اکسید آهن شیمیایی زارعی
اکسید آهن
اکسید آهن ترکیبی شیمیایی است که از آهن و اکسیژن تشکیل شده است. روی هم رفته حدود 16 نوع اکسید آهن و اکسی هیدروکسید وجود دارد. این اکسید در بسیاری از فرآیندهای طبیعی بیولوژیکی و ژئولوژیکی نقش مهمی را ایفا می کند و توسط انسان به صورت گسترده ای به عنوان سنگ آهن، رنگدانه، کاتالیزور در ترمیت مورد استفاده قرار می گیرد.
در هزاره چهارم پیش از میلاد مردم دشت نشین فلات ایران در کار زندگی پیشرفت بیشتری کردند و این پیشرفت در توسعه محل سکونت و توجه به تزیین منازل آنها به خوبی دیده می شود، در قریه سیلک نموداری از آن وجود دارد، ساکنین این محل اتاق های خود را با اکسید آهن و مواد دیگر نقاشی می کردند و ظروف سفالی ظریف می ساختند. در طبیعت به اشکال مختلف از جمله ذخایر خاک سرخ و زرد که در اثر فرآیند هوازدگی تشکیل شده اند، یافت می شود. خاک سرخ در جزیره هرمز با نام تجاری آخری از جمله این ذخایر به شمار می آید. رنگ قرمزی آن به دلیل فراوانی هماتیت در آن است. نام این کانی از کلمه یونانی Hematicos به معنی خونین گرفته شده است. خاک سرخ که یکی از رنگدانه های معدنی طبیعی محسوب می شود از زمان های قدیم جهت رنگ آمیزی استفاده می شد و احتمالا جز اولین کانی هایی بوده که توسط بشر به کار برده شده است. حتی نقاشی های ترسیم شده بروی دیوارهای غارنشینی بر جای مانده نیز آثاری از خاک سرخ و یا دیگر رنگدانه های طبیعی اکسید آهن نشان می دهد. در قدیم خاک سرخ به عنوان یک ماده رنگی در تزیین، لعاب کاری سرامیک ها و کوزه های گلی مصرف می شد.
روش تولید اکسید آهن از طریق رسوب دهی سولفات آهن :
در این روش سولفات آهن با ph کمتر از 3 در آب حل می شود و به محلول حاصل سدیم هیدروکسید اضافه کرده و هوادهی انجام می شود. با افزایش تدریجی PH تا 7، هیدروکسید آهن زرد رنگ تشکیل می شود. محلول حاصل فیلتر شده و کیک فیلتر که شامل هیدروکسید آهن است از محلول جدا می شود و جهت خشک و آسیاب شدن به گرمخانه منتقل می شود. هیدروکسید آهن بلافاصله در مواجهه با هوای محیط به حالت پایدار اکسید آهن زرد تبدیل می شود. محصول حاصل شده در صورت افزایش دما به تدریج به رنگ های نارنجی، قرمز، قهوه ای و سیاه تبدیل می شود.
• رنگ سازی ، جوهرچاپ و کاغذ
• پلاستیک و پلیمر
• مواد ساختمانی مثل بتن آجر کاشی سرامیک
• لاستیک
• شیشه‌های رنگی، رنگین کردن مواد ساختمانی، ضدزنگ ، کاتالیزور
• غذای دام ، داروسازی و لوازم آرایشی
• اکسید آهن (III) چیست :
اکسید آهن سه ظرفیتی یک ترکیب شیمیایی با شناسه پاپ کم 518696 می باشد. شکل ظاهری این ترکیب، جامد قهوه ای – قرمز است.
اکسید آهن (II) چیست :
اکسید آهن دو ظرفیتی ترکیبی شیمیایی با شناسه پاپ کم 14945 است. شکل ظاهری این ترکیب، بلورهای سیاه است.
اکسید آهن (II,III) :
یک ترکیب شیمیایی با شناسه پاپ کم 16211978 و شکل ظاهری این ترکیب، پودری سیاه رنگ است. فرمول کلی این ترکیب Fe3O4 است. دو ترکیب دیگر، یکی اکسید آهن دو ظرفیتی ترکیبی کمیاب بوده و دیگری اکسید آهن سه ظرفیتی در شیمی به نام مگنتیت معروف است و در متن های کهن فارسی به نام شادنه آمده است.
از مهم ترین کانی های آهن، اکسیدهای آهن هستند، زیرا دیگر کانی های آهن قبل از احیا باید به صورت اکسید در آیند، بنابراین شناخت مختصری از ساختمان اکسیدهای آهن ضروری است. سه نوع اکسید آهن به نام های هماتیت، مگنتیت و وستیت شناسایی شده است. نمودار تعادلی دما – اکسیژن که محدوده پایداری این اکسیدها را در دماها و درصدهای مختلف اکسیژن در فشارکل یک اتمسفر نشان می دهد.
