Оксиды железа и их лечение

Физические свойства FeO(II):

• кристаллы черного цвета;
• плотность 5,7 г/см3;
• нерастворим в воде.

Химические свойства FeO(II):

• это основной оксид;
• легко вступает в реакции с кислотами, образуя соли железа:
  FeO+H2SO4 = FeSO4+H2O;
  FeO+2HCl = FeCl2+H2O
• легко окисляется кислородом воздуха:
  4FeO+O2 = 2Fe2O3
• FeO(II) получают восстановлением FeO(III) при высоких температурах:
  Fe2O3+H2 = 2Fe+H2O;
  Fe2O3+CO = 2FeO+CO2↑

Гидроксид железа Fe(OH)2(II)

Физические свойства Fe(OH)2:

• белый порошок;
• на воздухе частично окисляется, приобретая зеленый оттенок;
• не растворяется в воде.

Химические свойства Fe(OH)2:

• Fe(OH)2 проявляет основные свойства;
• в присутствии влаги окисляется, образуя гидроксид железа (III), приобретая при этом бурый цвет:
  4Fe(OH)2+O2+2H2O = 4Fe(OH)3
• легко реагирует с кислотами:
  Fe(OH)2+2HCl = FeCl2+2H2O
  Fe(OH)2+H2SO4 = FeSO4+2H2O
• в концентрированных растворах щелочей образует ферраты (комплексные соли железа) при кипячении:
  Fe(OH)2+2NaOH = Na2[Fe(OH)4]
• разлагается при нагревании:
  Fe(OH)2 = FeO+H2O

Получают Fe(OH)2 из солей железа (II) при их взаимодействии с щелочами:
FeCl2+2NaOH = Fe(OH)2+2NaCl
FeSO4+2NaOH = Fe(OH)2+Na2SO4

Поскольку, Fe+2 легко окисляется до Fe+3, все соединения железа(II) являются восстановителями. Также восстановительными свойствами обладают и соли железа (II).

Качественная реакция на катион железа (II):

• для обнаружения Fe+2 используют красную кровяную соль (гексацианоферрат калия):
  3FeSO4+2K3[Fe(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2↓+3K2SO4
• о присутствии катионов железа судят по образовавшемуся осадку темно-синего цвета (турнбулева синь):
  3Fe2++2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2↓

Оксид железа Fe2O3(III)

Физические свойства Fe2O3:

• порошок бурого цвета;
• может существовать в трех модификациях: α, β, γ
• нерастворим в воде.

Химические свойства Fe2O3:

• Fe2O3 проявляет амфотерные свойства;
• реагирует с кислотами:
  Fe2O3+6HCl = 2FeCl3+3H2O
  Fe2O3+3H2SO4 = Fe2(SO4)3+3H2O
• реагирует с твердыми щелочами при высокой температуре:
  Fe2O3+2NaOH = 2NaFeO2+H2O
  Fe2O3+2KOH = 2KFeO2+H2O
• реагирует с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:
  Fe2O3+Na2CO3 = 2NaFeO2+CO2
• реагирует с восстановителями:
  Fe2O3+2Al = 2Fe+Al2O3
  3Fe2O3+CO = 2Fe3O4+CO2↑

Fe2O3 получают:

• обжигом пирита:
  4FeS2+11O2 = 2Fe2O3+8SO2↑
• разложением гидроксида железа (III):
  2Fe(OH)3 = Fe2O3+3H2O

Fe2O3 содержится в буром и красном железняке, являющихся исходным сырьем в производстве чугуна.

Гидроксид железа Fe(OH)3(III)

Физические свойства Fe(OH)3:

• вещество рыхлой консистенции красно-коричневого цвета.

Химические свойства Fe(OH)3:

• Fe(OH)3 является слабым основанием;
• Fe(OH)3 проявляет амфотерные свойства с преобладанием оснОвных;
• реагирует с разбавленными кислотами с образованием солей:
  Fe(OH)3+3HCl = FeCl3+3H2O
• реагирует с концентрированными растворами щелочей при длительном нагревании с образованием устойчивых гидроксокомплексов:
  Fe(OH)3+3NaOH = Na3[Fe(OH)6]
• при нагревании разлагается с образованием оксида железа (III):
  2Fe(OH)3 = Fe2O3+3H2O
• Fe(OH)3 получают из солей железа (III) при их взаимодействии с щелочами:
  Fe(OH)3+3NaOH = Fe(OH)3↓+3NaCl

Поскольку, под действием восстановителей Fe+3 превращается в Fe+2, все соединения железа со степенью окисления +3 являются окислителями:
2Fe+3Cl3+2KI-1 = 2Fe+2Cl2+2KCl+I20

Качественные реакции на катион железа (III):

• катионы Fe+3 обнаруживаются действием желтой кровяной соли (гексацианоферрат калия) — реакция идет с выпадением берлинской лазури (осадка темно-синего цвета):
  4Fe+3Cl3+3K4[Fe(CN)6]-4 = Fe4[Fe(CN)6]3↓+12KCl
• катионы Fe+3 обнаруживаются роданидом аммония (в результате реакции образуется роданид железа красного цвета):
  Fe+3Cl3+3NH4CNS- ↔ Fe(CNS)3+3NH4Cl

