四氧化三铁

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引言

$\mathrm{Fe_3O_4}$（四氧化三铁）是一种易于合成的化合物，自然界中存在的四氧化三铁是一种铁氧化物。铁氧化物，更广为人知的磁性氧化物，已被人类使用多年。磁性氧化物的一个很常见的例子是四氧化三铁纳米粒子（IONPS）。大约50年来，它们一直被用作体外诊断中的造影剂。四氧化三铁的化学式为$\mathrm{Fe_3O_4}$。它们也常被简单地视为铁锈。

什么是四氧化三铁？

铁氧化物是在实验室中易于合成的化合物，也常见于自然界。自然界中存在的铁氧化物共有16种，包括：

• 铁的氧化物

• 铁的氢氧化物

• 铁的羟基氧化物

它们通常是反应的结果，这些反应通常是水溶液反应。它们在pH值和氧化还原电位方面表现出变化。这些氧化物具有共同的基本组成，包括：Fe（铁）、O（氧）或OH（氢氧根）。它们通过不同的化合价和晶体结构相互区分。常见的铁氧化物例子包括：赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、纤铁矿和褐铁矿。

氧化铁(II, III) 的化学式为 $\mathrm{Fe_3O_4}$。$\mathrm{Fe_3O_4}$ 的矿物名为磁铁矿。这是自然界中最常见的铁氧化物。氧化铁名称通常后跟(II, III)，因为它们含有 $\mathrm{Fe^{+3}}$ 和 $\mathrm{Fe^{+2}}$ 离子。这解释了 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 对即使是最小的外部磁场也有吸引力。

$\mathrm{Fe_3O_4}$ 的性质

图1：磁铁矿 (Fe3O4)

James St. John，磁铁矿-黄铁矿-阳起石岩石（侏罗纪，1.56-1.62亿年前；秘鲁伊卡省马尔科纳磁铁矿矿床5号矿），CC BY 2.0

以下是 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的相关性质：

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 通常呈现深色，最常见的是黑色。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的摩尔质量为 231.531 g/mol。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的熔点为 1597°C。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的熔点为 2623°C。（此处数值与上句矛盾，需核实）

• 在室温下观察，它呈无气味黑色固体粉末。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 通常具有立方反尖晶石结构。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 具有良好的导电性，是 $\mathrm{Fe_2O_3}$ 电导率的 106 倍。

• 在磁场中适当的感应有助于 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 粒子表现出磁性，类似于微小的磁铁。

• 该化合物也被称为火星黑，一种黑色颜料。

• 哈伯法制氨工艺使用 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 作为催化剂。

• MRI 扫描借助 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 纳米粒子，它们起到造影剂的作用。

四氧化三铁的用途

与自然界中的任何其他金属氧化物一样，氧化铁也有重要的用途。如下所述：

• 黑色氧化铁（普通）用于凹版印刷和铜版印刷的油墨。

• 在塑料、制药、油墨和油漆工业产品中使用的各种组分中，氧化铁是最常见的。

• 氧化铜盐经常用于废水处理、化肥、纺织品染色和饲料添加剂的生产。

• 氧化铜在珠宝行业也很受欢迎，用作抛光材料。（这段描述的是氧化铜，而非氧化铁）

$\mathrm{Fe_3O_4}$ 纳米粒子的合成

诸如磁赤铁矿和磁铁矿之类的纳米粒子经常用于胶体悬浮液的制备。它们现在使用溶液燃烧法合成。该过程包括以下步骤：

• 取一个圆底烧瓶。

• 该烧瓶用于储存以下溶液：

  • $\mathrm{Fe(NO_3)_39H_2O}$

  • 用于磁铁矿合成的燃料 $\mathrm{(C_6H_8O_7H_2O)}$ 和

  • 用于磁赤铁矿合成的燃料 $\mathrm{(D-(+)-C_6H_{12}O_6)}$

• 在无空气条件下将溶液加热至 400°C。

• 水蒸发，导致燃烧反应（阴燃），最终留下黑色粉末。

• 将黑色粉末研磨后用蒸馏水处理。

• 将洗涤后的黑色粉末在 80°C 下干燥。

• 最后用 H2O2 处理该粉末，去除表面残留的任何碳（先前燃烧反应的结果）。

• 获得纳米粒子。

图2：四氧化三铁纳米粒子的制备

四氧化三铁纳米粒子 (IONPs)：性质

图3：四氧化三铁纳米粒子

Erik Wetterskog 等人，四氧化三铁纳米晶体的自组装，CC BY 3.0

关于四氧化三铁纳米粒子的一些重要说明：

• 它们通常是 $\mathrm{Fe_2O_3}$（磁赤铁矿）或 $\mathrm{Fe_3O_4}$（磁铁矿）纳米粒子的产物。

• 这些纳米粒子的直径范围为 1 至 100 纳米。

• 这些纳米粒子的用途主要体现在药物递送、磁性数据存储、生物传感等方面。

• 这些纳米粒子的表面积与体积之比显着增加，因此反过来显着提高了它们的结合能力。它们在溶液中也表现出优异的分散率。

• 它们的另一个特性是超顺磁性。这可以在尺寸为 2 至 20 纳米的纳米粒子中观察到。这表明：在没有外部磁场的情况下，它们不具有磁性。这使得纳米粒子在溶液中高度稳定。

结论

由铁和氧组成的化合物称为铁氧化物。目前已知有 16 种铁氧化物/羟基氧化物。铁氧化物中最常见的是铁锈。它们在自然界中非常容易获得。由于易于在自然界中获得，它们也易于在实验室中合成。

使用名为溶液燃烧法的合成方法制备的磁铁矿 $\mathrm{(Fe_3O_4)}$ 和磁赤铁矿纳米粒子使用铁氧化物作为该溶液的重要组分。这些纳米粒子随后有助于制备胶体悬浮液。

普通的黑色氧化铁也有助于制备铜版印刷和油墨（凹版印刷）。广泛使用氧化铁的最常见行业包括：化妆品、油漆、塑料、油墨和制药行业。

常见问题

Q1. 磁铁矿在四氧化三铁纳米粒子形成中的作用是什么？

A1. 磁铁矿是进行燃烧以形成四氧化三铁纳米粒子的溶液中的重要组分。

Q2. 铁氧化物指的是什么？

A2. 铁氧化物是过渡金属的氧化物。它们可以根据化学计量和晶体结构而有所不同。一些非常常见的铁氧化物包括 Fe₂O₃（磁赤铁矿）和 Fe₃O₄（磁铁矿）。

Q3. 磁铁矿 ($\mathrm{(Fe_3O_4)}$) 的一些工业用途是什么？

A3. 铁氧化物的工业用途包括：油漆、油墨、制药、化妆品等领域。它们也用于制备 IONPs。

Q4. 四氧化三铁纳米粒子的一些常用特性是什么？

A4. 四氧化三铁纳米粒子的特性包括：

• 由于具有超顺磁性，因此在溶液中高度稳定。

• 具有较高的结合能力。

• 有助于磁性数据的存储。

• 在溶液中具有较高的分散率。