Химия и Химики № 8 2013. Магнетит - ферримагнитный оксид железа

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 распространена 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]

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

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.

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.

Смотреть Видео (53 Мб, .avi )