산화 철(II,III)
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| 이름 | |
|---|---|
| IUPAC 이름
iron(II) diiron(III) oxide[1] | |
| 별칭
산화 제일제이철, 산화 철(II,III), 자철석, 검은 산화 철, 천연 자석, 녹, 마즈 블랙, 피그먼트 블랙 11 | |
| 식별자 | |
3D 모델 (JSmol) |
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| ChEBI | |
| ChEMBL | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard | 100.013.889 |
PubChem CID |
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| UNII | |
CompTox Dashboard (EPA) |
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| 성질 | |
| Fe3O4 FeO·Fe2O3 | |
| 몰 질량 | 231.533 g/mol |
| 겉보기 | 검은색 고체 분말 |
| 밀도 | 5 g/cm3 |
| 녹는점 | 1,597 °C (2,907 °F; 1,870 K) |
| 끓는점 | 2,623[2] °C (4,753 °F; 2,896 K) |
굴절률 (nD) |
2.42[3] |
| 위험 | |
| NFPA 704 (파이어 다이아몬드) | |
| 열화학 | |
표준 생성 엔탈피 (ΔfH⦵298) |
−1120.89 kJ·mol−1[4] |
산화 철(II,III)(Iron(II,III) oxide) 또는 검은 산화 철(black iron oxide)은 화학식이 Fe3O4인 화합물이다. 자연계에서는 광물인 자철석으로 산출된다. 여러 철 산화물 중 하나이며, 다른 종류로는 희귀한 산화 철(II)(FeO)와 자연계에서 적철석으로 산출되는 산화 철(III)(Fe2O3) 등이 있다. Fe2+ 이온과 Fe3+ 이온을 모두 포함하고 있어 때때로 FeO·Fe2O3로 표기되기도 한다. 실험실에서는 검은색 분말 형태로 나타난다. 영구 자성을 띠며 준강자성을 나타내지만, 때때로 강자성으로 잘못 묘사되기도 한다.[5] 가장 광범위한 용도는 검은색 안료(참조: 마즈 블랙)이다. 이 목적으로는 천연 광물에서 추출하기보다는 합성을 통해 제조하는데, 생산 방법에 따라 입자의 크기와 모양을 조절할 수 있기 때문이다.[6]
제조
[편집]가열된 철 금속은 수증기와 반응하여 산화 철과 수소 기체를 형성한다.
![{\displaystyle {3\,\mathrm {Fe} {}+{}4\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{}+{}4\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/913fd1a296e09a5fac6680f21fa2b590912be904)
혐기성 조건에서 수산화 철(II)(Fe(OH)2)는 물에 의해 산화되어 자철석과 분자 수소를 형성할 수 있다. 이 과정은 시코르 반응으로 설명된다.
![{\displaystyle {{\underset {\mathrm {ferrous} \ \mathrm {hydroxide} }{3\,\mathrm {Fe} (\mathrm {OH} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}{\underset {\mathrm {magnetite} }{\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}}}{}+{}{\underset {\mathrm {hydrogen} }{\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}{}+{}{\underset {\mathrm {water} }{2\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} }}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/74ddc48cf11a6124ff465559c33c1e213025f741)
결정질 자철석(Fe3O4)이 무정형 수산화 철(II)(Fe(OH)2)보다 열역학적으로 더 안정하기 때문에 이 반응이 일어난다.[7]
자성 유체로서 자철석을 제조하는 마사르트법은 실험실에서 편리하게 사용된다. 수산화 나트륨이 있는 상태에서 염화 철(II)와 염화 철(III)를 혼합한다.[8]
나트륨 잔류물 문제 없이 자철석을 제조하는 더 효율적인 방법은 암모니아를 사용하여 철 염화물로부터 화학적 공침을 유도하는 것이다. 먼저 0.1 M FeCl3·6H2O와 FeCl2·4H2O 용액을 약 2000 rpm으로 세게 저으면서 혼합한다. FeCl3:FeCl2의 몰비는 약 2:1이어야 한다. 혼합물을 70 °C로 가열한 다음 교반 속도를 약 7500 rpm으로 높이고 NH4OH 용액(10 부피 %)을 빠르게 첨가한다. 즉시 자철석 나노입자의 어두운 침전물이 형성된다.[9]
두 방법 모두 침전 반응은 pH 10 이상에서 산성 철 이온이 스피넬 구조의 철 산화물로 빠르게 전환되는 것에 의존한다.
