Oxid železitý
Obsah boxu
Šablona:Infobox - chemická sloučenina Oxid železitý (chemický vzorec Fe₂O₃) je anorganická sloučenina kyslíku a železa, v níž má železo oxidační číslo +III. Jedná se o jeden ze tří hlavních oxidů železa, společně s oxidem železnatým (FeO) a oxidem železnato-železitým (Fe₃O₄). V přírodě se vyskytuje především jako nerost hematit (krevel), který je hlavní rudou pro výrobu železa. V běžném životě je nejznámější jako hlavní složka rzi.
Díky své stálosti, netoxicitě a výrazné barvě je oxid železitý masivně využíván jako pigment v barvách, stavebních materiálech a keramice. Jeho magnetické vlastnosti v podobě nerostu maghemitu hrály klíčovou roli v historii záznamových médií.
🧪 Chemické a fyzikální vlastnosti
Oxid železitý je pevná, krystalická látka červenohnědé barvy. Je prakticky nerozpustný ve vodě, ale rozpouští se v silných kyselinách, jako je kyselina chlorovodíková nebo kyselina sírová, za vzniku solí železitých.
- Fe₂O₃ + 6 HCl → 2 FeCl₃ + 3 H₂O
Má amfoterní charakter, což znamená, že může reagovat jak s kyselinami, tak se silnými zásadami, i když jeho zásaditý charakter převažuje. Je termicky velmi stabilní, taje při teplotě okolo 1565 °C, přičemž dochází k jeho částečnému rozkladu za odštěpení kyslíku a vzniku oxidu železnato-železitého.
🔬 Polymorfy
Oxid železitý existuje v několika krystalových modifikacích (polymorfech), které se liší uspořádáním atomů v krystalové mřížce a mají odlišné fyzikální, zejména magnetické, vlastnosti.
- Alfa forma (α-Fe₂O₃): Nejběžnější a nejstabilnější forma, v přírodě známá jako nerost hematit. Má trigonální (romboedrickou) krystalovou strukturu shodnou se strukturou korundu (α-Al₂O₃). Při teplotách pod Néelovou teplotou (cca 675 °C) je antiferomagnetický.
- Gama forma (γ-Fe₂O₃): Méně stabilní, metastabilní forma, v přírodě se vyskytuje jako nerost maghemit. Má kubickou krystalovou strukturu typu spinelu. Na rozdíl od alfa formy je ferimagnetický, což umožnilo jeho masivní využití pro výrobu magnetických záznamových médií, jako jsou magnetické pásky a pevné disky. Při zahřátí přechází na stabilnější alfa formu.
- Beta forma (β-Fe₂O₃): Metastabilní forma s kubickou prostorově centrovanou mřížkou. Je poměrně vzácná a při teplotách nad 500 °C se přeměňuje na alfa formu.
- Epsilon forma (ε-Fe₂O₃): Poměrně nově objevená forma s kosočtverečnou (ortorombickou) strukturou. Vyznačuje se mimořádně vysokou koercitivní silou, což ji činí zajímavou pro potenciální aplikace v oblasti vysokohustotního magnetického záznamu nebo permanentních magnetů bez obsahu vzácných kovů.
🌍 Výskyt v přírodě
Oxid železitý je v zemské kůře hojně rozšířený a je zodpovědný za červené a hnědé zbarvení mnoha hornin a půd.
- Hematit: Jako hlavní železná ruda tvoří masivní ložiska po celém světě. Mezi nejvýznamnější naleziště patří oblast Velkých jezer v USA, Brazílie, Austrálie, Čína a Rusko. Hematit může mít různé podoby, od zemitých a práškovitých agregátů (okr) až po kovově lesklé krystaly (spekularit).
- Rez: Je hydratovanou formou oxidu železitého (Fe₂O₃·nH₂O) a vzniká elektrochemickým procesem koroze železa a jeho slitin (např. oceli) za přítomnosti kyslíku a vody. Tento proces způsobuje obrovské ekonomické ztráty degradací materiálů a konstrukcí.
- Půdy a pigmenty: Oxid železitý je klíčovou složkou, která dává barvu tropickým půdám, jako je laterit. Přírodní hlinky obsahující oxid železitý, jako jsou okr, sienská hněď a umbra, se od pravěku používají jako pigmenty v malířství.
⚙️ Výroba a reakce
🏭 Průmyslová výroba
Průmyslově se oxid železitý primárně netěží pro sebe sama, ale jako surovina pro výrobu železa. Čistý oxid železitý pro použití jako pigment nebo v jiných aplikacích se vyrábí několika způsoby:
- **Tepelný rozklad:** Žíháním (kalcinací) jiných sloučenin železa, například hydroxidu železitého nebo síranu železnatého.
: 2 Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3 H₂O
- **Srážení:** Vyloučením hydroxidu železitého z roztoků železitých solí a jeho následnou kalcinací. Tento proces umožňuje kontrolu nad velikostí a tvarem částic, což je klíčové pro pigmentové aplikace.
