Experiments with Magnetite (Fe3O4) - Chemistry and Chemists № 2 2025

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Iron Oxide Pigment and Hydrochloric Acid - Part 1
Эксперименты с магнетитом (Fe₃O₄)
Железооксидный пигмент и соляная кислота - часть 1

Thermite combustion is one of the most fascinating chemical reactions. Beyond its use in spectacular demonstrations, it has numerous practical applications. Thermite mixtures are used for metal and alloy production, welding, and as incendiary compounds in military applications.

There are many known variations of thermite. The classic thermite mixture consists of aluminum powder combined with iron oxides (FeO, Fe₃O₄, and Fe₂O₃). I must admit - despite many years in chemistry, I have never actually seen thermite burning in person, only in photographs and videos. I decided it was time to correct this injustice. First, I needed to gather all the necessary materials for the experiment.

Instead of reagent-grade iron oxide, a colleague suggested using a black pigment based on magnetite (Fe₃O₄), which was recently purchased from a supermarket. The pigment appeared as a black, smearable powder, though it looked brown in photographs. My colleague claimed that magnetite was the main component. This compound, an iron (II, III) oxide, is one of the most common natural iron minerals. Unlike other iron oxide - iron(II) oxide (FeO) and iron(III) oxide (Fe₂O₃) - magnetite is strongly attracted to a magnet.

I first examined the pigment's packaging. Under the "Composition" section, it simply stated: "Iron oxide pigment" - and nothing more. The label also mentioned that the pigment was intended for use in concrete, but provided no details about its specific composition or purity. So, why was my colleague convinced that the jar contained magnetite?

This assumption needed experimental verification. I poured hydrochloric acid (13.5% concentration) into a glass, added a small amount of the iron oxide pigment, and stirred. A black suspension formed. Over time, the solid particles settled at the bottom, while the solution remained colorless.

As is well known, iron oxides dissolve in hydrochloric acid, forming colored chloride solutions: divalent iron (Fe²⁺) produces a green solution, while trivalent iron (Fe³⁺) results in a brown one. However, despite the passage of time, my solution remained colorless. Could it be that the pigment wasn't actually magnetite?

I felt quite frustrated - not because the pigment might be fake, but because my colleague tends to be overly trusting. Despite being a qualified chemist, he often takes people at their word instead of performing basic verification. Perhaps the manufacturer was selling coal powder or some other inexpensive material under the guise of iron oxide.

As is well known, coal is not attracted to a magnet. To test the pigment, I brought a weak ferrite magnet near the jar. To my surprise, the magnet was strongly attracted to the pigment. This confirmed the presence of magnetite in the jar. However, it could have been mixed with clay, earth, or other foreign materials. I needed to dissolve a sample in acid to estimate the amount of insoluble residue.

While I was testing the pigment with the magnet, I noticed that the hydrochloric acid in the glass had turned a greenish-yellow - indicating that the iron oxide had begun to dissolve. I covered the glass with a Petri dish and periodically stirred the mixture. Over time, the solution became increasingly yellow, but even after three hours, much of the solid phase remained undissolved.

I left the glass over the weekend and returned to the lab three days later. By then, the liquid had turned into an orange-brown solution with a small amount of brown sediment.

Conclusion. The iron oxide pigment was attracted to a magnet and dissolved almost completely in hydrochloric acid, forming an orange-brown solution. These observations strongly suggest that the pigment primarily consists of iron(II,III) oxide (Fe₃O₄, also written as FeO·Fe₂O₃, magnetite).

Later, my colleague informed me that he had tested the pigment with a magnet before suggesting it for experiments. He also noted that magnetite dissolves in acids slowly. This reminded me of an experience from my graduate studies when I tried dissolving a similar oxide - cobalt(II,III) oxide (Co₃O₄) - in dilute sulfuric acid. The process was extremely slow, requiring both heating and the addition of hydroxylamine (NH₂OH) as a reducing agent.