자철석 나노입자의 형성을 제어하는 것은 쉽지 않은데, 자철석 스피넬 구조를 생성하는 데 필요한 반응과 상 변환이 복잡하기 때문이다.[10] 이 주제는 실용적으로 중요한데, 자철석 입자가 현재 사용되는 가돌리늄 기반 조영제의 비독성 대안이 될 가능성이 있는 자기공명영상(MRI)과 같은 바이오과학 분야에서 관심을 끌고 있기 때문이다. 그러나 입자 형성을 제어하기 어렵다는 점은 여전히 초상자성 자철석 나노입자, 즉 외부 자기장이 없을 때 영구 자성을 완전히 잃는(항자기성이 0 A/m인) 나노입자의 제조를 방해하고 있다. 현재 보고된 나노 크기 자철석 입자의 가장 작은 값은 Hc = 8.5 A m−1이며,[11] 합성 자철석에 대해 보고된 가장 큰 자화 값은 87 Am2 kg−1이다.[12][13]
이른바 합성 자철석이라고 불리는 안료 품질의 Fe3O4는 산업 폐기물, 고철 또는 철 염이 포함된 용액(예: 강철의 산 세척(산세)과 같은 산업 공정에서 부산물로 생성되는 용액)을 사용하는 공정을 통해 제조될 수 있다.
- C6H5NO2 + 3 Fe + 2 H2O → C6H5NH2 + Fe3O4
- FeII 화합물의 산화: 예를 들어 철(II) 염을 수산화물로 침전시킨 후 폭기(aeration)에 의해 산화시키는 공정으로, pH를 정밀하게 조절하여 생성되는 산화물을 결정한다.[6]
- 3Fe2O3 + H2 → 2Fe3O4 +H2O
CO를 이용한 Fe2O3의 환원:[16]
- 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2
나노입자의 생산은 화학적으로 수행될 수 있는데, 예를 들어 FeII 및 FeIII 염의 혼합물을 알칼리와 혼합하여 콜로이드 상태의 Fe3O4를 침전시킨다. 반응 조건은 공정에서 매우 중요하며 입자 크기를 결정한다.[17]
탄산 철(II) 또한 열분해되어 산화 철(II,III)이 될 수 있다.[18]
- 3FeCO
3 → Fe
3O
4 + 2CO
2 + CO
반응
[편집]용광로에서 CO에 의한 자철광 광석의 환원은 강철 제조 공정의 일부로서 철을 생산하는 데 사용된다:[5]
![{\displaystyle {{\text{Fe3O4}}{}+{}4\,\mathrm {CO} {}\mathrel {\longrightarrow } {}{\text{3Fe}}{}+{}4\,\mathrm {CO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5114f1c0915c4871a373928770d4d99ca81f19a4)
Fe3O4의 제어된 산화는 갈색 안료 품질의 γ-Fe2O3(자적철석)를 생산하는 데 사용된다:[19]
![{\displaystyle {\underbrace {2\,\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}} _{\mathrm {magnetite} }{}+{}{\text{1/2O2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}}\ {\color {Brown}{\underbrace {3\,(\mathrm {\gamma } {\text{-}}\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}})} _{\mathrm {maghemite} }}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dbe12cde5eaaef72407bb3b7c5c1c173c00489fd)
더 격렬한 하소(공기 중에서 굽기)는 붉은색 안료 품질의 α-Fe2O3(적철석)를 생성한다:[19]
![{\displaystyle {\underbrace {2\,\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}} _{\mathrm {magnetite} }{}+{}{\text{1/2O2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}}\ {\color {BrickRed}{\underbrace {3\,(\mathrm {\alpha } {\text{-}}\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}})} _{\mathrm {hematite} }}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cb560901dedf21ca3cca8533aad4248d552634a9)
구조
[편집]Fe3O4는 입방 역스피넬 그룹 구조를 가지고 있으며, 이는 산화물 이온의 입방 조밀 충전 배열로 구성된다. 여기서 모든 Fe2+ 이온은 팔면체 자리의 절반을 차지하고, Fe3+ 이온은 나머지 팔면체 자리와 사면체 자리에 고르게 나뉘어 배치된다.