Соли железа

• Соли, в которых железо имеет степень окисления +2 (FeCl2, FeSO4), обладают восстановительными свойствами:
  • сульфат железа FeSO4 применяют в качестве фунгицидов, консерванта древесины, как компонент электролитов;
  • хлорид железа FeCl2 применяют для получения хлорида железа (III), в качестве катализатора в органическом синтезе.
• Соли, в которых железо имеет степень окисления +3 (FeCl3, Fe2(SO4)3), являются слабыми окислителями:
  • сульфат железа Fe2(SO4)3 применяют для очистки воды, для получения квасцов, как компонент электролитов;
  • хлорид железа FeCl3 применяют в качестве коагулятора при очистке воды, катализатора в органическом синтезе, протравы при крашении текстиля.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили три оксида железа: FeO — оксид железа (II) (минерал вюстит);

Fe20 — оксид железа (III) (минерал гематит) и Fe304 — оксид железа (II, III), сложный оксид, одновременно содержащий ионы железа (II) и железа (III) (минерал магнетит).

Гематит. В работе [51] показано, что изменение размеров блоков кристаллитов гематита (Fe203) зависит от количества и способа сообщенной веществу механической энергии. При малых значениях ее наблюдается передвижение и аннигиляция дислокаций с увеличением размеров их блоков и с ростом дефектов двойникования, а при больших энергиях имеет место значительное накопление микроискажений, связанное с образованием и передвижением дислокаций, созданием критической концентрации дефектов и разрушением кристаллитов. При продолжающемся росте механической энергии возрастает доля пластической деформации в кристаллах минерала, что способствует образованию высокой концентрации анионных и катионных вакансий. За счет повышенной дефектности вещество становится более реакционноспособным. По данным работы [50], механоактивация приводит к изменению тонкой кристаллической структуры оксидов железа, в том числе и гематита, а именно к неравновесности их состояний, повышению концентрации дефектов в кристаллической решетке. Авторы [52] установили, что электропроводность Fe203, активированного в дезинтеграторе Д С Л-94, при повышении температуры больше, чем неактивированного. Они также показали, что при повышении реакционной способности активированного оксида железа наряду с увеличением скорости реакции с 1,86 до 5,47 мин4 возрастает степень превращения с 0,84 до 0,95 и уменьшается энергия активации этого процесса со 104 до 88 кДж/моль.

При взаимодействии активированного Fe203 с Н202 количество водорода, выделяющегося при разложении пероксида водорода, заметно возрастает, что объясняется авторами [53] увеличением концентрации активных центров на поверхности гематита. Этот результат говорит о возможности повышения эффективности, например, такой гетерогенной каталитической реакции, как дегидрирование этилбензола в стирол, при применении Fe203, подвергнутого механоактивации. Из работы [54] очевидно, что в начале реакции между активированным в дезинтеграторе Fe203 и Н202 скорость ее пропорциональна общей неупорядоченности кристаллической решетки гематита, а количество активных центров определяется общей концентрацией дефектов в ней.

Авторы работы [55] показали, что через 30 мин механоактивации гематита в планетарной мельнице размеры его частиц в соответствии с величиной квадрупольного расщепления по мессбауэровскому спектру и по рентгеновским данным достигают размера менее 200, а через 90 мин — около 70 при минимуме 50 А. Размеры микродеформаций решетки и областей когерентного рассеяния определяли методом гармонического анализа формы дифракционных линий. Авторы работы отмечают, что механоактивация протекает в два этапа:

• • первый этап связан с существенным уменьшением крупности частиц Fe203 при сохранении его кристаллической структуры;
• • второй этап — с дефектообразованием в структуре Fe203, вплоть до аморфизации.

По результатам работы [56], при механической обработке y-Fe203 и Сг203 в бисерной мельнице в растворах ПАВ (бензиламмонийхлорид, ал- килоксиэтилен, олеиновая кислота и другие) образуются адсорбционные комплексы на основе сильных водородных связей с поверхностью этих оксидов по сравнению с полученными в условиях до механоактивации.

Механоактивация Fe203 в дезинтеграторе с максимальной скоростью соударения, равной 143 м/с, приводит к повышению его дисперсности в 1,3 раза, к некоторой аморфизации и уменьшению среднего размера кристаллитов [57]. В варианте измельчения гематита в шаровой мельнице до близкой дисперсности крупность кристаллитов так заметно не изменяется. Результаты по активности Fe203, определяемой его взаимодействием с карбонатами щелочных металлов при нагревании, показали, что после предварительной дезинтеграторной обработки взаимодействие идет в 1,5— 2 раза быстрее при одновременном уменьшении температуры. При этом существенно то, что повышенная реакционная способность Fe203 после механоактивации сохраняется в течение нескольких месяцев.

По данным авторов работы [58], угол естественного откоса (УЕО) первичного порошка оксида железа составляет 24°, а у активированного в дезинтеграторе находится в пределах 32-37°, т. е. коэффициент внутреннего трения у измельченных порошков возрастает. Снижение текучести активированного в дезинтеграторе оксида железа затрудняет его транспорт по трубам, поэтому промышленный дезинтегратор Д-54 на комбинате был установлен в схему производства оксида железа непосредственно перед затариванием готового продукта в мягкие контейнеры.

Магнетит. При длительной механоактивации магнетита (Fe304), входящего, например, в состав неокисленных магнетитовых кварцитов Михайловского месторождения, в шаровой мельнице (от 0,5 до 4 ч) около 4 % его окисляется, переходя в гематит (Fe203) с образованием значительного количества гидроксидов железа [59].