Óxido de hierro (III)
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| Nombres | |
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| Nombre IUPAC Óxido de hierro (III) | |
| Otros nombres | |
| Identificadores | |
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Modelo 3D ( JSmol ) |
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| EBICh |
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| Araña química |
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| Tarjeta informativa de la ECHA | 100.013.790 |
| Número CE |
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| Número E | E172(ii) (colores) |
| 11092 | |
| BARRIL |
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Identificador de centro de PubChem |
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| Número RTECS |
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| UNIVERSIDAD |
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Panel de control CompTox ( EPA ) |
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| Propiedades | |
| Fe2O3 | |
| Masa molar | 159,687 g·mol −1 |
| Apariencia | Rojo sólido |
| Olor | Inodoro |
| Densidad | 5,25 g/cm3 [ 1] |
| Punto de fusión | 1.539 °C (2.802 °F; 1.812 K) [1] se descompone 105 °C (221 °F; 378 K) β-dihidrato, se descompone 150 °C (302 °F; 423 K) β-monohidrato, se descompone 50 °C (122 °F; 323 K) α-dihidrato, se descompone 92 °C (198 °F; 365 K) α-monohidrato, se descompone [2] |
| Insoluble | |
| Solubilidad | Soluble en ácidos diluidos , [1] apenas soluble en solución de azúcar [2] Trihidrato ligeramente soluble en ácido tartárico acuoso , ácido cítrico , ácido acético [2] |
| +3586,0x10 −6 cm3 / mol | |
Índice de refracción ( n D ) | n 1 = 2,91, n 2 = 3,19 (α, hematita) [3] |
| Estructura | |
| Romboédrico , hR30 (forma α) [4] Bixbyita cúbica , cI80 (forma β) Espinela cúbica (forma γ) Ortorrómbica (forma ε) [5] | |
| R3c, No. 161 (forma α) [4] Ia 3 , No. 206 (forma β) Pna2 1 , No. 33 (forma ε) [5] | |
| 3m (forma α) [4] 2/m 3 (forma β) mm2 (forma ε) [5] | |
| Octaédrico (Fe 3+ , forma α, forma β) [4] | |
| Termoquímica [6] | |
Capacidad calorífica ( C ) | 103,9 J/mol·K [6] |
Entropía molar estándar ( S ⦵ 298 ) | 87,4 J/mol·K [6] |
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 ) | −824,2 kJ/mol [6] |
Energía libre de Gibbs (Δ f G ⦵ ) | −742,2 kJ/mol [6] |
| Peligros | |
| Etiquetado SGA : | |
 [7] | |
| Advertencia | |
| H315 , H319 , H335 [7] | |
| P261 , P305+P351+P338 [7] | |
| NFPA 704 (rombo cortafuegos) | |
Valor límite umbral (TLV) | 5 mg/m3 [ 1] (promedio ponderado en el tiempo) |
| Dosis o concentración letal (LD, LC): | |
LD 50 ( dosis media ) | 10 g/kg (ratas, oral) [9] |
| NIOSH (límites de exposición a la salud en EE. UU.): | |
PEL (Permisible) | TWA 10 mg/m3 [ 8] |
REL (recomendado) | TWA 5 mg/m3 [ 8] |
IDLH (Peligro inmediato) | 2500 mg/m3 [ 8] |
| Compuestos relacionados | |
Otros aniones | Fluoruro de hierro (III) |
Otros cationes | Óxido de manganeso (III) Óxido de cobalto (III) |
Óxidos de hierro relacionados | Óxido de hierro (II) Óxido de hierro (II,III) |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa). | |
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El óxido de hierro (III) u óxido férrico es un compuesto inorgánico con la fórmula Fe2O3 . Se encuentra en la naturaleza como el mineral hematita , que sirve como fuente principal de hierro para la industria del acero. También se lo conoce como óxido de hierro rojo , especialmente cuando se utiliza en pigmentos .
Es uno de los tres óxidos principales del hierro , siendo los otros dos el óxido de hierro (II) (FeO), que es raro, y el óxido de hierro (II,III) ( Fe 3 O 4 ), que también se encuentra de forma natural como el mineral magnetita .
