Óxido de ferro: estrutura, propriedades, nomenclatura, usos

Um óxido de ferro é qualquer um dos compostos formados entre ferro e oxigênio. Caracterizam-se por serem iônicos e cristalinos, e se espalham como resultado da erosão de seus minerais, compondo os solos, a massa da planta e até o interior dos organismos vivos .

É então uma das famílias de compostos que predominam na crosta terrestre . O que exatamente eles são? Sabe-se até hoje dezesseis óxidos de ferro, a maioria deles de origem natural e outros sintetizados sob condições extremas de pressão ou temperatura.

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Fonte: cinco sétimo, Flickr.

Na imagem acima, uma porção de pó de óxido férrico é mostrada. Sua característica cor vermelha cobre o ferro de vários elementos arquitetônicos, conhecidos como ferrugem. Também é observado nas encostas, montanhas ou solos, misturado com muitos outros minerais, como o pó de goethita amarelo (α-FeOOH).

Os óxidos de ferro mais conhecidos são hematita (α-Fe 2 O 3 ) e maghemita (ϒ-Fe 2 O 3 ), ambos polimorfos do óxido férrico; e não menos importante, magnetita (Fe 3 O 4 ). Suas estruturas polimórficas e sua grande área de superfície os tornam materiais interessantes como sorventes ou para a síntese de nanopartículas com amplas aplicações.

Estrutura

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Fonte: Educação Siyavula, Flickr.

A imagem superior é uma representação da estrutura cristalina de FeO, um dos óxidos de ferro em que o ferro tem uma valência de +2. As esferas vermelhas correspondem aos ânions O 2- , enquanto as amarelas aos cátions Fe 2+ . Observe também que cada Faith 2+ é cercada por seis OR 2 , formando uma unidade de coordenação octaédrica.

Portanto, a estrutura do FeO pode “desintegrar-se” em unidades de FeO 6 , onde o átomo central é Fe 2+ . No caso de oxidróxidos ou hidróxidos, a unidade octaédrica é FeO 3 (OH) 3 .

Em algumas estruturas, em vez do octaedro, existem unidades tetraédricas, FeO 4 . Por esse motivo, as estruturas de óxido de ferro são geralmente representadas com octaedros ou tetraedros com centros de ferro.

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As estruturas dos óxidos de ferro dependem das condições de pressão ou temperatura, da razão Fe / O (ou seja, quanto de oxigênio há por ferro e vice-versa) e da valência do ferro (+2, +3 e, muito raramente em óxidos sintéticos, +4).

Geralmente, aniões volumosos O 2- orifícios alinhados em folhas que abrigam os catiões Fe 2+ ou Fe 3+ . Assim, existem óxidos (como magnetita) que possuem ferros com ambas as valências.

Polimorfismo

Os óxidos de ferro têm polimorfismo, isto é, estruturas diferentes ou arranjos cristalinos para o mesmo composto. O óxido férrico, Fe 2 O 3 , possui até quatro polimorfos possíveis. Hematite, α-Fe 2 O 3 , é a mais estável de todos; seguido pela maghemita, Fe-Fe 2 O 3 , e os sintéticos β-Fe 2 O 3 e ε-Fe 2 O 3 .

Todos eles têm seus próprios tipos de estruturas e sistemas cristalinos . No entanto, a proporção 2: 3 é mantido constante, de modo que existem três aniões O 2 para cada dois catiões Fe 3+ . A diferença está em como as unidades octaédricas de FeO 6 estão localizadas no espaço e como você se une.

Links estruturais

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Fonte: Arquivos de Domínio Público

As unidades octaédricas de FeO 6 podem ser visualizadas usando a imagem acima. Nos cantos do octaedro estão o O 2- , enquanto no seu centro Fe 2+ ou Fe 3+ (no caso do Fe 2 O 3 ). A maneira pela qual esses octaedros são organizados no espaço revela a estrutura do óxido.

No entanto, eles também influenciam como se unem. Por exemplo, duas octaedras podem ser unidas tocando em dois de seus vértices, representados por uma ponte de oxigênio: Fe-O-Fe. Da mesma forma, os octaedros podem se unir pelas bordas (adjacentes umas às outras). Seria então representado com duas pontes de oxigênio: Fe- (O) 2- Fe.

E, finalmente, o octaedra pode interagir através de seus rostos. Assim, a representação seria agora com três pontes de oxigênio: Fe- (O) 3- Fe. A maneira pela qual as octaedras estão ligadas, as distâncias internucleares de Fe-Fe e, portanto, as propriedades físicas do óxido variam.

