Oxid železa - Iron oxide

Elektrochemicky oxidované železo (rez)

Oxidy železa jsou chemické sloučeniny složen z žehlička a kyslík. Je známo šestnáct železa oxidy a oxyhydroxidy, z nichž nejznámější je rez, forma oxid železitý.[1]

Oxidy železa a oxyhydroxidy jsou v přírodě velmi rozšířené a hrají důležitou roli v mnoha geologických a biologických procesech. Používají se jako železné rudy, pigmenty, katalyzátory a v termit a vyskytují se v hemoglobin. Oxidy železa jsou levné a trvanlivé pigmenty v barvách, nátěrech a barevných betonech. Běžně dostupné barvy jsou na „zemitém“ konci rozsahu žlutá / oranžová / červená / hnědá / černá. Když se používá jako potravinářské barvivo, má Číslo E. E172.

Oxidy

Pigment oxidu železa. Hnědá barva znamená, že železo je v oxidačním stavu +3.
Zelené a červenohnědé skvrny na vzorku vápence, odpovídající oxidům / hydroxidům Fe2+ a Fe3+.

Hydroxidy

Teplotní roztažnost

Oxid železaCTE (× 10−6 ° C−1)
Fe2Ó314.9[7]
Fe3Ó4>9.2[7]
FeO12.1[7]

Oxid-hydroxidy

Hlavní článek: oxid-hydroxid železitý
  • goethite (α-FeOOH),
  • akaganéite (β-FeOOH),
  • lepidokrocit (γ-FeOOH),
  • feroxyhyt (8-FeOOH),
  • ferrihydrit ( přibližně), nebo , lepší přepracování jako
  • vysokotlaký pyroid strukturovaný FeOOH.[8] Jednou dehydratace je spuštěna, může se vytvořit tato fáze .[9]
  • schwertmannite (ideálně nebo )[10]
  • zelená rez ( kde− je Cl− nebo 0,5SO42−)

Mikrobiální degradace

Několik druhů bakterie, počítaje v to Shewanella oneidensis, Geobacter sulfurreducens a Geobacter metallireducens, metabolicky využívají pevné oxidy železa jako terminální akceptor elektronů, redukují oxidy Fe (III) na oxidy obsahující Fe (II).[11]

Účinky na životní prostředí

Nahrazení methanogeneze redukcí oxidu železa

Za podmínek upřednostňujících redukci železa může proces redukce oxidu železa nahradit alespoň 80% produkce metanu, ke kterému dochází v methanogeneze.[12] Tento jev se vyskytuje u dusíku (N2) prostředí s nízkými koncentracemi síranů. Methanogenesis, an Archaejský řízený proces, je obvykle převládající formou mineralizace uhlíku v sedimentech na dně oceánu. Methanogeneze dokončuje rozklad organické hmoty na metan (CH4).[12] Specifický donor elektronů pro redukci oxidu železa v této situaci je stále předmětem debaty, ale dva potenciální kandidáti zahrnují buď titan (III) nebo sloučeniny přítomné v kvasinkách. Předpovězené reakce s titanem (III) sloužícím jako donor elektronů a fenazin-1-karboxylát (PCA) sloužící jako elektronový člun je následující:

Ti (III) -cit + CO2 + 8 hodin+ → CH4 + 2 hodiny2O + Ti (IV) + cit ΔE = –240 + 300 mV
Ti (III) -cit + PCA (oxidovaný) → PCA (redukovaný) + Ti (IV) + cit ΔE = –116 + 300 mV
PCA (redukovaný) + Fe (OH)3 → Fe2+ + PCA (oxidovaný) ΔE = –50 + 116 mV [12]

Titan (III) se oxiduje na titan (IV), zatímco PCA se redukuje. Snížená forma PCA pak může snížit hydroxid železitý (Fe (OH)3).