El óxido de hierro (III) a menudo se denomina óxido , ya que el óxido comparte varias propiedades y tiene una composición similar; sin embargo, en química, el óxido se considera un material mal definido, descrito como óxido férrico hidratado. [10]
El óxido férrico es fácilmente atacado incluso por ácidos débiles . Es un agente oxidante débil , especialmente cuando se reduce con aluminio en la reacción de la termita .
Estructura
El Fe2O3 se puede obtener en varios polimorfos . En el polimorfo primario, α, el hierro adopta una geometría de coordinación octaédrica . Es decir, cada centro de Fe está unido a seis ligandos de oxígeno . En el polimorfo γ, parte del Fe se asienta en sitios tetraédricos, con cuatro ligandos de oxígeno.
Fase alfa
α- Fe 2 O 3 tiene la estructura romboédrica , corindón (α-Al 2 O 3 ) y es la forma más común. Se presenta de forma natural como el mineral hematita , que se extrae como el principal mineral de hierro. Es antiferromagnético por debajo de ~260 K ( temperatura de transición de Morin ), y exhibe ferromagnetismo débil entre 260 K y la temperatura de Néel , 950 K. [11] Es fácil de preparar utilizando tanto la descomposición térmica como la precipitación en la fase líquida. Sus propiedades magnéticas dependen de muchos factores, por ejemplo, la presión, el tamaño de partícula y la intensidad del campo magnético.
Fase gamma
El γ- Fe2O3 tiene una estructura cúbica . Es metaestable y se convierte de la fase alfa a altas temperaturas. Se encuentra de forma natural como el mineral maghemita . Es ferromagnético y se utiliza en cintas de grabación, [12] aunque las partículas ultrafinas menores de 10 nanómetros son superparamagnéticas . Se puede preparar por deshidratación térmica de óxido-hidróxido de hierro(III) gamma . Otro método implica la oxidación cuidadosa del óxido de hierro(II,III) ( Fe3O4 ). [12] Las partículas ultrafinas se pueden preparar por descomposición térmica de oxalato de hierro(III) .
Otras fases sólidas
Se han identificado o reivindicado otras fases. La fase beta (fase β) es cúbica centrada en el cuerpo (grupo espacial Ia3), metaestable y a temperaturas superiores a 500 °C (930 °F) se convierte en fase alfa. Puede prepararse mediante reducción de hematita con carbono, [ aclaración necesaria ] pirólisis de solución de cloruro de hierro(III) o descomposición térmica de sulfato de hierro(III) . [13]
La fase épsilon (ε) es rómbica y muestra propiedades intermedias entre alfa y gamma, y puede tener propiedades magnéticas útiles aplicables para fines tales como medios de grabación de alta densidad para almacenamiento de grandes datos . [14] La preparación de la fase épsilon pura ha demostrado ser muy desafiante. El material con una alta proporción de fase épsilon se puede preparar por transformación térmica de la fase gamma. La fase épsilon también es metaestable, transformándose a la fase alfa entre 500 y 750 °C (930 y 1380 °F). También se puede preparar por oxidación de hierro en un arco eléctrico o por precipitación sol-gel a partir de nitrato de hierro (III) . [ cita requerida ] La investigación ha revelado óxido de hierro (III) épsilon en antiguos esmaltes cerámicos Jian chinos , lo que puede proporcionar información sobre formas de producir esa forma en el laboratorio. [15] [ fuente no primaria necesaria ]
Además, a alta presión se afirma que se obtiene una forma amorfa . [5] [ se necesita una fuente no primaria ]
Fase liquida
Se espera que el Fe2O3 fundido tenga un número de coordinación cercano a 5 átomos de oxígeno alrededor de cada átomo de hierro, según mediciones de gotas de óxido de hierro líquido superenfriado ligeramente deficientes en oxígeno, donde el superenfriamiento evita la necesidad de altas presiones de oxígeno requeridas por encima del punto de fusión para mantener la estequiometría. [ 16]
Óxidos de hierro (III) hidratados
Existen varios hidratos de óxido de hierro (III). Cuando se añade álcali a soluciones de sales solubles de Fe (III), se forma un precipitado gelatinoso de color marrón rojizo. No se trata de Fe(OH) 3 , sino de Fe 2 O 3 ·H 2 O (también escrito como Fe(O)OH ).