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Propriedades

Um óxido de ferro é um composto com propriedades magnéticas. Estes podem ser anti, ferro ou ferrimagnéticos, e dependem das valências da Fé e de como os cátions interagem no sólido.

Como as estruturas dos sólidos são muito variadas, também são suas propriedades físicas e químicas.

Por exemplo, polimorfos e hidratos de Fe 2 O 3 têm diferentes valores de ponto de fusão (que variam entre 1200 e 1600 ° C) e densidades. No entanto, eles têm em comum a baixa solubilidade devido ao Fe 3+ , a mesma massa molecular, são marrons e se dissolvem moderadamente em soluções ácidas.

Nomenclatura

A IUPAC estabelece três maneiras de nomear um óxido de ferro. Todos os três são muito úteis, embora para óxidos complexos (como Fe 7 O 9 ) o sistema governe os demais por sua simplicidade.

Nomenclatura sistemática

Os números de oxigênio e ferro são levados em consideração, nomeando-os com os prefixos de numeração gregos mono-, di-, tri-, etc. De acordo com esta nomenclatura, a Fe 2 O 3 é chamado de tri óxido de di ferro. E, para a fé 7 ou 9, seu nome seria: nonaóxido de heptahierro.

Nomenclatura das ações

Isso considera a valência do ferro. Se é Fe 2+ , o óxido de ferro é escrito … e sua valência com algarismos romanos entre parênteses. Para Fe 2 O 3, seu nome é: óxido de ferro (III).

Observe que Faith 3+ pode ser determinada por somas algébricas. Se o O 2 tem duas cargas negativas, e há três deles, eles acrescentam -6. Para neutralizar isso -6 requer +6, mas há dois Fe, portanto eles devem ser divididos por dois, + 6/2 = +3:

2X (valência metálica) + 3 (-2) = 0

Simplesmente limpando X, a valência de Fe no óxido é obtida. Mas se X não é um número inteiro (como em quase todos os outros óxidos), existe uma mistura de Fe 2+ e Fe 3+ .

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Nomenclatura tradicional

O sufixo -ico é dado ao prefixo ferr- quando Faith tem valência +3 e -oso quando sua valência é 2+. Assim, o Fe 2 O 3 é chamado: óxido férrico.

Usos

Nanopartículas

Os óxidos de ferro têm uma alta energia de cristalização em comum, que permite a criação de cristais muito pequenos, mas com uma grande área de superfície.

Por esse motivo, eles são de grande interesse nos campos da nanotecnologia, onde projetam e sintetizam nanopartículas de óxido (NPs) para fins específicos:

-Como catalisadores.

-Como um reservatório de drogas ou genes dentro do corpo

-No projeto de superfícies sensoriais para diferentes tipos de biomoléculas : proteínas, açúcares, gorduras

-Para armazenar dados magnéticos

Pigmentos

Como alguns óxidos são muito estáveis, eles são usados ​​para tingir tecidos ou dar cores brilhantes às superfícies de qualquer material. Dos mosaicos do chão; tintas vermelhas, amarelas e alaranjadas (até verdes); cerâmica, plástico, couro e até obras arquitetônicas.

Referências

  1. Curadores do Dartmouth College. (18 de março de 2004). Estequiometria de óxidos de ferro. Retirado de: dartmouth.edu
  2. Ryosuke Sinmyo et al. (8 de setembro de 2016). Descoberta de Fe 7 O 9 : um novo óxido de ferro com uma estrutura monoclínica complexa. Recuperado de: nature.com
  3. M. Cornell, U. Schwertmann. Os óxidos de ferro: estrutura, propriedades, reações, ocorrências e usos. [PDF]. WILEY-VCH Retirado de: epsc511.wustl.edu
  4. Alice Bu (2018). Nanopartículas, características e aplicações de óxido de ferro. Retirado de: sigmaaldrich.com
  5. Ali, A., Zafar, H., Zia, M., ul Haq, I., Phull, AR, Ali, JS, & Hussain, A. (2016). Síntese, caracterização, aplicações e desafios de nanopartículas de óxido de ferro. Nanotecnologia, Ciência e Aplicações, 9, 49–67. http://doi.org/10.2147/NSA.S99986
  6. Pigmentos Golchha (2009). Óxidos de Ferro: Aplicações. Retirado de: golchhapigments.com
  7. Formulação química (2018). Óxido de ferro (II). Retirado de: formulacionquimica.com
  8. Wikipedia (2018). Óxido de ferro (III). Retirado de: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_oxide

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