Tvorba hydroxylových radikálů

Na druhou stranu se ukázalo, že ve vzduchu oxidy železa poškozují plicní tkáně živých organismů tvorbou hydroxylových radikálů, což vede k tvorbě alkylových radikálů. K následujícím reakcím dochází, když Fe2Ó3 a FeO, dále představované jako Fe3+ a Fe2+ částice oxidu železa se hromadí v plicích.[13]

Ó2 +  E− → Ó2• –[13]

Tvorba superoxidového aniontu (Ó2• –) je katalyzován transmembránovým enzymem zvaným NADPH oxidáza. Enzym usnadňuje transport elektronu přes plazmatickou membránu z cytosolického NADPH na extracelulární kyslík (O2) k výrobě Ó2• –. NADPH a FAD jsou vázány na cytoplazmatická vazebná místa na enzymu. Dva elektrony z NADPH jsou transportovány do FAD, což ho redukuje na FADH2. Poté se jeden elektron přesune do jedné ze dvou hemových skupin v enzymu v rovině membrány. Druhý elektron tlačí první elektron do druhé skupiny hemu, aby se mohl spojit s první skupinou hemu. Aby k přenosu mohlo dojít, musí být druhý hem vázán na extracelulární kyslík, který je akceptorem elektronu. Tento enzym může být také umístěn v membránách intracelulárních organel umožňujících tvorbu Ó2• – vyskytovat se v organelách.[14]

2Ó2• – + 2 H+ → H
2Ó
2 + O.2 [13][15]

Tvorba peroxidu vodíku (H
2Ó
2) může nastat spontánně, když má prostředí nižší pH, zejména při pH 7,4.[15] Enzym superoxiddismutáza může také katalyzovat tuto reakci. Jednou H
2Ó
2 byl syntetizován, může difundovat přes membrány a cestovat do buňky i mimo ni díky své nepolární povaze.[14]

Fe2+ + H
2Ó
2 → Fe3+ + HO• +  ACH−
Fe3+ + H2Ó2 → Fe2+ + Ó2• – + 2 hodiny+
H2Ó2 + Ó2• – → HO• +  ACH− + O.2 [13]

Fe2+ se oxiduje na Fe3+ když daruje elektron H2Ó2, tedy snížení H2Ó2 a vytvoření hydroxylového radikálu (HO•) v průběhu. H2Ó2 pak může snížit Fe3+ Fe2+ darováním elektronu k jeho vytvoření Ó2• –. Ó2• – pak lze použít k výrobě více H2Ó2 dříve zobrazeným procesem udržujícím cyklus, nebo může reagovat s H2Ó2 za vzniku více hydroxylových radikálů. Bylo prokázáno, že hydroxylové radikály zvyšují buněčný oxidační stres a napadají buněčné membrány i buněčné genomy.[13]

HO• + RH → R• + H2Ó [13]

HO• radikál vyrobený z výše uvedených reakcí se železem může abstrahovat atom vodíku (H) z molekul obsahujících vazbu R-H, kde R je skupina připojená ke zbytku molekuly, v tomto případě H, na uhlíku (C).[13]

