Оксид железа - Iron oxide

Электрохимически окисленное железо (ржавчина)

Оксиды железа находятся химические соединения состоит из утюг и кислород. Известно шестнадцать железных оксиды и оксигидроксиды, наиболее известным из которых является ржавчина, форма оксид железа (III).[1]

Оксиды и оксигидроксиды железа широко распространены в природе и играют важную роль во многих геологических и биологических процессах. Они используются как железные руды, пигменты, катализаторы, И в термит, и происходят в гемоглобин. Оксиды железа - недорогие и долговечные пигменты красок, покрытий и цветных бетонов. Обычно доступные цвета находятся в «землистом» конце диапазона желтого / оранжевого / красного / коричневого / черного. При использовании в качестве пищевого красителя имеет Номер E E172.

Оксиды

Пигмент оксида железа. Коричневый цвет указывает на то, что железо находится в степени окисления +3.
Зеленые и красновато-коричневые пятна на образце керна известняка, соответственно, соответствующие оксидам / гидроксидам Fe2+ и Fe3+.

Гидроксиды

Тепловое расширение

Оксид железаКТР (× 10−6 ° C−1)
Fe2О314.9[7]
Fe3О4>9.2[7]
FeO12.1[7]

Оксид-гидроксиды

Основная статья: оксид-гидроксид железа (III)
  • гетит (α-FeOOH),
  • акаганеит (β-FeOOH),
  • лепидокрокит (γ-FeOOH),
  • фероксигит (δ-FeOOH),
  • ферригидрит ( прибл.), или , лучше преобразовать как
  • FeOOH со структурой пирита высокого давления.[8] Один раз обезвоживание запускается, эта фаза может образовывать .[9]
  • швертманнит (в идеале или же )[10]
  • зеленая ржавчина ( где− это Cl− или 0,5 SO42−)

Микробная деградация

Несколько видов бактерии, включая Shewanella oneidensis, Геобактер серы и Geobacter Metallireducens, метаболически используют твердые оксиды железа в качестве концевых акцепторов электронов, восстанавливая оксиды Fe (III) до оксидов, содержащих Fe (II).[11]

Экологические последствия

Замена метаногенеза восстановлением оксида железа

В условиях, благоприятствующих восстановлению железа, процесс восстановления оксида железа может заменить не менее 80% производства метана, происходящего от метаногенез.[12] Это явление происходит в азотсодержащих (N2) среда с низким содержанием сульфатов. Метаногенез, Архей управляемый процесс, как правило, является преобладающей формой углеродной минерализации в отложениях на дне океана. Метаногенез завершает разложение органического вещества до метана (CH4).[12] Конкретный донор электронов для восстановления оксида железа в этой ситуации все еще обсуждается, но два потенциальных кандидата включают либо титан (III), либо соединения, присутствующие в дрожжах. Предсказанные реакции с титаном (III), выступающим в качестве донора электронов, и феназин-1-карбоксилат (PCA), выполняющая роль электронного челнока, выглядит следующим образом:

Ti (III) -цит + CO2 + 8H+ → CH4 + 2H2O + Ti (IV) + cit ΔE = –240 + 300 мВ
Ti (III) -cit + PCA (окисленный) → PCA (восстановленный) + Ti (IV) + cit ΔE = –116 + 300 мВ
PCA (восстановленный) + Fe (OH)3 → Fe2+ + ПХА (окисленный) ΔE = –50 + 116 мВ [12]

Титан (III) окисляется до титана (IV), а ПХА восстанавливается. Восстановленная форма PCA может затем восстанавливать гидроксид железа (Fe (OH)3).