También existen varias formas del óxido hidratado de Fe(III). La lepidocrocita roja (γ- Fe(O)OH ) se encuentra en el exterior de los rusticles , y la goethita naranja (α- Fe(O)OH ) se encuentra en el interior de los rusticles . Cuando se calienta Fe2O3 · H2O , pierde su agua de hidratación. Un calentamiento adicional a1670 K convierte el Fe 2 O 3 en Fe 3 O 4 negro ( Fe II Fe III 2 O 4 ), conocido como mineral magnetita .
El Fe(O)OH es soluble en ácidos, dando lugar a [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ . En álcali acuoso concentrado, el Fe 2 O 3 da lugar a [Fe(OH) 6 ] 3− . [12]
Reacciones
La reacción más importante es su reducción carbotérmica , que da lugar al hierro utilizado en la fabricación de acero:
- Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2
Otra reacción redox es la reacción de termita extremadamente exotérmica con aluminio . [17]
- 2 Al + Fe 2 O 3 → 2 Fe + Al 2 O 3
Este proceso se utiliza para soldar metales gruesos, como los raíles de las vías del tren, mediante un recipiente de cerámica que canaliza el hierro fundido entre dos secciones del raíl. La termita también se utiliza en armas y en la fabricación de esculturas y herramientas de hierro fundido a pequeña escala.
Reducción parcial con hidrógeno a aproximadamente400 °C produce magnetita, un material magnético negro que contiene tanto Fe(III) como Fe(II): [18]
- Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 + H2O
El óxido de hierro (III) es insoluble en agua, pero se disuelve fácilmente en ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico y el sulfúrico . También se disuelve bien en soluciones de agentes quelantes, como el EDTA y el ácido oxálico .
Calentar óxidos de hierro (III) con otros óxidos metálicos o carbonatos produce materiales conocidos como ferratos (ferrato (III)): [18]
- ZnO + Fe2O3 → Zn ( FeO2 ) 2
Preparación
El óxido de hierro (III) es un producto de la oxidación del hierro. Se puede preparar en el laboratorio mediante la electrolisis de una solución de bicarbonato de sodio , un electrolito inerte, con un ánodo de hierro:
- 4 Fe + 3 O 2 + 2 H 2 O → 4 FeO(OH)
El óxido de hierro (III) hidratado resultante, escrito aquí como FeO(OH) , se deshidrata alrededor de200 °C . [18] [19]
- 2FeO( OH ) → Fe2O3 + H2O
Usos
Industria del hierro
La aplicación abrumadora del óxido de hierro (III) es como materia prima de las industrias del acero y el hierro, por ejemplo, la producción de hierro , acero y muchas aleaciones. [19] El óxido de hierro (Fe2O3) se ha utilizado en vidrieras desde el período medieval, con evidencia que sugiere su uso en la producción de vidrieras que se remonta a principios de la Edad Media, donde se usaba principalmente para crear colores amarillo, naranja y rojo en el vidrio, y todavía se usa con fines industriales en la actualidad. [20] [21]
Pulido
Un polvo muy fino de óxido férrico se conoce como "rojo de joyero", "rojo rojo" o simplemente rojo. Se utiliza para dar el pulimento final a las joyas y lentes metálicas , e históricamente como cosmético . El rojo se corta más lentamente que algunos pulimentos modernos, como el óxido de cerio (IV) , pero todavía se utiliza en la fabricación de ópticas y por los joyeros por el acabado superior que puede producir. Al pulir oro, el rojo tiñe ligeramente el oro, lo que contribuye a la apariencia de la pieza terminada. El rojo se vende en forma de polvo, pasta, mezclado con paños de pulido o barra sólida (con un aglutinante de cera o grasa ). Otros compuestos de pulido también se denominan a menudo "rojo", incluso cuando no contienen óxido de hierro. Los joyeros eliminan el rojo residual de las joyas mediante el uso de limpieza ultrasónica . Los productos vendidos como " compuesto de afilar " a menudo se aplican a una correa de cuero para ayudar a obtener un filo afilado en cuchillos, navajas de afeitar o cualquier otra herramienta afilada.
