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一般性状：具有磁性的黑色晶体

密 度：5.18g/cm^3

熔点：1867.5K(1594.5℃)

四氧化三铁(纳 米)

铁 在四氧化三铁中有两种化合价，经研究证明了Fe3O4是一种铁(Ⅲ)酸 盐，即FeⅡFeⅢ[FeⅢO4]。黑色晶体，密度5.18克/立方厘米。有磁性，故又称磁性氧化铁。潮湿状态的四氧化三铁在空气中容易氧化成三氧化二铁。 不溶于水，溶于酸。用作颜料和抛光剂。磁性氧化铁用于制录音磁带和电讯器材。用红热铁跟水蒸气反应制得。

　　因它具磁性又名磁性氧化 铁。难溶于水，溶于酸(Fe3O4 + 8H+ = Fe2+ + 2Fe3+ + 4H2O)，不溶于碱，也不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。但是天然的Fe3O4不溶于酸。

　　四氧化三铁可视为FeO·Fe2O3，经X射 线研究认为它是铁(III)酸的盐

　　其名称为“偏铁酸亚铁”，化学式：Fe(FeO2)2

　　另外,它还是导体,因为 在磁铁矿中由于Fe2+与Fe3+在八面体位置上基本上是无序排列的， 电子可在铁的两种氧化态间迅速发生转移，所以四氧化三铁固体具有优良的导电性。

　 　铁丝在氧气里燃烧生成四氧化三铁；铁在空气里加热到500℃，铁跟空气里的氧气起反应也生成四 氧化三铁（现象：火星四射，生成黑色固体--四氧化三铁。实验室里做实验注意实验时要在瓶底铺一层细沙或水原因是：防止熔化物炸裂瓶底！）；锻工砧子周围 散落的蓝灰色碎屑主要是四氧化三铁；铁跟高温的水蒸汽发生置换反应生成四氧化三铁和氢气；天然磁铁矿的主要 成分是四氧化三铁的晶体。四氧化三铁是一种重要的常见铁的化合物。

　　四氧化三铁是一种铁酸盐，即Fe2+（Fe3+O4）2（即 Fe（FeO2）2前面2+和3+ 代表铁的价态）。在Fe3O4里，铁显两种价态，一个铁原子显+2价，两个铁原子显+3价，所以说四氧化三铁可看成是由FeO与Fe2O3组成的化合物， 可表示为FeO·Fe2O3，而不能说是FeO与Fe2O3组成的混合物，它属于纯净物。

　　物理性质：

　　黑色固 体，不溶于水，有磁性。

常见化学反应

(1) 在高温下，易氧化成三氧化二铁。

4Fe3O4+O2=6Fe2O3（条件是高温）

(2) 在高温下可与还原剂H2、CO、Al,C等反应。

3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe

Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2

Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O

（3）二氧化氮和灼热的铁粉反应生成四氧化三铁和氮气

2NO2+3Fe=Fe3O4+N2（条 件是高温）

铁丝在氧气中燃烧

1） 铁丝在氧气中燃烧

2）细铁丝在空气中加热到500℃也会燃烧生成四氧化三铁：

3）铁在高温下与水蒸气反应：3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

4)通过FeCl2与FeCl3加氨水共沉淀制的

用途

　　四氧化三铁是一种常用的磁性材 料。

　　特制的纯净四氧化三铁用来作录音磁带和电讯器材的原材料。

　　天然的磁铁矿是炼铁的原料。

　　用于制底漆和面漆。

　　它的硬度很大，可以作磨料。

　　四氧化三铁还可做颜料和抛光剂。

　　我们还可以通过 某些化学反应，比如使用亚硝酸钠等等，使钢铁 表面生成一层致密的四氧化三 铁，用来防止或减慢钢铁的锈蚀，例如枪械、锯条等表面的发蓝、发黑。俗称“烤蓝”

　　参见铁的其它氧化物：氧化铁，氧化亚铁

　　【英文名称】 magnetic iron oxide;ferriferrous oxide;ferrpferric oxide

　　【密度】 5.18

　　【熔点（℃）】1538

　　【性状】

　　黑色晶体。

　　【溶解情况】

　 　溶于酸，不溶于水、乙醇和乙醚。

　　【用途】

　 　用作颜料和擦光剂等，特制的磁性氧化铁可用于制录音磁 带和电讯器材。

　　【制备或来源】

　　天然产有铁矿。可由铁在蒸气中加热或由氧化铁在400℃下用氢还原而得。

Iron(II,III) oxide is the chemical compound with formula Fe₃O₄. It is one of a number of iron oxides. It is found in nature as the mineral magnetite. It contains both Fe²⁺ and Fe³⁺ ions and is sometimes formulated as FeO.Fe₂O₃. It is encountered in the laboratory as a black powder. It exhibits permanent magnetism and is ferrimagnetic, but is sometimes incorrectly described as ferromagnetic.^[2] Its most extensive use is as a black pigment which is synthesised rather than being extracted from the naturally occurring mineral as the particle size and shape can be varied by the method of production.^[3]