آهن در طبیعت به شکل های ترکیبی مانند اکسید، سولفور یا سولفید، کربنات، سیلیکات و غیره یافت می شود و عملا تمامی سنگ های پوسته زمین به استثنای بعضی سنگ های آهکی حاوی مقداری آهن در ترکیب خود می باشند. همچنین مقدار کمی آهن در آب دریاها وجود دارد. کانی های آهن دار در طبیعت فراوان بوده و تعداد آنها بالغ بر 300 می باشد که اکثر آن ها از نظر استخراج متالوژی آهن به علت عیار کم آهن در آن ها یا همراه بودن با کانی های عناصر نامطلوب که تصفیه و جداسازی آنها مشکل یا غیر ممکن است، غیر قابل کاربرد بوده و تنها تعداد معدودی از آنها که به طور کلی اکسیدهای آهن هستند، برای این منظور اهمیت عملی دارند.
کانی شناسی در کاربرد سنگ های معدن آهن اهمیت فراوانی دارد. بسیاری از کانی ها که ممکن است عیار بالایی از آهن داشته باشند ولی به علت نوع ترکیب کانی به عنوان ماده اولیه آهن و فولاد قابل استفاده نیستند. مثلا فایالیت (SiO2.2FeO) با وجود آنکه از آهن نسبتا غنی می باشد ( عیار حدود 5 درصد) ولی به علت ترکیب سیلیکاته آن که عملا در روش های تولید آهن و فولاد غیر ثابل احیا می باشند، در متالوژی آهن قابل کاربرد نیست. در بین انواع کانی های آهن دار تعداد محدودی از آن ها از نظر متالوژی آهن مهم و قابل مصرف می باشند. مهم ترین آنها کانی های اکسیدی و سیدریت است. بعضی از کانی های اکسیدی به علت خاصیت احیاپذیری کم مگنتیت به صورت مستقیم کاربرد ندارند و باید مورد عملیات کلوخه سازی یا گندله سازی قرار گیرند تا شکل کانی شناسی آن در جریان این عملیات تغییر یابد و سپس به کار برده شوند. در بعضی از کانی ها مانند کانی های آرسنیک دار وجود عناصری که می توانند نقش مهمی در آلودگی محیط زیست داشته باشند، مانع از کاربرد آنها می شود.
وستیت
وستیت در طبیعت وجود ندارد و به عنوان کانی آهن معرفی نمی شود اما چون در مراحل نهایی احیای آهن تشکیل می شود لذا شناخت خصوصیات آن برای درک درست فرآیند احیا لازم است. اگرچه اغلب فرمول شیمیایی این اکسید را به صورت FeO می نویسند ولی در واقع مقدار اکسیژن وستیت همیشه بیش از مقدار استوکیومتری است در نتیجه فرمول شیمیایی آن را می توان به صورت Fe1-xO نوشت، شبکه کریستالی وستیت مکعبی ( شبکه آن مانند شبکه کلرید سدیم است ) می باشد که در آن شبکه آهن ناقص بوده و جاهای خالی در سبکه وجود دارد. جهت خنثی شدن شبکه لازم است به ازای هر جای خالی آهن دو ظرفیتی، دو یون آهن سه ظرفیتی در شبکه وجود داشته باشد. مقدار X در فرمول شیمیایی وستیت بر حسب شرایط ( مثلا درجه حرارت) بین 0.175 تا 0.05 درصد تغییر می کند. با افزایش درجه حرارت تعداد جاهای خالی در شبکه وستیت افزایش می یابد. بنابراین درصد اکسیژن و تعداد یون های سه ظرفیتی نیز افزایش می یابد. در دمای 1524 درجه سانتی گراد در نقطه C نمودار پایداری اکسیدهای آهن، آهن مذاب اشباع از اکسیژن در تعادل با یک فاز مایع نامحلول اکسید آهن دو ظرفیتی است که حاوی 22.6 درصد اکسیژن است. دمای ذوب این اکسید با افزایش اکسیژن کاهش می یابد و در دمای 1371 درجه سانتی گراد که کمترین مقدار دمای ذوب را دارد. در تعادل با آهن آستنیت جامد اشباع از اکسیژن است. بعد از آن دمای ذوب اکسید آهن دو ظرفیتی با زیاد شدن مقدار اکسیژن افزایش می یابد. از نمودار تعادلی دما – اکسیژن مشخص می شود اکسید آهن دو ظرفیتی که حاوی 22.6 درصد اکسیژن است و به صورت FeO نشان داده می شود وجود خارجی ندارد. مقدار متوسط اکسیژن در محدوده دمایی 1371-600 درجه سانتی گراد برای وستیت اشباع از آهن، برابر 23.2 درصد است بنابراین، فرمول شیمیایی وستیت در این محدوده دمایی FeO 0.95 یا FeO 1.05 است. تنها برای راحتی محاسبات فرمول شیمیایی وستیت را به صورت FeO می نویسند.