اکسید آهن و کاربردهای آن

اکسید آهن چیست؟

اکسید آهن یا Iron oxide ترکیب شیمیایی آهن و اکسیژن است که به طور طبیعی وجود دارد و بیش از 16 نوع اکسید آهن وجود دارد اکسید آهن همان زنگ آهن است، هنگامی که وسایل و سازه های فلزی در برابر شرایط آب و هوای مرطوب قرار می‌گیرند پوسیدگی و یا همان زنگ آهن صورت می‌گیرد، و برای آنکه از این اتفاق جلوگیری شود از راهکارهایی متفاوتی استفاده می‌کنند، جالب است بدانید این ماده در برخی موارد ممکن است موجب مشکلاتی گردد اما اگر در جای خود مورد استفاده قرار گیرد می‌تواند بسیار مفید و کارآمد باشد.
این ماده دو نوع معدنی و سنتزی دارد که نوع معدنی آن شامل هماتیت، مگنتیت و وستیت است که جهت استخراج آهن استفاده می‌شود. نوع سنتزی همان رنگندانه آهن است که به دلیل ثبات رنگ و خلوص بالا، کاربردهای فراوانی دارد. اکسید آهن پس از استخراج از معادن در کوره های داغ و با افزودن کربن به اکسیژن و آهن خالص تبدیل می‌شود.

اکسید آهن سیاه چیست؟

اکسید آهن سیاه ماده ای غیرسمی از آهن و اکسیژن است که به مگنتیت هم معروف است و با فرمول شیمیایی Fe3O4 و FeO.Fe2O3 و دارای خاصیت مغناطیسی بالا و در طیفی از خاکستری تا سیاه یافت می شود. این ماده را به دور از گرما، جرقه و شعله و در محل های خشک و با تهویه مناسب نگهداری می‌کنند. 

چگونگی تشکیل اکسید آهن

همه می‌دانیم زمانی که آهن با اکسیژن و یا آب تماس پیدا کند زنگ آهن یا همان اکسید آهن به وجود می‌آید که سنگ آهن خودش به حالت اکسید آهن یافت می‌شود، اما تنها روش زنگ زدن آهن نیست...آهن در مجاورت مواد دیگری مانند کلرهم زنگ می‌زند، واکنشی که در زنگ زدن آهن بوجود می‌آید از سیر انتقال الکترون از آهن به اکسیژن آغاز می‌شود. با اینکه اکسیداسیون برای فلزات دیگر نیز انجام می‌شود، اما مانند آهن زنگ نمی‌زنند. از واکنش اکسید آهن ماده‌ای بدست می آید که کاربردهایی فراوانی دارد در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد.

تولید اکسید آهن از رسوب دهی سولفات آهن

یکی از روش‌های بدست آمدن اکسید آهن این است که سولفات آهن که Ph کمتر از  3 دارد را در آب حل کند و با افزودن سدیم هیدروکسید و انجام هوادهی منتظر افزایش ph تا 7 می‌شویم، که با گذشت مدت زمان مشخص هیدروکسید آهن به رنگ زرد تولید می‌گردد، سپس محلول فیلتر شده تا خالص سازی گردد و هیدروکسید آهن برای خشک کردن به گرما خانه انتقال می‌یابد.
در این شرایط محصول خیلی سریع به حالت زرد تبدیل می‌شود و با افزایش تدریجی دما رنگ محصول به نارنجی، قرمز، قهوه ای و سیاه تبدیل می‌گردد که می توان در موارد مختلف از هر یک استفاده کرد. یعنی هر یک از رنگ ها با توجه به خواص و ویژگی که دارند در موارد متفاوتی به کار برده می‌شود.

چگونه آهن را از اکسید آهن جدا می کنند؟

از حدود 4000 قبلا از میلاد سومریان و مصریان با آهن آشنا شده بودند و از آن در تولید شمشیر، سپر، نوک تیزه و یا زیور آلات استفاده می‌کردند و نکته جالب اینکه تا 2000 سال قبل از میلاد به علت اینکه فراوانی آهن کم بود، قیمت آهن بیشتر از طلا بود و حتی ارزشمندتر، و بعدها در حدود قرن دهم یک جابه جایی در جنس ابزارآلات بوجود آمد و از آهن به جای قلع و برنز استفاده می‌شد.
با پیشرفت علم و دانش و گذشت زمان کوره‌هایی برای تولید آهن خالص پدید آمد که امروزه از این کوره ها بصورت حرفه ای تر استفاده می‌شود. سنگ معدن هایی که آهن از آن ها به دست میآید اغلب یصورت اکسیدهای آهن هستند که هماتیت و مگنتیت دو نمونه معروف از این مواد می‌باشند که تأثیر مهمی در زندگی امروزه دارند. اکسیدهای آهن پس از استخراج از معدن به کوره های داغ رفته که در آن کوره ها برای جداسازی اکسیژن از آهن و خالص شدن آن، اغلب کربن اضافه کرده و آهن خالص به دست می‌آید.

