Оглавление Видео опыты по химии Видео опыты по физике На главную страницу

Химия и Химики № 8 2013

Журнал Химиков-Энтузиастов





Магнетит - ферримагнитный оксид железа


В.Н. Витер


Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter


Кроме некоторых ферромагнитных металлов и сплавов свойством притягиваться к магниту обладает также ряд оксидов [1]. Пожалуй, самый известный из "магнитных" оксидов - магнетит Fe3O4 - смешанный оксид железа (II, III). Самый известный и самый доступный - он образуется при простом нагревании железа.

Другой оксид железа - Fe2O3 также образует магнитную модификацию - γ-Fe2O3, которая распространенна в природе (минерал маггемит) и входит в состав залежей железных руд. Однако гораздо чаще встречается другая модификация оксида железа (III) - минерал гематит, α-Fe2O3, который ферримагнитными свойствами не обладает. Более того, в природных условиях маггемит неустойчив и постепенно переходит в гематит. При умеренном нагревании этот переход происходит быстро.

Несмотря на то, что минерал гематит более распространен в природе, чем магнетит и маггемит, залежи железных руд часто обнаруживали именно благодаря магнитным свойствам двух последних минералов. Для этого не обязательно иметь сложные приборы - достаточно обычного компаса. Залежи магнитных руд вызывают заметное (а подчас - сильное) отклонение магнитной стрелки.

Впервые я познакомился с магнетитом (если не считать созерцания школьных коллекций минералов) когда положил в печку - сверху горящего антрацита - консервную банку. На раскаленных до желтого цвета углях жесть прогорела насквозь, превратившись большей частью в темные блестящие чешуйки - это и был магнетит. Железо окислилось до оксида Fe3O4. Магнитные свойства последнего обнаружились, когда я поднес к нему железные ножницы.

Позже я обратил внимание, что оксид кобальта Co3O4, который образовался при разложении нитрата кобальта, также притягивается магнитом (т.е. обладает ферримагнитными свойствами). Однако, в данном случае важны условия разложения, поскольку состав данного оксида и, по-видимому, - его магнитные свойства сильно зависят от температуры. Из формулы следует, что на один атом кобальта (II) приходится два атома кобальта (III). Другими словами Co3O4 = CoO·Co2O3. Но это не обязательно так: соединение может содержать, как больше, так и меньше кислорода по сравнению с приведенной формулой - в зависимости от условий.

__________________________________________________
1 Имеются в виду вещества, которые притягиваются к магниту со значительной силой, которую легко можно ощутить (например, - ферромагнетики). Кроме них есть много веществ, которые обладают парамагнитными свойствами: такие вещества притягиваются к магниту, но очень слабо, т.к. под действием поля в них возникает лишь слабая магнитная упорядоченность. Чтобы притяжение парамагнитных веществ к магниту стало заметным визуально, как правило, нужны сильные магниты или специальные условия эксперимента.

Также много веществ обладает диамагнитными свойствами - отталкиваются от магнита. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов диамагнитных веществ ориентируются в направлении, противоположном направлению поля. Подробнее о магнитных свойствах веществ - см. статью Точка (температура) Кюри; раздел Магнитные свойства веществ (введение) [ссылка]


Магнетит
Магнетит

Магнетит
Магнетит

Магнетит
Вкрапления магнетита и других тяжелых минералов в кварц

Гематит
Гематит

Маггемит
Маггемит

Добыча железной руды
Добыча железной руды

Добыча железной руды
Добыча железной руды

Добыча железной руды




До сих пор были упомянуты только три магнитных оксида - γ-Fe2O3, Fe3O4 и Co3O4. Однако кроме данных оксидов существует целый класс аналогичных веществ, которые называются феррИмагнетики. Внешне - по их отношению к магниту такие вещества напоминают феррОмагнетики - такие как железо или неодимовый магнит. Ферримагнетики притягиваются к магниту, поскольку под действием магнитного поля у них также возникает магнитная упорядоченность.