Pigmento
El óxido de hierro (III) también se utiliza como pigmento , bajo los nombres "Pigmento Marrón 6", "Pigmento Marrón 7" y "Pigmento Rojo 101". [22] Algunos de ellos, por ejemplo, el Pigmento Rojo 101 y el Pigmento Marrón 6, están aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) para su uso en cosméticos. Los óxidos de hierro se utilizan como pigmentos en los composites dentales junto con los óxidos de titanio. [23]
La hematita es el componente característico del color de pintura sueco rojo Falu .
Grabación magnética
El óxido de hierro (III) era la partícula magnética más utilizada en todos los tipos de medios de almacenamiento y grabación magnéticos , incluidos los discos magnéticos (para el almacenamiento de datos) y las cintas magnéticas (utilizadas en la grabación de audio y vídeo, así como en el almacenamiento de datos). Su uso en los discos de ordenador fue sustituido por la aleación de cobalto, lo que permitió la creación de películas magnéticas más delgadas con una mayor densidad de almacenamiento. [24]
Fotocatálisis
Se ha estudiado el α-Fe2O3 como fotoánodo para la oxidación solar del agua. [25] Sin embargo, su eficacia está limitada por una longitud de difusión corta (2-4 nm) de los portadores de carga fotoexcitados [26] y la posterior recombinación rápida , lo que requiere un gran sobrepotencial para impulsar la reacción. [27] La investigación se ha centrado en mejorar el rendimiento de la oxidación del agua de Fe2O3 mediante nanoestructuración , [ 25] funcionalización de la superficie, [28] o empleando fases cristalinas alternativas como β - Fe2O3 . [ 29 ]
Medicamento
La loción de calamina , utilizada para tratar la picazón leve , se compone principalmente de una combinación de óxido de zinc , que actúa como astringente , y aproximadamente un 0,5 % de óxido de hierro (III), el ingrediente activo del producto, que actúa como antipruriginoso . El color rojo del óxido de hierro (III) también es el principal responsable del color rosado de la loción.
Véase también
Referencias
- ^ abcd Haynes, pág. 4.69
- ^ abcd Comey, Arthur Messinger; Hahn, Dorothy A. (febrero de 1921). Diccionario de solubilidades químicas: inorgánico (2.ª ed.). Nueva York: The MacMillan Company. pág. 433.
- ^ Haynes, pág. 4.141
- ^ abcd Ling, Yichuan; Wheeler, Damon A.; Zhang, Jin Zhong; Li, Yat (2013). Zhai, Tianyou; Yao, Jiannian (eds.). Nanoestructuras unidimensionales: principios y aplicaciones. Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons, Inc. p. 167. ISBN 978-1-118-07191-5.
- ^ abcd Vujtek, Milán; Zboril, Radek; Kubinek, romano; Mashlan, Miroslav. "Partículas ultrafinas de óxidos de hierro (III) según la vista de AFM: nueva ruta para el estudio del polimorfismo en el nanomundo" (PDF) . Universidad Palackého . Consultado el 12 de julio de 2014 .
- ^ abcde Haynes, pág. 5.12
- ^ abc Sigma-Aldrich Co. , Óxido de hierro (III). Consultado el 12 de julio de 2014.
- ^ abc Guía de bolsillo del NIOSH sobre peligros químicos. "#0344". Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH).
- ^ ab "SDS de óxido de hierro (III)" (PDF) . KJLC . Inglaterra: Kurt J Lesker Company Ltd. 5 de enero de 2012 . Consultado el 12 de julio de 2014 .
- ^ PubChem. «Óxido de hierro (Fe2O3), hidrato». pubchem.ncbi.nlm.nih.gov . Consultado el 11 de noviembre de 2020 .
- ^ Greedan, JE (1994). "Óxidos magnéticos". En King, R. Bruce (ed.). Enciclopedia de química inorgánica . Nueva York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-93620-6.
- ^ abc Housecroft, Catherine E.; Sharpe, Alan G. (2008). "Capítulo 22: Química de los metales del bloque d : los elementos de la primera fila". Química inorgánica (3.ª ed.). Pearson. pág. 716. ISBN 978-0-13-175553-6.
- ^ "Mecanismo de oxidación y descomposición térmica de sulfuros de hierro" (PDF) .
