氢原子百科 
氧化铁（英文名称：Ferric oxide，别名铁红，铁锈，三氧化二铁），铁氧化物的一种，属于无机物质，化学式为Fe₂O₃。氧化铁常温下为红棕色固体粉末[2]，通常以α-Fe₂O₃晶型的刚玉型三方晶系结构[5][6]存在，少部分以亚稳定晶型γ-Fe₂O₃的立方晶系结构存在。氧化铁不溶于水，溶于盐酸、硫酸，微溶于硝酸[4]。氯化铁也可被一氧化碳、氢气等还原性气体还原，且完全还原产物为铁[4][7]。利用这一性质，氧化铁也被广泛用于工业炼铁[8]。氧化铁常存在于天然赤铁矿物中[9]，同时也是铁锈的主要成分[10][11]。除炼铁的应用以外，氯化铁还常用于催化[12]，磁带记录[13][12]，颜料染色[12]，医药和珠宝等行业[14]中。
自然存在
铁元素以不同的形式存在与不同的矿物中[12]，氧化铁常以α型氧化铁形式在自然界中以赤铁矿的形式出现，以γ型氧化铁在自然界中以磁赤铁矿的形式出现[9]。
1.赤铁矿是广泛分布在各种岩石中的副矿物，以分散颗粒状存在于火成岩中，以菱面体、板状、致密块状等形状出现[15]。世界赤铁矿的主要产地有英国、巴西、澳大利亚、美国、墨西哥和俄罗斯等地[14]，其中较著名的有美国苏必利尔湖和克林顿、巴西的迈拉斯格瑞斯、俄罗斯克里沃伊洛格等地[15]。
2.磁赤铁矿常以针状、板状以及云母片状生长于磁铁矿中。因此磁赤铁矿的分布与磁铁矿密切相关。[16]
氧化铁也是铁锈的主要成分。[10]铁在含有二氧化碳的潮湿空气中会被氧化，并在表面上形成褐色鳞片层，即铁锈。[11]
物质结构
氧化铁常以α-Fe₂O₃和γ-Fe₂O₃两种形式存在，其中α-Fe₂O₃为氧化铁的稳定存在形式，且α-Fe₂O₃在一定条件下可转换为γ-Fe₂O₃形式。[17]而γ-Fe₂O₃则为较低温度下氧化得到的亚稳态形式，在一定温度下加热便会完全转换为α-Fe₂O₃形式。[18]其中，对于二者的金属-氧键能，α-Fe₂O₃＞γ-Fe₂O₃。[18]
α-Fe₂O₃
α-Fe₂O₃，也称赤铁矿[6]，属于刚玉型三方晶系结构，Fe³⁺处于O²⁻形成的接近六方密堆积的空隙中，被六个相等距离的O²⁻包围[5][6]，晶格参数a=5.0356nm，c=13.7489nm，每个晶胞有6个Fe₂O₃单元。[6]在α-Fe₂O₃中，O²⁻沿六角形封闭晶格的（001）平面排列，而三分之二的八面体间隙被（001）基面上的阳离子Fe³⁺占据。[6]
此外，α-Fe₂O₃是一种磁性比较复杂的物质，在121.1℃以上具有弱铁磁性，在121.1℃以下弱铁磁性会消失，反铁磁性会增加。[17]α-Fe₂O₃和α-Al₂O₃（刚玉）的晶体结构十分类似。[5]
γ-Fe₂O₃
γ-Fe₂O₃，也称为磁赤铁矿[6]，是氧化铁的低温亚稳态形式，属于立方晶系结构[5]。γ-Fe₂O₃的晶体结构和Fe₃O₄晶体十分类似[18]，晶体中的Fe³⁺分布在立方晶系结构中的氧原子的四面体中心A位置上和氧的八面体中心B的位置上。[5]
物理性质
纯氧化铁常温下为无味红棕色固体粉末，密度为5.24g/cm³[1]，不溶于水和有机溶剂，可溶于盐酸、硫酸，微溶于硝酸[4]。在标准的大气压力下，氧化铁的熔点为1565℃，氧化铁具有两种晶型，分别为稳定刚玉型三方晶系结构的α型晶体和亚稳定立方晶系结构的γ型晶体[9]，氧化铁的折射率为3.19。[3]
与酸反应
氧化铁可与酸反应生成盐和水。[19]
氧化还原
氧化铁可以和一氧化碳、氢气发生氧化还原反应，最终被还原成铁。[4][7]温度高于570℃的条件下，氧化铁的还原顺序为氧化铁→四氧化三铁→氧化亚铁→铁，而在低于570℃的温度条件下，氧化铁的还原顺序为氧化铁→四氧化三铁→铁。[7][20]
干法
直接煅烧法制备氧化铁的基本原理是：以提纯后的绿矾（七水合硫酸铁）为原料，在800 ℃的高温条件下煅烧使绿矾脱水氧化生成产物氧化铁[3]。将粗产物通过粉碎、水洗、干燥等步骤即可获得纯净的氧化铁产品。[22]
直接氧化煅烧工艺制备氧化铁的流程如下图所示：[22]
另一种干法制备氧化铁的方式是首先以铁和硫酸反应制备硫酸亚铁中间产物，利用高温对中间产物进行煅烧使之分解获得粗氧化铁产物。[4]
干法高温煅烧制备氧化铁的基本工艺流程为下图所示：[4]
湿法
常用的湿法生产氧化铁工艺主要可分为三步：硫酸亚铁的精制、晶种的制备和氧化铁的合成。
晶种的制备
以精制后的氧化亚铁和氨水为原料混合，控制pH值在8.5-9之间，通入氧气使混合物进行氧化还原反应可获得γ-FeOOH晶体。该过程主要的化学反应方程式为：[22]