Viz také

Reference

  1. ^ Cornell., RM .; Schwertmann, U (2003). Oxidy železa: struktura, vlastnosti, reakce, události a. Wiley VCH. ISBN  978-3-527-30274-1.
  2. ^ Hu, Qingyang; Kim, Duck Young; Yang, Wenge; Yang, Liuxiang; Meng, Yue; Zhang, Li; Mao, Ho-Kwang (červen 2016). „FeO2 a (FeO) OH za podmínek hlubokého spodního pláště a zemských cyklů kyslík - vodík “. Příroda. 534 (7606): 241–244. Bibcode:2016Natur.534..241H. doi:10.1038 / příroda18018. ISSN  1476-4687. PMID  27279220.
  3. ^ Lavina, B .; Dera, P .; Kim, E .; Meng, Y .; Downs, R. T .; Weck, P. F .; Sutton, S. R .; Zhao, Y. (říjen 2011). „Objev obnovitelného vysokotlakého oxidu železa Fe4O5“. Sborník Národní akademie věd. 108 (42): 17281–17285. Bibcode:2011PNAS..10817281L. doi:10.1073 / pnas.1107573108. PMC  3198347. PMID  21969537.
  4. ^ Lavina, Barbara; Meng, Yue (2015). "Syntéza Fe5O6". Vědecké zálohy. 1 (5): e1400260. doi:10.1126 / sciadv.1400260. PMC  4640612. PMID  26601196.
  5. ^ A b Bykova, E .; Dubrovinsky, L .; Dubrovinskaia, N .; Bykov, M .; McCammon, C .; Ovsyannikov, S. V .; Liermann, H.-P .; Kupenko, I .; Chumakov, A. I .; Rüffer, R .; Hanfland, M .; Prakapenka, V. (2016). „Strukturální složitost jednoduchého Fe2O3 při vysokých tlacích a teplotách“. Příroda komunikace. 7: 10661. doi:10.1038 / ncomms10661. PMC  4753252. PMID  26864300.
  6. ^ Merlini, Marco; Hanfland, Michael; Salamat, Ashkan; Petitgirard, Sylvain; Müller, Harald (2015). „Krystalové struktury Mg2Fe2C4O13 s tetrahedrálně koordinovaným uhlíkem a Fe13O19, syntetizované za podmínek hlubokého pláště“. Americký mineralog. 100 (8–9): 2001–2004. doi:10.2138 / am-2015-5369. S2CID  54496448.
  7. ^ A b C Fakouri Hasanabadi, M .; Kokabi, A.H .; Nemati, A .; Zinatlou Ajabshir, S. (únor 2017). "Interakce v blízkosti třífázových hranic kov / sklo / vzduch v planárních palivových článcích z pevného oxidu". International Journal of Hydrogen Energy. 42 (8): 5306–5314. doi:10.1016 / j.ijhydene.2017.01.065. ISSN  0360-3199.
  8. ^ Nishi, Masayuki; Kuwayama, Yasuhiro; Tsuchiya, červen; Tsuchiya, Taku (2017). „Vysokotlaká forma FeOOH pyritového typu“. Příroda. 547 (7662): 205–208. doi:10.1038 / příroda22823. ISSN  1476-4687. PMID  28678774. S2CID  205257075.
  9. ^ Hu, Qingyang; Kim, Duckyoung; Liu, Jin; Meng, Yue; Liuxiang, Yang; Zhang, Dongzhou; Mao, Wendy L .; Mao, Ho-kwang (2017). „Dehydrogenace goethitu v hlubokém spodním plášti Země“. Sborník Národní akademie věd. 114 (7): 1498–1501. doi:10.1073 / pnas.1620644114. PMC  5320987. PMID  28143928.
  10. ^ http://www.mindat.org/min-7281.html Mindat
  11. ^ Bretschger, O .; Obraztsova, A .; Sturm, C. A .; Chang, I. S .; Gorby, Y. A .; Reed, S. B .; Culley, D. E.; Reardon, C. L .; Barua, S .; Romine, M. F .; Zhou, J .; Beliaev, A. S .; Bouhenni, R .; Saffarini, D .; Mansfeld, F .; Kim, B.-H .; Fredrickson, J. K .; Nealson, K.H. (20. července 2007). "Současná produkce a redukce oxidu kovu u Shewanella oneidensis MR-1 divokého typu a mutantů". Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 73 (21): 7003–7012. doi:10.1128 / AEM.01087-07. PMC  2223255. PMID  17644630.
  12. ^ A b C Sivan, O .; Shusta, S. S .; Valentine, D. L. (01.03.2016). „Methanogeny rychle přecházejí z výroby metanu na redukci železa“. Geobiologie. 14 (2): 190–203. doi:10,1111 / gbi.12172. ISSN  1472-4669. PMID  26762691.
  13. ^ A b C d E F G Hartwig, A .; Komise MAK 2016 (25. července 2016). Oxidy železa (inhalovatelná frakce) [MAK Value Documentation, 2011]. Sbírka MAK pro bezpečnost a ochranu zdraví při práci. 1. 1804–1869. doi:10.1002 / 3527600418.mb0209fste5116. ISBN  9783527600410.
  14. ^ A b Bedard, Karen; Krause, Karl-Heinz (01.01.2007). „Rodina NOX NADPH oxidáz generujících ROS: fyziologie a patofyziologie“. Fyziologické recenze. 87 (1): 245–313. doi:10.1152 / physrev.00044.2005. ISSN  0031-9333. PMID  17237347.
  15. ^ A b Chapple, Iain L. C .; Matthews, John B. (01.02.2007). "Role reaktivního kyslíku a antioxidačních látek při destrukci periodontální tkáně". Parodontologie 2000. 43 (1): 160–232. doi:10.1111 / j.1600-0757.2006.00178.x. ISSN  1600-0757. PMID  17214840.

externí odkazy