四氧化三鐵

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引言

$\mathrm{Fe_3O_4}$（四氧化三鐵）是一種易於合成的化合物，自然界中存在的四氧化三鐵是一種鐵氧化物。鐵氧化物，更廣為人知的磁性氧化物，已被人類使用多年。磁性氧化物的一個很常見的例子是四氧化三鐵奈米粒子（IONPS）。大約50年來，它們一直被用作體外診斷中的造影劑。四氧化三鐵的化學式為$\mathrm{Fe_3O_4}$。它們也常被簡單地視為鐵鏽。

什麼是四氧化三鐵？

鐵氧化物是在實驗室中易於合成的化合物，也常見於自然界。自然界中存在的鐵氧化物共有16種，包括：

• 鐵的氧化物

• 鐵的氫氧化物

• 鐵的羥基氧化物

它們通常是反應的結果，這些反應通常是水溶液反應。它們在pH值和氧化還原電位方面表現出變化。這些氧化物具有共同的基本組成，包括：Fe（鐵）、O（氧）或OH（氫氧根）。它們透過不同的化合價和晶體結構相互區分。常見的鐵氧化物例子包括：赤鐵礦、針鐵礦、磁鐵礦、纖鐵礦和褐鐵礦。

氧化鐵(II, III) 的化學式為 $\mathrm{Fe_3O_4}$。$\mathrm{Fe_3O_4}$ 的礦物名為磁鐵礦。這是自然界中最常見的鐵氧化物。氧化鐵名稱通常後跟(II, III)，因為它們含有 $\mathrm{Fe^{+3}}$ 和 $\mathrm{Fe^{+2}}$ 離子。這解釋了 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 對即使是最小的外部磁場也有吸引力。

$\mathrm{Fe_3O_4}$ 的性質

圖1：磁鐵礦 (Fe3O4)

James St. John，磁鐵礦-黃鐵礦-陽起石岩石（侏羅紀，1.56-1.62億年前；秘魯伊卡省馬爾科納磁鐵礦礦床5號礦），CC BY 2.0

以下是 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的相關性質：

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 通常呈現深色，最常見的是黑色。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的摩爾質量為 231.531 g/mol。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的熔點為 1597°C。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 的熔點為 2623°C。（此處數值與上句矛盾，需核實）

• 在室溫下觀察，它呈無氣味黑色固體粉末。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 通常具有立方反尖晶石結構。

• $\mathrm{Fe_3O_4}$ 具有良好的導電性，是 $\mathrm{Fe_2O_3}$ 電導率的 106 倍。

• 在磁場中適當的感應有助於 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 粒子表現出磁性，類似於微小的磁鐵。

• 該化合物也被稱為火星黑，一種黑色顏料。

• 哈伯法制氨工藝使用 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 作為催化劑。

• MRI 掃描藉助 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 奈米粒子，它們起到造影劑的作用。

四氧化三鐵的用途

與自然界中的任何其他金屬氧化物一樣，氧化鐵也有重要的用途。如下所述：

• 黑色氧化鐵（普通）用於凹版印刷和銅版印刷的油墨。

• 在塑膠、製藥、油墨和油漆工業產品中使用的各種組分中，氧化鐵是最常見的。

• 氧化銅鹽經常用於廢水處理、化肥、紡織品染色和飼料新增劑的生產。

• 氧化銅在珠寶行業也很受歡迎，用作拋光材料。（這段描述的是氧化銅，而非氧化鐵）

$\mathrm{Fe_3O_4}$ 奈米粒子的合成

諸如磁赤鐵礦和磁鐵礦之類的奈米粒子經常用於膠體懸浮液的製備。它們現在使用溶液燃燒法合成。該過程包括以下步驟：

• 取一個圓底燒瓶。

• 該燒瓶用於儲存以下溶液：

  • $\mathrm{Fe(NO_3)_39H_2O}$

  • 用於磁鐵礦合成的燃料 $\mathrm{(C_6H_8O_7H_2O)}$ 和

  • 用於磁赤鐵礦合成的燃料 $\mathrm{(D-(+)-C_6H_{12}O_6)}$

• 在無空氣條件下將溶液加熱至 400°C。

• 水蒸發，導致燃燒反應（陰燃），最終留下黑色粉末。

• 將黑色粉末研磨後用蒸餾水處理。

• 將洗滌後的黑色粉末在 80°C 下乾燥。

• 最後用 H2O2 處理該粉末，去除表面殘留的任何碳（先前燃燒反應的結果）。

• 獲得奈米粒子。

圖2：四氧化三鐵奈米粒子的製備

四氧化三鐵奈米粒子 (IONPs)：性質

圖3：四氧化三鐵奈米粒子

Erik Wetterskog 等人，四氧化三鐵奈米晶體的自組裝，CC BY 3.0

關於四氧化三鐵奈米粒子的一些重要說明：

• 它們通常是 $\mathrm{Fe_2O_3}$（磁赤鐵礦）或 $\mathrm{Fe_3O_4}$（磁鐵礦）奈米粒子的產物。

• 這些奈米粒子的直徑範圍為 1 至 100 奈米。

• 這些奈米粒子的用途主要體現在藥物遞送、磁性資料儲存、生物感測等方面。

• 這些奈米粒子的表面積與體積之比顯著增加，因此反過來顯著提高了它們的結合能力。它們在溶液中也表現出優異的分散率。

• 它們的另一個特性是超順磁性。這可以在尺寸為 2 至 20 奈米的奈米粒子中觀察到。這表明：在沒有外部磁場的情況下，它們不具有磁性。這使得奈米粒子在溶液中高度穩定。

結論

由鐵和氧組成的化合物稱為鐵氧化物。目前已知有 16 種鐵氧化物/羥基氧化物。鐵氧化物中最常見的是鐵鏽。它們在自然界中非常容易獲得。由於易於在自然界中獲得，它們也易於在實驗室中合成。

使用名為溶液燃燒法的合成方法制備的磁鐵礦 $\mathrm{(Fe_3O_4)}$ 和磁赤鐵礦奈米粒子使用鐵氧化物作為該溶液的重要組分。這些奈米粒子隨後有助於製備膠體懸浮液。

普通的黑色氧化鐵也有助於製備銅版印刷和油墨（凹版印刷）。廣泛使用氧化鐵的最常見行業包括：化妝品、油漆、塑膠、油墨和製藥行業。

常見問題

Q1. 磁鐵礦在四氧化三鐵奈米粒子形成中的作用是什麼？

A1. 磁鐵礦是進行燃燒以形成四氧化三鐵奈米粒子的溶液中的重要組分。

Q2. 鐵氧化物指的是什麼？

A2. 鐵氧化物是過渡金屬的氧化物。它們可以根據化學計量和晶體結構而有所不同。一些非常常見的鐵氧化物包括 Fe₂O₃（磁赤鐵礦）和 Fe₃O₄（磁鐵礦）。

Q3. 磁鐵礦 ($\mathrm{(Fe_3O_4)}$) 的一些工業用途是什麼？

A3. 鐵氧化物的工業用途包括：油漆、油墨、製藥、化妝品等領域。它們也用於製備 IONPs。

Q4. 四氧化三鐵奈米粒子的一些常用特性是什麼？

A4. 四氧化三鐵奈米粒子的特性包括：

• 由於具有超順磁性，因此在溶液中高度穩定。

• 具有較高的結合能力。

• 有助於磁性資料的儲存。

• 在溶液中具有較高的分散率。