氧化铁的合成
将晶种悬浮液加热至一定温度，同时加入精制硫酸亚铁溶液和中和剂氨水，并通入压缩空气，控制该过程pH值为5-6，可获得α-Fe₂O₃·H₂O，晶种γ-FeOOH也转变为α-Fe₂O₃·H₂O。[22]该过程主要的化学方程式为：[22]
经过一系列的除杂操作后，在800℃左右的高温下煅烧α-Fe₂O₃·H₂O即可获得纯净的氧化亚铁。[22]
该工艺的基本流程如下图所示：[22]
另一种湿法制备氧化铁的基本原理是：以水合硫酸亚铁和烧碱为基本原料，首先进行一系列反应产生氢氧化铁，再通过以氢氧化铁为晶种，进一步进行氧化反应获得产物氧化铁。[4]
以氢氧化铁为晶种:[4]
湿法制备氧化铁的基本工艺流程如下图所示：[4]
纳米氧化铁
纳米氧化铁具有良好的光学性质、磁性和催化性能等，且具有低毒性、原料廉价易得、无污染等优点，被认为是多功能材料在许多行业中广泛使用。[23]氧化铁纳米颗粒的制备方法，直接决定了其产物的微观形貌，纳米粒子的微观结构和性能表现。[23]目前常见的纳米氧化铁制备方法有沉淀法[24][25][23]，水热法[26][23]和固液气液法。[23]其中沉淀法中常使用的方法为均匀沉淀法，均匀沉淀法合成纳米氧化铁的基本原理为：利用尿素和氯化铁溶液为原料进行反应，之后对反应产物FeOOH进行热处理获得最终产物纳米氧化铁。[24]制备过程中的主要反应如下：[24][25]
尿素发生分解：
铁离子发生沉淀：
对沉淀进行热处理：
采用均匀沉淀法所制得产品具有粒径分布区间小和颗粒分散较好的优点，并且可以通过控制煅烧温度，获得利用价值较高的中间产物FeOOH。[24][25]
催化
磁带
矫顽力约为300奥斯特的γ-Fe₂O₃的微细粉末与树脂混合可作为磁记录的铁氧化物。将混合物涂抹在塑料胶片和AI板上，利用磁场中的涂敷技术，可以提高胶片的性能。γ-Fe₂O₃的形状具有各向异性可以稳定产生较高的矫顽力，与树脂混合时，磁性粉末更容易获得较高的填充密度[27]。γ-Fe₂O₃的这一特性使之可以广泛的应用于录音磁带、计算机磁带、电影录音磁片和复制母带等磁性记录设备中。[13]
磁性氧化铁具有特殊的超顺磁性，在巨磁电阻、磁性液体和磁记录、软磁、永磁、磁致冷、巨磁阻抗材料以及磁光器件、磁探测器等方面具有广阔的应用前景。[13][12]
颜料
纳米氧化铁分散在透明介质中制成连续的薄膜时具有透明的着色效果，并且耐温、耐候、耐酸碱，广泛用作高档汽车面漆、建筑涂料、防腐涂料等。[12]
医药
检测
珠宝
赤铁矿加工制成的宝石折射率是所有宝石中最强的[14]。大部分赤铁矿呈黑色、银灰色或深褐红色，对其进行抛光加工后，会使其表面会散发强的金属光泽，常被珠宝市场称作“黑钻”。片状集合体形式存在的赤铁矿会像绽开的玫瑰花瓣排列，因此赤铁矿也有有“铁玫瑰”的称号。[14]
赤铁矿是在维多利亚时期欧洲十分受欢迎的宝石。美洲西部人民也会利用赤铁矿加工佩戴或摆件装饰品。[14]
冶金
以氧化铁为原料，利用气体还原剂还原氧化铁可直接炼铁。20世纪60年代中期，工业上便开始采用该方法炼铁。[8]
健康危害
防护措施
在从事相关工业工作时，需要佩戴隐形眼镜或特定的眼部保护设备，防止化学烟尘污染眼部，同时佩戴口罩，避免吸入。[9]
急救措施
参考资料 27
- https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/518696
- https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/56841934#section=Depositor-Supplied-Synonyms
- https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/14833
- 参考 4
- 参考 5
- https://doi.org/10.1016/j.apcata.2015.03.023.
- 参考 7
- 参考 8
- https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/source/hsdb/2964#section=Environmental-Fate-%26-Exposure
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- 参考 24
- 参考 25
- 参考 26
- 参考 27