Photos/Video

Эксперименты с магнетитом (Fe₃O₄)
Железооксидный пигмент и соляная кислота - часть 1

Горение термита - одна из самых захватывающих химических реакций. Кроме эффектных химических демонстраций она имеет много практических применений. Термитные смеси используются для получения металлов и сплавов, для сварки металлов, а также в качестве зажигательных составов в военном деле.

Вариантов термита известно много. Классический термит представляет собой смесь порошка алюминия с оксидами железа (FeO, Fe₃O₄ и Fe₂O₃). Стыдно признаться, но, занимаясь химией много лет, я ни разу не видел горение термита (только на фотографиях и видео). Решил, что такое безобразие необходимо исправить. Для начала необходимо собрать все необходимое для эксперимента.

Вместо оксида железа реактивной чистоты коллега предложил использовать черный пигмент на основе магнетита (Fe₃O₄), недавно купленный в супермаркете. Пигмент представлял собой черный, мажущийся порошок, который на фотографиях выглядит коричневым. Коллега утверждал, что основным компонентом пигмента является магнетит. Данное вещество представляет собой оксид железа (II, III) и является одним из основных природных минералов железа. Магнетит хорошо притягивается магнитом, в отличие от других оксидов данного металла: оксида железа (II), FeO и оксида железа (III), Fe₂O₃, на которые магнит заметно не действует.

Для начала почитал описание на этикетке пигмента. В графе "Состав" было указано: "Пигмент железооксидный" - и все. Также отмечалось, что пигмент предназначен для бетона. Информация о том, какое это вещество и какая его чистота, отсутствовала. Почему коллега решил, что в банке магнетит?

Данное предположение необходимо проверить экспериментально. Налил в стакан соляную кислоту (концентрация 13.5%), добавил небольшое количество железооксидного пигмента и перемешал. Образовалась черная суспензия. Вскоре суспензия разделилась: черные частицы седиментировали на дно, а раствор так и остался бесцветным. Как известно, оксиды железа растворяются в соляной кислоте, образуя окрашенный раствор хлоридов. Двухвалентное железо дает зеленый, а трехвалентное - коричневый раствор. Время шло, а раствор оставался бесцветным. Неужели данный пигмент не был магнетитом?

Мне стало очень обидно: не потому, что пигмент мог оказаться поддельным, а потому что мой коллега очень доверчивый. Будучи квалифицированным химиком, он часто верит людям на слово, не проводя элементарную проверку. Возможно, производитель продавал угольный порошок или какую-то дешевую субстанцию под видом оксида железа.

Уголь, как известно, магнитом не притягивается. Приблизил к банке с пигментом слабый ферритовый магнит. Магнит притянулся к пигменту с неожиданной силой. Определенно, в банке был магнетит. Однако его могли разбавить глиной, землей и разными неликвидами. Нужно растворить образец пигмента в кислоте, чтобы оценить количество нерастворимого остатка.

Пока я занимался с пигментом и магнитом, соляная кислота в стакане окрасилась в зеленовато-желтый цвет: растворение оксида железа началось. Накрыл стакан чашкой Петри, периодически перемешивал его содержимое. Раствор стал желтый, его окраска становилась более интенсивной, однако даже через три часа большая часть твердой фазы не растворилась.

Оставил стакан на выходные, вернулся в лабораторию только через три дня. В стакане был оранжево-коричневый раствор с небольшим количеством коричневого осадка.

Подведем итоги. Железооксидный пигмент притягивается магнитом и почти полностью растворяется в соляной кислоте, давая оранжево-коричневый раствор. Данные факты свидетельствуют, что пигмент состоит преимущественно из оксида железа(II,III) [магнетит, FeO·Fe₂O₃, который также пишут как Fe₃O₄].

Позже узнал от коллеги, что он проверял данный пигмент магнитом перед тем, как предложить его для экспериментов. Кроме того, коллега отметил, что магнетит растворяется в кислотах медленно. В свою очередь я вспомнил, как, учась в аспирантуре, пытался растворить аналогичный оксид кобальта (Co₃O₄) в разбавленной серной кислоте. Процесс шел медленно при нагревании и требовал добавки гидроксиламина (NH₂OH) в качестве восстановителя.