- ^ Tokoro, Hiroko; Namai, Asuka; Ohkoshi, Shin-Ichi (2021). "Avances en películas magnéticas de óxido de hierro épsilon hacia medios de grabación de alta densidad de próxima generación". Dalton Transactions . 50 (2). Royal Society of Chemistry: 452–459. doi :10.1039/D0DT03460F. PMID 33393552. S2CID 230482821 . Consultado el 25 de enero de 2021 .
- ^ Dejoie, Catherine; Sciau, Philippe; Li, Weidong; Noé, Laure; Mehta, Apurva; Chen, Kai; Luo, Hongjie; Kunz, Martin; Tamura, Nobumichi; Liu, Zhi (2015). "Aprendiendo del pasado: ε-Fe2O3 raro en las antiguas cerámicas Jian (Tenmoku) esmaltadas en negro". Scientific Reports . 4 : 4941. doi :10.1038/srep04941. PMC 4018809 . PMID 24820819.
- ^ Shi, Caijuan; Alderman, Oliver; Tamalonis, Anthony; Weber, Richard; You, Jinglin; Benmore, Chris (2020). "Dependencia de la estructura redox de óxidos de hierro fundido". Materiales de comunicación . 1 (1): 80. Bibcode :2020CoMat...1...80S. doi : 10.1038/s43246-020-00080-4 .
- ^ Adlam; Price (1945). Certificado de escuela superior en química inorgánica . Leslie Slater Price.
- ^ abc Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2.ª edición, editado por G. Brauer, Academic Press, 1963, Nueva York. Vol. 1, pág. 1661.
- ^ ab Greenwood, NN; Earnshaw, A. (1997). Química del elemento (2.ª ed.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-3365-9.
- ^ Golchha, Vipul. "Acerca de los pigmentos de óxido de hierro". Golchha Oxides Pvt Ltd. Consultado el 29 de octubre de 2024 .
- ^ "Óxido de hierro (III): estructura, propiedades y usos del Fe2O3". BYJUS . Consultado el 29 de octubre de 2024 .
- ^ Pinturas y recubrimientos de superficies: teoría y práctica . William Andrew Inc. 1999. ISBN 978-1-884207-73-0.
- ^ Banerjee, Avijit (2011). Manual de odontología operatoria de Pickard . Estados Unidos: Oxford University Press Inc., Nueva York. pág. 89. ISBN 978-0-19-957915-0.
- ^ Piramanayagam, SN (2007). "Medios de grabación perpendiculares para unidades de disco duro". Journal of Applied Physics . 102 (1): 011301–011301–22. Código Bibliográfico :2007JAP...102a1301P. doi :10.1063/1.2750414.
- ^ ab Kay, A.; Cesar, I.; Grätzel, M. (2006). "Nuevo punto de referencia para la fotooxidación del agua mediante películas nanoestructuradas de α-Fe2O3 " . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 128 (49): 15714–15721. doi :10.1021/ja064380l. PMID 17147381.
- ^ Kennedy, JH; Frese, KW (1978). "Fotooxidación del agua en electrodos de α-Fe2O3 " . Revista de la Sociedad Electroquímica . 125 (5): 709. Código Bibliográfico :1978JElS..125..709K. doi :10.1149/1.2131532.
- ^ Le Formal, F. (2014). "Recombinación de electrones y huecos en fotoánodos de hematita para la división del agua". Journal of the American Chemical Society . 136 (6): 2564–2574. doi : 10.1021/ja412058x . PMID 24437340.
- ^ Zhong, DK; Gamelin, DR (2010). "Oxidación fotoelectroquímica del agua mediante fotoánodos compuestos de catalizador de cobalto ("Co−Pi")/α-Fe2O3 : evolución del oxígeno y resolución de un cuello de botella cinético". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 132 (12): 4202–4207. doi :10.1021/ja908730h. PMID 20201513.
- ^ Emery, JD (2014). "Deposición de capas atómicas de β-Fe2O3 metaestable mediante epitaxia isomórfica para oxidación de agua fotoasistida". ACS Applied Materials & Interfaces . 6 ( 24): 21894–21900. doi :10.1021/am507065y. OSTI 1355777. PMID 25490778 .
Fuentes citadas
- Haynes, William M., ed. (2011). Manual de química y física del CRC (92.ª edición). CRC Press . ISBN 978-1439855119.
Enlaces externos
- Guía de bolsillo del NIOSH sobre peligros químicos