FeO와 γ-Fe2O3 모두 산화물 이온의 유사한 입방 조밀 충전 배열을 가지고 있으며, 이는 산화 및 환원 시 세 화합물 사이의 용이한 상호 전환을 가능하게 한다. 이러한 반응들은 전체 구조에 상대적으로 작은 변화만을 수반하기 때문이다.[5] Fe3O4 시료는 비화학량론적일 수 있다.[5]
Fe3O4의 준강자성은 팔면체 자리에 있는 FeII 및 FeIII 이온의 전자 스핀이 결합되어 있고, 사면체 자리에 있는 FeIII 이온의 스핀이 앞선 이온들의 스핀과 평행하지 않게(역평행하게) 결합되어 있기 때문에 발생한다. 결과적으로 두 세트의 자기 기여가 상쇄되지 않아 영구 자성이 나타나게 된다.[5]
용융 상태에서 실험적으로 제한된 모델은 철 이온이 평균적으로 5개의 산소 이온과 배위되어 있음을 보여준다.[20] 액체 상태에서는 배위 자리가 분포되어 있는데, FeII와 FeIII 대부분은 산소와 5배위를 이루며, 소수는 4배위 및 6배위 철로 존재한다.
속성
[편집]
Fe3O4는 큐리 온도가 858 K (585 °C)인 준강자성 물질이다. 120 K (−153 °C)에서 페르베이 전이라고 불리는 상전이가 일어나는데, 이때 구조, 전도성 및 자기적 성질에서 불연속성이 나타난다.[21] 이 효과는 광범위하게 조사되었으며 다양한 설명이 제안되었지만, 아직 완전히 이해되지는 않은 것으로 보인다.[22]
Fe3O4의 비저항(0.3 mΩ m[23])은 철 금속(96.1 nΩ m)보다는 훨씬 높지만, Fe2O3(약 kΩ m)보다는 현저히 낮다. 이는 Fe3O4 내의 FeII와 FeIII 중심 사이의 전자 교환에 기인한다.[5]
용도
[편집]Fe3O4는 검은색 안료로 사용되며 C.I. 피그먼트 블랙 11(C.I. No.77499) 또는 마즈 블랙으로 알려져 있다.[19]
Fe3O4는 하버법 및 수성 가스 전환 반응에서 촉매로 사용된다.[24] 후자에서는 산화 크로뮴에 의해 안정화된 철 산화물의 HTS(고온 전환 촉매)를 사용한다.[24] 이 철-크롬 촉매는 반응기 가동 시 환원되어 α-Fe2O3로부터 Fe3O4를, CrO3로부터 Cr2O3를 생성한다.[24]
의료용
[편집]| 체계적 명칭 (IUPAC 명명법) | |
|---|---|
| iron(2+);iron(3+);oxygen(2-) | |
| 식별 정보 | |
| CAS 등록번호 | 1309-38-2 |
| ATC 코드 | none |
| PubChem | ? |
| 드러그뱅크 | DB06215 |
| 화학적 성질 | |
| 화학식 | O4 |
| 분자량 | ? |
| 약동학 정보 | |
| 생체적합성 | ? |
| 동등생물의약품 | ? |
| 약물 대사 | ? |
| 생물학적 반감기 | ? |
| 배출 | ? |
| 처방 주의사항 | |
| 허가 정보 | |
| 임부투여안전성 | ? |
| 법적 상태 | |
| 투여 방법 | 정맥 내 주입 |
Fe3O4 나노입자는 MRI 스캔에서 조영제로 사용된다.[27]
페라헤임(Feraheme) 및 리엔소(Rienso)라는 브랜드명으로 판매되는 페루목시톨(Ferumoxytol)은 만성 콩팥병으로 인한 빈혈 치료를 위한 정맥 주사용 Fe3O4 제제이다.[25][26][28][29] 페루목시톨은 AMAG 파마슈티컬스에서 제조하여 전 세계에 유통하고 있다.[25][29]
생물학적 산출
[편집]같이 보기
[편집]각주
[편집]- ↑ Iron(ii) diiron(iii) oxide in Linstrom, Peter J.; Mallard, William G. (eds.); NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg (MD), http://webbook.nist.gov (retrieved 2024-12-22)
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