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Would You Like More Tea? Black Tea and Iron Chlorides - Part 2
Хотите еще чаю? Черный чай и хлориды железа - часть 2

A five-liter jar of water sits on the table, with a cup of black tea beside it. I pour the tea into the jar - the water turns brown. Would you like more tea? I take a glass containing exactly the same tea and add a few milliliters to the jar. Visually, nothing changes. But as soon as I stir with a Teflon stick, the liquid instantly turns black. In a thin layer, the solution appears dark purple.

The thing is, the glass did not actually contain tea, but a brown solution of iron(II) and iron(III) chlorides, obtained in the previous experiment by dissolving magnetite in hydrochloric acid. However, the cup did contain real black tea. The two liquids appear nearly identical.

Tea contains tannins, which are plant-based polyphenols. Phenols form intensely colored complexes with iron salts. In the case of tannins, these complexes appear dark purple.

I have performed this experiment many times - it is one of the most well-known chemical demonstrations. I would not have repeated it had the previous experiment not produced a solution of iron chlorides, and had I not happened to have a cup of tea at hand. However, this time, I did not stop at the standard procedure.

I poured the dark purple solution from the jar into a 250 mL glass and added hydrochloric acid (13.5% concentration). The lower portion of the solution turned light brown. After stirring, the entire solution became light brown.

Next, I added hydrochloric acid directly to the jar containing the dark purple solution - first 50 mL, then another 25 mL. The solution near the bottom gradually changed from dark purple to light brown. Stirring the contents of the jar turned the entire solution light brown. The purple iron complex had been destroyed.

Finally, I dissolved 30.8 g of sodium hydroxide in a glass (to neutralize the hydrochloric acid and create a highly alkaline solution). I added this sodium hydroxide solution to the jar and stirred. The liquid in the jar turned dark brown, almost black. No precipitate of iron(III) hydroxide was observed.

Photos/Video

Хотите еще чаю? Черный чай и хлориды железа - часть 2

На столе стоит пятилитровая банка с водой, рядом чашка с черным чаем. Выливаю чай в банку с водой - вода становится коричневой. Хотите еще чаю? Беру стаканчик с точно таким же чаем и добавляю несколько миллилитров в банку. Визуально не происходит никаких изменений. Перемешиваю содержимое банки тефлоновой палочкой - жидкость моментально становится черной. В тонком слое раствор выглядит темно-фиолетовым.

Дело в том, что в стакане был не чай, а коричневый раствор хлоридов железа (II) и (III), полученный в прошлом эксперименте (в результате растворении магнетита в соляной кислоте). Зато в чашке действительно был черный чай. Две жидкости выглядят практически одинаково.

Чай содержит танины (таннины), которые являются растительными полифенолами. Фенолы образуют интенсивно окрашенные комплексы с солями железа. В случае танинов данные комплексы окрашены в темно-фиолетовый цвет.

Описанный выше эксперимент я проводил много раз. Это одна из самых известных химических демонстраций. Я не стал бы ее повторять, если бы в прошлом эксперименте не образовался раствор хлоридов железа и под рукой не оказалась бы чашка чая. Однако в этот раз я не ограничился стандартной процедурой.

В стакан объемом 250 мл отлил темно-фиолетовый раствор из банки и добавил к нему соляную кислоту (концентрация 13.5%). Нижняя часть раствора стала светло-коричневой. Перемешал содержимое стакана. Весь раствор стал светло-коричневым.

После этого добавил соляную кислоту непосредственно в банку с темно-фиолетовым раствором (сначала 50 мл, затем еще 25 мл). Раствор возле дна банки постепенно изменил цвет с темно-фиолетового на светло-коричневый. Перемешал содержимое банки - весь раствор стал светло-коричневым. Фиолетовый комплекс железа разрушился.

Растворил в стакане 30.8 г гидроксида натрия (чтобы нейтрализовать соляную кислоту и получить сильнощелочной раствор). Добавил в банку раствор гидроксида натрия, перемешал. Жидкость в банке стала темно-коричневой (почти черной). Образование осадка гидроксида железа (III) не наблюдалось.