НСl (уд. в. 1,104) с эфиром. Сильно встряхивают, снова сливают нижний слой и операцию повторяют.

Выпаривание целесообразно проводить в плоской фарфоровой чашке.

После выпаривания остается хрупкая соляная масса, легко отделяющаяся от чашки. Ее истирают в ступке и порциями по 40-50 г умеренно прокаливают в платиновой чашке. Остаток несколько раз смешивают с сухим углекислым аммонием и вновь прокаливают при слабом красном калении, часто перемешивая.

Эту операцию повторяют до приблизительно постоянного веса (точно постоянный вес не может быть достигнут, так как незначительное количество Fe₂O₃ уносится парами (NH₄)₂СО₃). [11]

железо металл оксид минерал

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цели, поставленные в начале исследовательской работы, были полностью выполнены:

)        Собрана информация о железе, его оксидах и минералах:

Железо - ковкий, серебристо-белый металл с высокой реакционной способностью. В соединения проявляет степени окисления +2, +3, +6. Имеет оксиды: Fe⁺²O, Fe₂⁺³O₃, Fe₃O₄ (Fe⁺²O·Fe⁺³₂O₃). Оксид железа (III) Fe₂O₃ помимо получения синтетическим путем, можно обнаружить в залежах природных руд. Он входит в состав некоторых минералов таких как: гематит, лимонит, магнетит.

)        Изучены свойства Fe₂O₃ и сделаны выводы о его применении:

Вещество Fe₂O₃ используется для получения чистого мало окисляемого железа путем восстановления водородом, а так же в электронных носителях информации (вследствие магнитности), как полирующее средство (красный крокус) для стали и стекла, в пищевой промышленности и является основным компонентом колькотара (так как соединение является красящим).

)        Изучены несколько способов синтеза вещества. Наибольший выход продукта равняется 98% от теоретического. Добиться этого результата можно по методу Д.Н. Финкельштейна, путем нагревания Fe(NO₃)₃ • 9H₂O в большом фарфоровом тигле на электрической плитке при постоянном помешивании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1)Рипан Р. Неорганическая химия: В 2-х т./Р. Рипан, И. Четяну; Перев. с рум. Д.Г. Батыра, Х.М. Харитона; Под ред. В.И. Спицына, И.Д. Колли. - М.: Издательство «Мир» 1972. - 2 т.

)Кнунянц И.Л. Краткая химическая энциклопедия: В 5-ти т. / Ред. кол. И.Л. Кнунянц (отв. ред.) и др. - М.: Издательство «Советская Энциклопедия», 1967 - 5 т.

)Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ: учеб. пособие для вузов / Р.А. Лидин, Молочко, Л.Л Андреева. Под ред. Р.А. Лидина.- М.: Химия, 2000 - 480 с.

)Некрасов Б.В. Основы общей химии Т. I. изд. 3-е, испр. и доп. Издательство «Химия», 1973 - 656 с.

)Реми Г. Курс неорганической химии в 2-х т. / Г. Реми; А.П. Григорьева, А.Г. Рыков; Под ред. А.В. Новоселовой. - М.: Издательство «Мир»,1966 - 2 т.

)Паффенгольц К.Н. Геологический словарь: в 2-х т./ Ред. ком. К.Н. Паффенгольц (отв.ред.), Л.И. Боровиков, А.И. Жамайда, И.И. Краснов и др.-М.: Издательство «Недра», 1978 - 2 т.

)Эфимов А.И. Свойства неорганических соединений. Справочник / А.И. Ефимов и др. - Л.: Химия, 1983 - 392 с.

)Брауэр Г. Руководство по неорганическому синтезу: в 6 т. Пер. с нем./ Под ред. Г Брауэр. - М.: Издательство «Мир», 1985 - 6 т.

)Карякин Ю.В. Чистые химические реактивы / Ю.В. Карякин, И.И. Ангелов. - М.: Государственная научно-техническое издательство химической литературы, 1955 - 585 с.

)Ключников Н.Г. Практикум по неорганическому синтезу. - М.: Издательство «Просвещение» , 1979 - 271 с.

)Терентьева Е.А. Неорганические синтезы: В 2-х т. / Пер. с англ. Е.А. Терентьевой, под ред. Д.И. Рябчикова, - М.: Издательство иностранной литературы, 1951 - 2т.