El óxido de hierro (III) u óxido férrico es un compuesto inorgánico con la fórmula Fe2O3 . Se encuentra en la naturaleza como el mineral hematita , que sirve como fuente principal de hierro para la industria del acero. También se lo conoce como óxido de hierro rojo , especialmente cuando se utiliza en pigmentos .
Es uno de los tres óxidos principales del hierro , siendo los otros dos el óxido de hierro (II) (FeO), que es raro, y el óxido de hierro (II,III) ( Fe 3 O 4 ), que también se encuentra de forma natural como el mineral magnetita .
El óxido de hierro (III) a menudo se denomina óxido , ya que el óxido comparte varias propiedades y tiene una composición similar; sin embargo, en química, el óxido se considera un material mal definido, descrito como óxido férrico hidratado. [10]
El óxido férrico es fácilmente atacado incluso por ácidos débiles . Es un agente oxidante débil , especialmente cuando se reduce con aluminio en la reacción de la termita .
El Fe2O3 se puede obtener en varios polimorfos . En el polimorfo primario, α, el hierro adopta una geometría de coordinación octaédrica . Es decir, cada centro de Fe está unido a seis ligandos de oxígeno . En el polimorfo γ, parte del Fe se asienta en sitios tetraédricos, con cuatro ligandos de oxígeno.
α- Fe 2 O 3 tiene la estructura romboédrica , corindón (α-Al 2 O 3 ) y es la forma más común. Se presenta de forma natural como el mineral hematita , que se extrae como el principal mineral de hierro. Es antiferromagnético por debajo de ~260 K ( temperatura de transición de Morin ), y exhibe ferromagnetismo débil entre 260 K y la temperatura de Néel , 950 K. [11] Es fácil de preparar utilizando tanto la descomposición térmica como la precipitación en la fase líquida. Sus propiedades magnéticas dependen de muchos factores, por ejemplo, la presión, el tamaño de partícula y la intensidad del campo magnético.
El γ- Fe2O3 tiene una estructura cúbica . Es metaestable y se convierte de la fase alfa a altas temperaturas. Se encuentra de forma natural como el mineral maghemita . Es ferromagnético y se utiliza en cintas de grabación, [12] aunque las partículas ultrafinas menores de 10 nanómetros son superparamagnéticas . Se puede preparar por deshidratación térmica de óxido-hidróxido de hierro(III) gamma . Otro método implica la oxidación cuidadosa del óxido de hierro(II,III) ( Fe3O4 ). [12] Las partículas ultrafinas se pueden preparar por descomposición térmica de oxalato de hierro(III) .
Se han identificado o reivindicado otras fases. La fase beta (fase β) es cúbica centrada en el cuerpo (grupo espacial Ia3), metaestable y a temperaturas superiores a 500 °C (930 °F) se convierte en fase alfa. Puede prepararse mediante reducción de hematita con carbono, [ aclaración necesaria ] pirólisis de solución de cloruro de hierro(III) o descomposición térmica de sulfato de hierro(III) . [13]
La fase épsilon (ε) es rómbica y muestra propiedades intermedias entre alfa y gamma, y puede tener propiedades magnéticas útiles aplicables para fines tales como medios de grabación de alta densidad para almacenamiento de grandes datos . [14] La preparación de la fase épsilon pura ha demostrado ser muy desafiante. El material con una alta proporción de fase épsilon se puede preparar por transformación térmica de la fase gamma. La fase épsilon también es metaestable, transformándose a la fase alfa entre 500 y 750 °C (930 y 1380 °F). También se puede preparar por oxidación de hierro en un arco eléctrico o por precipitación sol-gel a partir de nitrato de hierro (III) . [ cita requerida ] La investigación ha revelado óxido de hierro (III) épsilon en antiguos esmaltes cerámicos Jian chinos , lo que puede proporcionar información sobre formas de producir esa forma en el laboratorio. [15] [ fuente no primaria necesaria ]
Además, a alta presión se afirma que se obtiene una forma amorfa . [5] [ se necesita una fuente no primaria ]
Se espera que el Fe2O3 fundido tenga un número de coordinación cercano a 5 átomos de oxígeno alrededor de cada átomo de hierro, según mediciones de gotas de óxido de hierro líquido superenfriado ligeramente deficientes en oxígeno, donde el superenfriamiento evita la necesidad de altas presiones de oxígeno requeridas por encima del punto de fusión para mantener la estequiometría. [ 16]
Existen varios hidratos de óxido de hierro (III). Cuando se añade álcali a soluciones de sales solubles de Fe (III), se forma un precipitado gelatinoso de color marrón rojizo. No se trata de Fe(OH) 3 , sino de Fe 2 O 3 ·H 2 O (también escrito como Fe(O)OH ).
También existen varias formas del óxido hidratado de Fe(III). La lepidocrocita roja (γ- Fe(O)OH ) se encuentra en el exterior de los rusticles , y la goethita naranja (α- Fe(O)OH ) se encuentra en el interior de los rusticles . Cuando se calienta Fe2O3 · H2O , pierde su agua de hidratación. Un calentamiento adicional a1670 K convierte el Fe 2 O 3 en Fe 3 O 4 negro ( Fe II Fe III 2 O 4 ), conocido como mineral magnetita .