Образование гидроксильных радикалов

С другой стороны, при переносе по воздуху оксиды железа, как было показано, наносят вред легочным тканям живых организмов путем образования гидроксильных радикалов, что приводит к образованию алкильных радикалов. Следующие реакции происходят, когда Fe2О3 и FeO, в дальнейшем обозначаемые как Fe3+ и Fe2+ соответственно, частицы оксида железа накапливаются в легких.[13]

О2 +  е− → О2• –[13]

Образование супероксид-аниона (О2• –) катализируется трансмембранным ферментом, называемым НАДФН оксидаза. Фермент способствует переносу электрона через плазматическую мембрану от цитозольного НАДФН к внеклеточному кислороду (O2) производить О2• –. НАДФН и FAD связаны с сайтами связывания цитоплазмы на ферменте. Два электрона от НАДФН транспортируются в ФАД, который восстанавливает его до ФАДН.2. Затем один электрон перемещается к одной из двух гемовых групп фермента в плоскости мембраны. Второй электрон подталкивает первый электрон ко второй группе гема, чтобы он мог ассоциироваться с первой группой гема. Чтобы перенос произошел, второй гем должен быть связан с внеклеточным кислородом, который является акцептором электрона. Этот фермент также может располагаться внутри мембран внутриклеточных органелл, позволяя формировать О2• – происходить в органеллах.[14]

2О2• – + 2 ЧАС+ → ЧАС
2О
2 + O2 [13][15]

Образование перекиси водорода (ЧАС
2О
2) может возникать спонтанно, когда окружающая среда имеет более низкий pH, особенно при pH 7,4.[15] Фермент супероксиддисмутаза также может катализировать эту реакцию. Один раз ЧАС
2О
2 был синтезирован, он может диффундировать через мембраны для перемещения внутри и за пределы клетки из-за своей неполярной природы.[14]

Fe2+ + ЧАС
2О
2 → Fe3+ + HO• +  ОЙ−
Fe3+ + H2О2 → Fe2+ + О2• – + 2H+
ЧАС2О2 + О2• – → HO• +  ОЙ− + O2 [13]

Fe2+ окисляется до Fe3+ когда он отдает электрон H2О2, таким образом, уменьшая H2О2 и образуя гидроксильный радикал (HO•) в процессе. ЧАС2О2 может затем уменьшить Fe3+ к Fe2+ пожертвовав ему электрон, чтобы создать О2• –. О2• – затем можно использовать для получения большего количества H2О2 с помощью ранее показанного процесса, продолжающего цикл, или он может реагировать с H2О2 с образованием большего количества гидроксильных радикалов. Было показано, что гидроксильные радикалы увеличивают клеточный окислительный стресс и атакуют клеточные мембраны, а также клеточные геномы.[13]

HO• + RH → R• + H2О [13]