- **Lurgiho proces:** Oxidací pyritu (FeS₂) při výrobě kyseliny sírové.
🔥 Termitová reakce
Oxid železitý je klíčovou složkou termitu, což je směs práškového hliníku a oxidu železitého. Po zapálení probíhá vysoce exotermická aluminotermická reakce, při které hliník redukuje oxid železitý na elementární železo za uvolnění obrovského množství tepla, které roztaví vzniklé železo i oxid hlinitý.
- 2 Al + Fe₂O₃ → 2 Fe + Al₂O₃ + teplo (cca 2500 °C)
Tato reakce se využívá pro svařování kolejnic nebo pro opravy masivních ocelových odlitků.
💡 Využití
Oxid železitý má díky svým vlastnostem a nízké ceně mimořádně široké spektrum využití.
- Hutnictví železa: Je absolutně klíčovou surovinou pro výrobu surového železa ve vysoké peci. Zde je redukován oxidem uhelnatým (vznikajícím spalováním koksu) na elementární železo, které je základem pro výrobu oceli.
- Pigmenty: Pod mezinárodním označením Pigment Red 101 je jedním z nejrozšířenějších anorganických pigmentů. Používá se k barvení nátěrových hmot, plastů, gumy, papíru, ale především stavebních materiálů, jako je beton, střešní tašky nebo dlažba. Je ceněn pro svou světlostálost, chemickou odolnost a nízkou cenu. Je také schválen jako potravinářské barvivo pod kódem E172.
- Magnetické materiály: Gama modifikace (γ-Fe₂O₃, maghemit) byla po desetiletí dominantním materiálem pro výrobu magnetické vrstvy na audiokazetách, videokazetách, disketách a pevných discích. Dnes je nahrazována modernějšími materiály, ale stále nachází uplatnění.
- Leštění a broušení: Velmi jemný práškový oxid železitý, známý jako klenotnická červeň (jeweller's rouge), se používá k finálnímu leštění drahých kovů, jako je zlato a stříbro, a také k leštění skla a optických čoček.
- Katalýza: Používá se jako katalyzátor nebo prekurzor katalyzátoru v mnoha průmyslových chemických procesech, například při výrobě amoniaku (Haber-Boschova syntéza) nebo při odsiřování plynů.
- Ostatní aplikace:
* Složka termitových směsí pro svařování. * V medicíně se nanočástice oxidu železitého používají jako kontrastní látka při magnetické rezonanci (MRI). * V kosmetice jako UV filtr a pigment. * Při výrobě některých typů keramiky a glazur.
☣️ Bezpečnost a toxicita
Oxid železitý je obecně považován za netoxický, nereaktivní a ekologicky nezávadný materiál. Je schválen pro použití v potravinářství i kosmetice.
Hlavní zdravotní riziko představuje dlouhodobé vdechování jemného prachu oxidu železitého, které může u pracovníků v hutích, dolech nebo při svařování vést k benigní (nezhoubné) formě pneumokoniózy zvané sideróza. Tento stav je způsoben ukládáním prachových částic v plicích, ale obvykle nevede k funkčnímu poškození plicní tkáně, na rozdíl od nebezpečnější silikózy nebo azbestózy. Při manipulaci s práškovým materiálem je doporučeno používat ochranu dýchacích cest.
🔬 Pro laiky
- Co je to oxid železitý? Jednoduše řečeno, je to sloučenina železa a kyslíku. Nejznámější formou, se kterou se setkáváme, je obyčejná rez, která se tvoří na železných předmětech, když jsou vystaveny vlhkému vzduchu.
- Proč "železitý"? V chemii rozlišujeme, kolik "vazeb" atom vytvoří. Železo může být "železnaté" (Fe²⁺) nebo "žele-zité" (Fe³⁺). Oxid železitý obsahuje tu druhou, stabilnější formu. To je důvod, proč je rez červenohnědá (železitá), zatímco jiné sloučeniny železa mohou být třeba zelené (železnaté).
- Kde všude je? Kromě rzi je oxid železitý hlavní složkou nejdůležitější železné rudy zvané hematit. Je to také on, kdo dává barvu červeným skalám, pouštnímu písku nebo červené hlíně na tenisových kurtech. Když si koupíte červenou barvu na plot nebo vidíte červenou zámkovou dlažbu, s velkou pravděpodobností je obarvena právě tímto oxidem.
- Různé podoby, stejný vzorec: Oxid železitý může mít atomy uspořádané různými způsoby, podobně jako z kostek Lego můžete postavit auto nebo dům. I když jsou kostky stejné (vzorec Fe₂O₃), výsledná stavba má jiné vlastnosti. Jedna forma (hematit) je nemagnetická a používá se jako barvivo, zatímco jiná (maghemit) je magnetická a dříve se používala k nahrávání hudby na kazety.