El Fe(O)OH es soluble en ácidos, dando lugar a [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ . En álcali acuoso concentrado, el Fe 2 O 3 da lugar a [Fe(OH) 6 ] 3− . [12]
La reacción más importante es su reducción carbotérmica , que da lugar al hierro utilizado en la fabricación de acero:
Otra reacción redox es la reacción de termita extremadamente exotérmica con aluminio . [17]
Este proceso se utiliza para soldar metales gruesos, como los raíles de las vías del tren, mediante un recipiente de cerámica que canaliza el hierro fundido entre dos secciones del raíl. La termita también se utiliza en armas y en la fabricación de esculturas y herramientas de hierro fundido a pequeña escala.
Reducción parcial con hidrógeno a aproximadamente400 °C produce magnetita, un material magnético negro que contiene tanto Fe(III) como Fe(II): [18]
El óxido de hierro (III) es insoluble en agua, pero se disuelve fácilmente en ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico y el sulfúrico . También se disuelve bien en soluciones de agentes quelantes, como el EDTA y el ácido oxálico .
Calentar óxidos de hierro (III) con otros óxidos metálicos o carbonatos produce materiales conocidos como ferratos (ferrato (III)): [18]
El óxido de hierro (III) es un producto de la oxidación del hierro. Se puede preparar en el laboratorio mediante la electrolisis de una solución de bicarbonato de sodio , un electrolito inerte, con un ánodo de hierro:
El óxido de hierro (III) hidratado resultante, escrito aquí como FeO(OH) , se deshidrata alrededor de200 °C . [18] [19]
La aplicación abrumadora del óxido de hierro (III) es como materia prima de las industrias del acero y el hierro, por ejemplo, la producción de hierro , acero y muchas aleaciones. [19] El óxido de hierro (Fe2O3) se ha utilizado en vidrieras desde el período medieval, con evidencia que sugiere su uso en la producción de vidrieras que se remonta a principios de la Edad Media, donde se usaba principalmente para crear colores amarillo, naranja y rojo en el vidrio, y todavía se usa con fines industriales en la actualidad. [20] [21]
Un polvo muy fino de óxido férrico se conoce como "rojo de joyero", "rojo rojo" o simplemente rojo. Se utiliza para dar el pulimento final a las joyas y lentes metálicas , e históricamente como cosmético . El rojo se corta más lentamente que algunos pulimentos modernos, como el óxido de cerio (IV) , pero todavía se utiliza en la fabricación de ópticas y por los joyeros por el acabado superior que puede producir. Al pulir oro, el rojo tiñe ligeramente el oro, lo que contribuye a la apariencia de la pieza terminada. El rojo se vende en forma de polvo, pasta, mezclado con paños de pulido o barra sólida (con un aglutinante de cera o grasa ). Otros compuestos de pulido también se denominan a menudo "rojo", incluso cuando no contienen óxido de hierro. Los joyeros eliminan el rojo residual de las joyas mediante el uso de limpieza ultrasónica . Los productos vendidos como " compuesto de afilar " a menudo se aplican a una correa de cuero para ayudar a obtener un filo afilado en cuchillos, navajas de afeitar o cualquier otra herramienta afilada.
El óxido de hierro (III) también se utiliza como pigmento , bajo los nombres "Pigmento Marrón 6", "Pigmento Marrón 7" y "Pigmento Rojo 101". [22] Algunos de ellos, por ejemplo, el Pigmento Rojo 101 y el Pigmento Marrón 6, están aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) para su uso en cosméticos. Los óxidos de hierro se utilizan como pigmentos en los composites dentales junto con los óxidos de titanio. [23]
La hematita es el componente característico del color de pintura sueco rojo Falu .
El óxido de hierro (III) era la partícula magnética más utilizada en todos los tipos de medios de almacenamiento y grabación magnéticos , incluidos los discos magnéticos (para el almacenamiento de datos) y las cintas magnéticas (utilizadas en la grabación de audio y vídeo, así como en el almacenamiento de datos). Su uso en los discos de ordenador fue sustituido por la aleación de cobalto, lo que permitió la creación de películas magnéticas más delgadas con una mayor densidad de almacenamiento. [24]
Se ha estudiado el α-Fe2O3 como fotoánodo para la oxidación solar del agua. [25] Sin embargo, su eficacia está limitada por una longitud de difusión corta (2-4 nm) de los portadores de carga fotoexcitados [26] y la posterior recombinación rápida , lo que requiere un gran sobrepotencial para impulsar la reacción. [27] La investigación se ha centrado en mejorar el rendimiento de la oxidación del agua de Fe2O3 mediante nanoestructuración , [ 25] funcionalización de la superficie, [28] o empleando fases cristalinas alternativas como β - Fe2O3 . [ 29 ]
La loción de calamina , utilizada para tratar la picazón leve , se compone principalmente de una combinación de óxido de zinc , que actúa como astringente , y aproximadamente un 0,5 % de óxido de hierro (III), el ingrediente activo del producto, que actúa como antipruriginoso . El color rojo del óxido de hierro (III) también es el principal responsable del color rosado de la loción.