HO• радикал, образующийся в результате вышеуказанных реакций с железом, может отщеплять атом водорода (H) от молекул, содержащих связь R-H, где R представляет собой группу, присоединенную к остальной части молекулы, в данном случае H, у углерода (C).[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Cornell., RM .; Швертманн, У (2003). Оксиды железа: структура, свойства, реакции, возникновение и. Wiley VCH. ISBN  978-3-527-30274-1.
  2. ^ Ху, Цинъян; Ким, Дак Янг; Ян, Венге; Ян, Люсян; Мэн, Юэ; Чжан, Ли; Мао Хо-Гван (июнь 2016 г.). «FeO2 и (FeO) OH в условиях глубокой нижней мантии и кислородно-водородных циклах Земли ". Природа. 534 (7606): 241–244. Bibcode:2016Натура.534..241H. Дои:10.1038 / природа18018. ISSN  1476-4687. PMID  27279220.
  3. ^ Лавина, Б .; Dera, P .; Kim, E .; Meng, Y .; Даунс, Р. Т .; Weck, P. F .; Sutton, S. R .; Чжао, Ю. (октябрь 2011 г.). «Открытие извлекаемого оксида железа высокого давления Fe4O5». Труды Национальной академии наук. 108 (42): 17281–17285. Bibcode:2011PNAS..10817281L. Дои:10.1073 / pnas.1107573108. ЧВК  3198347. PMID  21969537.
  4. ^ Лавина, Барбара; Мэн, Юэ (2015). «Синтез Fe5O6». Достижения науки. 1 (5): e1400260. Дои:10.1126 / sciadv.1400260. ЧВК  4640612. PMID  26601196.
  5. ^ а б Быкова, Е .; Дубровинский, Л .; Дубровинская, Н .; Быков, М .; McCammon, C .; Овсянников, С.В .; Liermann, H. -P .; Купенко, И .; Чумаков, А. И .; Rüffer, R .; Hanfland, M .; Пракапенко, В. (2016). «Структурная сложность простого Fe2O3 при высоких давлениях и температурах». Nature Communications. 7: 10661. Дои:10.1038 / ncomms10661. ЧВК  4753252. PMID  26864300.
  6. ^ Мерлини, Марко; Ханфланд, Майкл; Саламат, Ашкан; Петитжирар, Сильвен; Мюллер, Харальд (2015). «Кристаллические структуры Mg2Fe2C4O13 с тетраэдрически координированным углеродом и Fe13O19, синтезированные в условиях глубокой мантии». Американский минералог. 100 (8–9): 2001–2004. Дои:10.2138 / am-2015-5369. S2CID  54496448.
  7. ^ а б c Fakouri Hasanabadi, M .; Kokabi, A.H .; Nemati, A .; Зинатлоу Аджабшир, С. (февраль 2017 г.). «Взаимодействия вблизи трехфазных границ металл / стекло / воздух в плоских твердооксидных топливных элементах». Международный журнал водородной энергетики. 42 (8): 5306–5314. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2017.01.065. ISSN  0360-3199.
  8. ^ Ниси, Масаюки; Куваяма, Ясухиро; Цучия, Джун; Цутия, Таку (2017). «Пиритовая форма FeOOH высокого давления». Природа. 547 (7662): 205–208. Дои:10.1038 / природа22823. ISSN  1476-4687. PMID  28678774. S2CID  205257075.
  9. ^ Ху, Цинъян; Ким, Даки Ён; Лю, Цзинь; Мэн, Юэ; Люсян, Ян; Чжан, Дунчжоу; Мао, Венди Л .; Мао, Хо-гван (2017). «Дегидрирование гетита в глубокой нижней мантии Земли». Труды Национальной академии наук. 114 (7): 1498–1501. Дои:10.1073 / pnas.1620644114. ЧВК  5320987. PMID  28143928.
  10. ^ http://www.mindat.org/min-7281.html Миндат
  11. ^ Bretschger, O .; Образцова, А .; Sturm, C.A .; Chang, I. S .; Горби, Ю. А .; Reed, S. B .; Калли, Д. Э .; Рирдон, К. Л .; Barua, S .; Romine, M. F .; Чжоу, Дж .; Беляев, А. С .; Bouhenni, R .; Saffarini, D .; Mansfeld, F .; Kim, B.-H .; Фредриксон, Дж. К .; Нилсон, К. Х. (20 июля 2007 г.). «Текущее производство и сокращение оксида металла Shewanella oneidensis MR-1 дикого типа и мутантов». Прикладная и экологическая микробиология. 73 (21): 7003–7012. Дои:10.1128 / AEM.01087-07. ЧВК  2223255. PMID  17644630.
  12. ^ а б c Sivan, O .; Шуста, С. С .; Валентин, Д. Л. (2016-03-01). «Метаногены быстро переходят от производства метана к восстановлению железа». Геобиология. 14 (2): 190–203. Дои:10.1111 / gbi.12172. ISSN  1472-4669. PMID  26762691.
  13. ^ а б c d е ж грамм Hartwig, A .; Комиссия МАК 2016 г. (25 июля 2016 г.). Оксиды железа (вдыхаемая фракция) [MAK Value Documentation, 2011]. Сборник МАК по охране труда. 1. С. 1804–1869. Дои:10.1002 / 3527600418.mb0209fste5116. ISBN  9783527600410.
  14. ^ а б Бедард, Карен; Краузе, Карл-Хайнц (01.01.2007). "Семейство NOX производящих АФК НАДФН оксидаз: физиология и патофизиология". Физиологические обзоры. 87 (1): 245–313. Дои:10.1152 / физрев.00044.2005. ISSN  0031-9333. PMID  17237347.
  15. ^ а б Chapple, Iain L.C .; Мэтьюз, Джон Б. (1 февраля 2007 г.). «Роль активных форм кислорода и антиоксидантов в разрушении тканей пародонта». Пародонтология 2000. 43 (1): 160–232. Дои:10.1111 / j.1600-0757.2006.00178.x. ISSN  1600-0757. PMID  17214840.

внешняя ссылка