氧化铁

电化学氧化的铁(铁锈)

氧化铁是由铁和氧组成的化合物。总共有十六种已知的铁的氧化物和羟基氧化物^[1]。

铁的氧化物和羟基氧化物在自然界中广泛存在，在许多地质和生物过程中发挥着重要作用，并被人类广泛使用，例如铁矿石、颜料、催化剂、铝热剂(见图表)和血红蛋白。普通铁锈是氧化铁(III) 的一种形式。氧化铁被广泛用作油漆、涂料和有色混凝土中廉价耐用的颜料。通常可用的颜色在黄色/橙色/红色/棕色/黑色范围的“泥土般”端。当用作食用色素时，氧化铁的欧盟食用色素编号为E172。

目录编辑

1 氧化物编辑

氧化铁颜料。棕色表示铁处于+3氧化态。

石灰石岩心样品上的绿色和红棕色污渍，分别对应于Fe2+和Fe3+的氧化物/氢氧化物。

Fe^II的氧化物
- FeO：氧化亚铁(II)，方铁矿
- FeO₂:^[2] 二氧化铁
Fe^II和Fe^III的混合氧化物
- Fe₃O₄：四氧化三铁(II，III)，磁铁矿
- Fe₄O₅^[3]
- Fe₅O₆^[4]
- Fe₅O₇^[5]
- Fe₂₅O₃₂^[5]
- Fe₁₃O₁₉^[6]
Fe^III的氧化物
- Fe₂O₃：氧化铁（III）
  - α-Fe₂O₃：α相，赤铁矿
  - β-Fe₂O₃：β相
  - γ-Fe₂O₃：γ相，磁赤铁矿
  - ε-Fe₂O₃：ε相

2 氢氧化物编辑

氢氧化亚铁(II) Fe(OH)₂)
氢氧化铁(III) (Fe(OH)₃)，(纳伯尔矿)

3 热膨胀编辑

氧化铁	CTE (× 10⁻⁶ °C⁻¹)
Fe₂O₃	14.9^[7]
Fe₃O₄	>9.2^[7]
FeO	12.1^[7]

4 羟基氧化物编辑

针铁矿(α-FeOOH)，
四方纤铁矿 (β-FeOOH)，
纤铁矿(γ-FeOOH)，
六方纤铁矿(δ-FeOOH)，

水铁矿(大约为 )，或，更好的表述为
高压羟基氧化铁（high-pressure FeOOH）
施氏矿物（理想态或者 )^[8]
绿锈(，其中A为Cl^-或0.5SO₄^2-)

5 微生物降解编辑

几种细菌，包括 希瓦内拉单一症, 硫还原地质杆菌 和 金属还原地质杆菌代谢性地利用固体氧化铁作为末端电子受体，将铁(ⅲ)氧化物还原成含铁(ⅱ)的氧化物^[9]。

6 环境影响编辑

6.1 氧化铁还原代替甲烷生成

在有利于铁还原的条件下，氧化铁还原过程可以取代甲烷生成过程中所产生的至少80%的甲烷^[10]。这种现象发生在低硫酸盐浓度的含氮(N₂)环境中。甲烷生成是太古宙驱动的过程，通常是海底沉积物中碳矿化的主要形式。甲烷生成完成了有机物向甲烷(CH₄)的分解^[10]。在这种情况下，氧化铁还原的特定电子供体仍在争论中，但两种潜在的供体包括钛(III)或酵母中存在的化合物。钛(III)作为电子给体，吩嗪-1-羧酸盐(PCA)作为电子穿梭体，预测的反应如下:

Ti(III)-cit + CO ₂ + 8H ⁺ → CH ₄ + 2H ₂O + Ti(IV) + cit δE = –240 + 300mV

Ti(III)-cit + PCA (氧化态) → PCA (还原态) + Ti(IV) + cit δE = –116 + 300mV

PCA (还原态) + Fe(OH) ₃ → Fe ²⁺ + PCA (氧化态) δE = –50 + 116mV ^[10]

注:cit =柠檬酸盐。

钛(III)被氧化成钛 (IV)，同时PCA被还原。PCA的还原态可以还原氢氧化铁(Fe(OH)₃)。

6.2 羟基自由基形成

另一方面，当在空气中传播时，铁的氧化物已经被证明通过形成羟基自由基进而导致烷基自由基的产生从而损害活生物体的肺组织。当氧化铁颗粒Fe₂O₃和FeO(以下分别表示为Fe³⁺和Fe²⁺)在肺中积聚时，会发生以下反应^[11]。

O ₂ + e ⁻ → O ₂ ^• – ^[11]

超氧阴离子(O₂• ^–)的形成是由一种叫做NADPH氧化酶的跨膜酶催化的。这种酶有助于电子穿过质膜从细胞质NADPH传递到细胞外氧(O₂ )，从而产生O₂• ^–。NADPH和FAD与酶的细胞质结合位点结合。来自NADPH的两个电子被传输到FAD，FAD被还原成FADH₂。然后，一个电子移动到膜平面内酶的两个血红素基团之一。第二个电子将第一个电子推向第二个血红素基团，这样它可以与第一个血红素基团结合。为了转移发生，第二个血红素必须与作为电子受体的细胞外氧结合。这种酶也可以位于细胞内细胞器的膜内，从而允许O₂• ^–形成在细胞器内^[12]。

2O ₂ ^• – + 2 H ⁺ → H₂O₂ + O ₂ ^[11] ^[13]

当环境pH较低时，尤其是在pH为7.4时，过氧化氢（H₂O₂)的形成可以自发发生^[13]。超氧化物歧化酶也能催化这一反应。一旦H₂O₂已经合成，由于其非极性，它可以通过膜扩散到细胞内外^[12]。

Fe ²⁺ + H₂O₂ → Fe ³⁺ + HO ^• + OH ⁻

Fe ³⁺ + H ₂O ₂ → Fe ²⁺ + O ₂ ^• – + 2H ⁺

H ₂O ₂ + O ₂ ^• – → HO ^• + OH ⁻ + O ₂ ^[11]

当Fe²⁺向H₂O₂提供电子时，Fe²⁺被氧化成Fe³⁺，从而在该过程中还原H₂O₂并形成羟基自由基( HO•)。然后H₂O₂可以通过给Fe³⁺提供一个电子来产生O₂•^–，从而将Fe³⁺还原成Fe²⁺。然后O₂•^–可以通过前面显示的过程来形成循环从而制造更多的H₂O₂，或者它可以与H₂O₂反应以形成更多的羟基自由基。羟基自由基已被证明能增加细胞氧化应激并攻击细胞膜和细胞基因组^[11]。

HO• +RH → R• + H2O ^[11]

由上述与铁的反应产生的HO•自由基可以从含有R-H键的分子中夺取氢原子(H)，其中R是附属于分子剩余部分的基团，在本例中与H对应的是C^[11]。

参考文献

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