Preparation

Pigment quality Fe₃O₄, so called synthetic magnetite, can be prepared using processes that utilise industrial wastes, scrap iron or solutions containing iron salts (e.g. those produced as by-products in industrial processes such as the acid val treatment (pickling) of steel):

• Oxidation of Fe metal in the Laux process where nitrobenzene is reacted with iron metal using FeCl₂ as a catalyst to produce aniline^[3] :

C₆H₅NO₂ + 9Fe + 2H₂O → C₆H₅NH₂ + Fe₃O₄

• Oxidation of Fe^II compounds, e.g. the precipitation of iron(II) salts as hydroxides followed by oxidation by aeration where careful control of the pH determines the oxide produced.^[3]

Reduction of Fe₂O₃ with hydrogen:^[4][5]

3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ +H₂O

Reduction of Fe₂O₃ with CO:^[6]

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

Production of nano-particles can be performed chemically by taking for example mixtures of Fe^II and Fe^III salts and mixing them with alkali to precipitate colloidal Fe₃O₄. The reaction conditions are critical to the process and determine the particle size.^[7]

Reactions

Reduction of magnetite ore by CO in a blast furnace is used to produce iron as part of steel production process:^[2]

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Controlled oxidation of Fe₃O₄ is used to produce brown pigment quality γ-Fe₂O₃ (maghemite):^[8]

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(γ-Fe₂O₃)

More vigorous calcining, (roasting in air), gives red pigment quality α-Fe₂O₃ (hematite):^[8]

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(α-Fe₂O₃)

Structure

Fe₃O₄ has a cubic inverse spinel structure which consists of a cubic close packed array of oxide ions where all of the Fe²⁺ ions occupy half of the octahedral sites and the Fe³⁺ are split evenly across the remaining octahedral sites and the tetrahedral sites.

Both FeO and γ-Fe₂O₃ have a similar cubic close packed array of oxide ions and this accounts for the ready interchangeability between the three compounds on oxidation and reduction as these reactions entail a relatively small change to the overall structure.^[2] Fe₃O₄ samples can be non-stoichiometric.^[2]

The ferrimagnetism of Fe₃O₄ arises because the electron spins of the Fe^II and Fe^III ions in the octahedral sites are coupled and the spins of the Fe^III ions in the tetrahedral sites are coupled but anti-parallel to the former. The net effect is that the magnetic contributions of both sets are not balanced and there is a permanent magnetism.^[2]

Properties

Fe₃O₄ is ferrimagnetic with a Curie temperature of 858 K. There is a phase transition at 120K, the so-called Verwey transition where there is a discontinuity in the structure, conductivity and magnetic properties.^[9] This effect has been extensively investigated and whilst various explanations have been proposed, it does not appear to be fully understood.^[10]

Fe₃O₄ is an electrical conductor with a conductivity is significantly higher (X 10⁶) than Fe₂O₃, and this is ascribed to electron exchange between the Fe^II and Fe^III centres.^[2]

Uses

Fe₃O₄ is used as a black pigment and is known as C.I pigment black 11 (C.I. No.77499).^[8]

Fe₃O₄ is used as a catalyst in the Haber process and in the water gas shift reaction.^[11] The latter uses an HTS (high temperature shift catalyst) of iron oxide stabilised by chromium oxide.^[11] This iron-chrome catalyst is reduced at reactor start up to generate Fe₃O₄ from α-Fe₂O₃ and Cr₂O₃ to CrO₃.^[11]

Nano particles of Fe₃O₄ are used as contrast agents in MRI scanning^[12]

Bluing is a passivation process that produces a layer of Fe₃O₄ on the surface of steel to protect it from rust.

Biological Occurrence

Magnetite has been found as nano-crystals in magnetotactic bacteria (42-45 nm)^[3] and in homing pigeon beak tissue

Iron(II,III) oxide

IUPAC name[hide]

iron(II) diiron(III) oxide

Other names[hide]

ferrous ferric oxide, ferroso ferric oxide, iron(II,III) oxide, magnetite, black iron oxide, lodestone, rust

Identifiers CAS number 1317-61-9 ^Y PubChem 16211978 Properties Molecular formula Fe₃O₄

FeO.Fe₂O₃

Molar mass 231.533 g/mol Appearance black powder Density 5.17 g/cm³ Melting point

1597 °C

Refractive index (n_D) 2.42

酸化鉄(II,III)（さ んかてつ に さん、Iron(II,III) oxide）は組成式Fe₃O₄で あらわされる化学物質であり、自然界では鉱物の磁鉄鉱と して見いだされる。いわゆる「黒錆び」のこと。