Но внешняя схожесть не отражает физической сути процессов, которые происходят в веществе под действием магнитного поля. В ферромагнетиках магнитные моменты атомов ориентируются в направлении внешнего магнитного поля, причем эта упорядоченность может сохраняться и после снятия внешнего магнитного поля - возникает постоянный магнит (о магнитных свойствах веществ см. ссылку в примечании [1]).

В отличие от ферромагнетиков, ферримагнетики состоят как бы из двух решеток (подрешеток), магнитные моменты одной из них ориентируются в направлении внешнего поля, другой - против внешнего поля. Это очень напоминает антиферромагнитные вещества, но есть и существенная разница: в ферримагнетиках магнитные моменты двух подрешеток не равны по величине, хотя и противоположны по направлению. В результате суммарный магнитный момент не равен нулю.

Магнитная упорядоченность в ферримагнетиках
Магнитная упорядоченность в ферримагнетиках


В более сложном случае подрешеток может быть не две, а несколько, но непременным является условие: их магнитные моменты направлены антипараллельно [2] и не равны по величине. Такое неравенство обусловлено тем, что разные подрешетки образованы разными атомами и в разном количестве (например, в магнетите - атомами Fe(II) и Fe(III) ).

Ферримагнитными свойствами обладают некоторые сплавы металлов, но в основном "привилегию" на данное свойство имеют оксиды, наиболее известными среди которых являются ферриты (именно они и дали название этому типу магнетизма - ферримагнетизм).

Ферриты можно рассматривать как смешенные оксиды железа (III) и других металлов. Например, ферриты шпинельного типа [3] имеют формулу MeFe2O4 [или MeO·Fe2O3], где Me = Ni2+, Co2+, Fe2+, Mn2+, Mg2+, Cu2+. Не трудно видеть, что если Me = Fe2+ - мы имеем магнетит.

Подобно ферромагнитным металлам и сплавам ферриты обладают хорошими магнитными свойствами но, в отличие от металлов, ферриты имеют низкую электропроводность. Такое сочетание свойств незаменимо для работы с высокими частотами (более 100 кГц). Ферриты используют в качестве магнитных материалов в радиотехнике, электронике, автоматике и вычислительной технике (ферритовые поглотители электромагнитных волн, антенны, сердечники, элементы памяти, постоянные магниты и т.д.).

__________________________________________________
2 Магнитные моменты направлены антипараллельно - т.е. векторы магнитных моментов разных подрешеток параллельны, но направлены противоположно друг другу.

3 Шпинель - природный минерал, оксид магния и алюминия MgAl2O4. Вещества, которые имеют кристаллическую решетку, схожую с кристаллической решеткой шпинели, называют веществами шпинельного типа.


Шпинель
Шпинель



Вернемся к оксиду железа (II, III) и приступим к экспериментам. Недавно мне выпала еще одна возможность познакомиться с магнетитом. Я положил в муфель кольцо от взорвавшейся гидротермальной бомбы и полоску железа - они служили всего лишь в качестве опоры для электрической лампы, которую я намеревался нагреть. Сначала дал 800°С, потом - 1000°С.

Что случилось с лампой, я надеюсь в ближайшее время описать, железо же покрылось темным слоем магнетита. Магнетит легко счистился с металла - достаточно было простого постукивания.

Теперь с помощью магнита от старого радиоприемника можно было продемонстрировать, что магнетит обладает ферримагнитными свойствами. Единственное, при работе с порошками металлов или чешуйками магнетита желательно завернуть магнит в кулек - чтобы потом не пришлось счищать прилипшие частички со всей поверхности магнита.


Магнетит
Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит

Магнетит



<Магнетизм. Магниты. Электромагнитное поле>

<Химические вулканы и Фараоновы змеи ч.2> <Химические вулканы ч.1> < Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном] <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Магнитное поле, Магниты, Электромагниты (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]