انواع اکسید آهن

اکسید آهن در رنگ های مختلف با خواص متفاوت در صنایع موجود است بشرح زیر:

اکسید آهن زرد

این ماده بصورت جامد در رنگ زرد مایل به سبز بسیار روشن موجود است که اتم آهن در آن با عدد اکسایش 3 استو به صورت دانه بندی فروخته می‌شود، ph آن در حدود 3 تا 7 متغیر می‌باشد و مهمترین کاربرد آن در تولید محصولات آرایشی و بهداشتی می‌باشد.

اکسید آهن سبز

شکل اکسایش این محصول برای اتم آهن عدد 2 است، قابل ذکر است این ماده اسیدیته محلول را در حدود 6 تنظیم می‌کند، این محصول می‌بایستی در جای خشک و خنک نگهداری شود، زیرا رطوبت محیط را جذب می کند. کاربرد این پودر سبز رنگ اغلب در کامپوزیت ها، صنایع لاستیک و پلاستیک، محصولات آرایشی و تولید رنگ های صنعتی است.

اکسید آهن اخرا

اکسید آهن اخرا به حالت پودر جامد قهوه ای تیره و قرمز یافت می‌شود. محلولی که این نمک معدنی را دارا باشد، اسیدیته را در حدود 4 تا 8 تنظیم می‌کند و کاربردهای فراوانی برای ترکیب اکسید فلزی آهن وجود دارد که یکی از آن ها در خالص سازی فلزات از سنگ معدن است.

کاربردهای اکسید آهن

کاربرد آن در پزشکی

نانو ذرات اکسید آهن به قدری کوچک هستند که می توانند در درمان بسیاری از بیماری ها کاربرد داشته باشد و در کل در علم پزشکی اهمیت بسیار بالایی دارد. هدف گیری مغناطیسی داروها با نانو ذرات اکسید آهن از دو لحاظ اهمیت دارد:

1. استفاده از این ذرات جهت حمل دارو: تجویز دوز بیشتری از دارو را برای فرد بیمار کاهش می دهد، به این ترتیب، فرد دچار مسمومیت دارویی نمی‌شود.
2. این ذرات، توزیع دارو در اندام هدف را محدود می‌کنند به این معنی که مقدار معینی از دارو را فقط به محلی خاص هدایت کرده و سایر اندام ها را از عوارض جانبی داروها مصون می دارند.
3. استفاده در تصویربرداری مغناطیسی یا MRI است، در این روش از این ذرات برای ایجاد کنتراست تصویر ارگانیسم ها و اندام ها استفاده می‌گردد. 

کاربرد آن در ریخته گری

در ابتدا برای جلوگیری از رگه ای شدن قطعه های آهن از اکسید آهن قرمز استفاده می‌کردند بعدها متوجه تأثیر عکس آن در کیفیت محصول شدند و با تجربه بیشتر مشخص شد که با افزودن 30 درصد اکسید آهن سیاه هم از رگه ای شدن محصول جلوگیری می‌گردد و کیفیت آن نیز در حد قابل قبولی باقی می‌ماند.

از این رو کارخانه های ریخته گری به دلایل زیر از این استفاده می‌کنند:

1. کاهش کربن گیری
2. جلوگیری از رگه ای شدن
3. جلوگیری از عیوب پوست سوسماری و مقاومت در مقابل نفوذ ذوب
4. بهبود سطح تمام شده

قابل ذکر است در این صنعت از نوع اکسید وستیت، مگنتیت و هماتیت استفاده می‌گردد که وستیت کمترین میزان اکسیژن را دارد. مگنتی که در پوسته میانی تشکیل می‌شود میزان اکسیژن متوسطی دارد و بیشترین میزان اکسیژن شامل هماتیت خواهد بود. افزایش دما باعث می‌شود که اکسیدهای بالاتر به اکسیدهای پایین تر تبدیل و در نتیجه سطح تمام شده در حد بسیار عالی بهبود می‌یابد.

کاربرد آن در کارت های بانکی

از کاربرد دیگر اکسید آهن می‌توان به ساخت نوار مغناطیسی اشاره کرد که برای خود من این استفاده بسیار جالب بود... امروزه کمتر کسی از پول نقد استفاده می‌کند و استفاده از کارت های اعتباری بسیار متداول شده اما آیا تا به حال به نحوه کار کارت های مغناطیسی دقت کرده اید؟ در این کارت ها نوار مغناطیسی با یک انرژی به خصوص بر روی یک آهنربای الکتریکی تأثیر می‌گذارند تا بر روی محیط ضبط اثر داشته باشد. از این نوع نوارها جهت ضبط ویدئو، ضبط داده ها و حتی ضبط خودکار استفاده می‌گردد. مهم ترین ماده ای که در ساخت این نوارهای مغناطیسی استفاده می‌گردد اکسید آهن 3 است البته مدتی بیشترین ذخیره سازی با این ماده انجام می‌شده اما با آمدن آلیاژهای کبالت موجب شد تا آن ها جایگزین این اکسید شوند.

در این نوشتار به معرفی اکسید آهن و انواع آن و رنگ های متفاوتی که می‌توانیم در اختیار داشته باشیم و کاربرد آنها اشاره کردیم بنابراین نتیجه می‌گیریم این ماده در صنایع مختلفی کاربرد دارد و پاسخگو بسیار از نیازها است. 

منبع گروه تأمین محتوای فولاد24