Fe²⁺イオンとFe³⁺イ オンとを含む為、時としてFeO.Fe₂O₃と 表現される^[1]。 実験室では酸化鉄(II,III)は黒色粉末の形状で提供されていて、常磁性やフェ リ磁性を示す^[2]。 時として誤ってフェ ロ磁性と表わされる場合がある。

また、製法により粒子のサイズや形状が異なるため、鉱石由来より合成によって製造された黒色色素 が非常に広く利用される

良質のFe₃O₄色素は、産業廃棄物やスクラップ鉄あるいは鉄塩を 含む溶液（例えば、鋼鉄をPicklingし た際の副産物）から製造される。

• Laux法による金属鉄の酸化では、FeCl₂を触媒として金属鉄をニ トロベンゼンと反応させてア ニリンとなる際に生成する^[3]。

C₆H₅NO₂ + 9Fe + 2H₂O → C₆H₅NH₂ + Fe₃O₄

• Fe⁺²化合物の酸化では

水酸化鉄(II)のような鉄(II)塩は注意深くpHを制御しながら曝気処理をすることで目的の酸化物を得られる^[3] 。

• Fe₂O₃の水素による還元^[4][5]で は

3Fe₂O₃ + H₂ → 2Fe₃O₄ +H₂O

• Fe₂O₃のCOによる還元^[6]で は

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

赤くなるまで熱した鉄に水蒸気を 作用させると生ずる。

Fe₃O₄ナノ粒子は化学実験的に生成される。例えばFe⁺²塩 とFe⁺³塩 との混合物をアルカリ性にするとコロイド状Fe₃O₄が沈殿する。実 験条件は微妙であり、条件の差異で粒子 サイズが決定づけられる^[7]。

磁鉄鉱は溶鉱炉内 で一 酸化炭素により還元され、鉄となり鋼の生産の一部に利用される^[2]。

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Fe₃O₄の 酸化を調節することで、褐色色素のγ-Fe₂O₃（磁 赤鉄鉱）を生成することができる^[8]。

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(γ-Fe₂O₃)

他の焼成法（空気中での加熱）では、良質の赤色色素であるα-Fe₂O₃（赤鉄鉱） を与える^[8]。

2Fe₃O₄ + ½ O₂ → 3(α-Fe₂O₃)

Fe₃O₄は逆 スピネル格子の立方晶で 立方格子の頂点に酸素が配置して、酸素を中心とする8面体頂点の半分に Fe²⁺イオン が、残りの8面体頂点の半分と4面体頂点にFe³⁺イオンが配置している。

FeO もγ-Fe₂O₃も 酸素の配置は同じく立方格子をとる。酸化反 応あるいは還元反応により容易にこれらの3種の化合物は相互に変化するが、その際の最終的な構造の違いは小さい^[2]。

試料によってはFe₃O₄は不 定比化合物の場合もある^[2]。

Fe₃O₄のフェ リ磁性は8面体頂点にあるFe(II)イオンとFe(III)イオンの電子スピンが強磁性的に結合するととも に、4面体上のFe(III)イオンのスピンがそれらに対して反強磁性的に結合していることに起因している。この両者の磁気的な寄与がつりあっていないこ とから永久磁石の性質を示す^[2]。

Fe₃O₄はフェ リ磁性でキュ リー温度は858 Kである、そして120Kにおいてフェルベイ転移 (Verwey transition) と呼ばれる相転移を生じ、構造、電気伝導性、磁性が不連続的に変化する^[9]。 この現象は研究対象として注目を集め、様々な理論的説明が提唱された。しかし完全には解明されていない^[10]。 Fe₃O₄はFe₂O₃に 比べて、非常に大きい(X 10⁶) 電気伝導性を示す。これはFe⁺² and Fe⁺³と の間で原子価間電荷移動する為である^[2]。

鉄釘や鉄鍋などの表面に形成された「黒錆び」は非常に緻密な皮膜となって内部を保護する^[11]。

ダッ チオーブンや中華鍋な どでは意図的に空焚きして鍋の表面に黒錆びを発生させ、内部の腐食を防いでいる。

Fe₃O₄はC.I pigment black 11' (C.I. No.77499) という名称で知られている黒色色素に利用される^[8]。

Fe₃O₄ はハー バー・ボッシュ法のア ンモニア製造の触媒や水 性ガスシフト反応^[12]の触媒と しても利用される。得に後者は酸化クロムによって安定化された HTS (high temperature shift catalyst) の酸化鉄触媒はひろく利用され^[12] 、そのフェリクロム触媒はプロセス起動時に α-Fe₂O₃からFe₃O₄、Cr₂O₃か らCrO₃を生成させる^[12]。

Fe₃O₄ のナノ粒子は核 磁気共鳴画像法のコントラスト造影剤としても利用される

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