¿No debería poder formarse óxido de hierro sin agua? Es es sólo hierro y oxígeno. No entiendo muy bien qué significa el punto seguido de la $\ce{H2O}$ significa tampoco. Estuve leyendo en la wikipedia, pero tengo una comprensión bastante terrible de la química. ¿Qué propósito tiene el agua en la formación de óxido, y qué significa que una molécula esté hidratada?
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Herms
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Podríamos explicarlo desde un punto de vista electrolítico.
El hierro tiene una cierta tendencia a disolverse en el agua según la siguiente ecuación:
$\ce{Fe (s) -> Fe^2+ (aq) + 2e^-}$
La liberación de electrones hace que fluya una pequeña corriente en el metal (recuerda que los metales conducen la electricidad). Esto convierte el punto donde se disuelve el hierro en un ánodo, y la región alrededor de esta zona se vuelve rica en electrones, un cátodo. Ahora bien, hay que recordar que el agua se disocia en pequeñas proporciones según:
$\ce{H2O (l) <=> H^+ (aq) + OH^- (aq)}$
Si fuera un ácido, el $\ce{H^+}$ habría tomado rápidamente todos los electrones liberados de la disolución del hierro anteriormente, pero la concentración de iones de hidrógeno no es lo suficientemente grande en el agua, de modo que tenemos otra reacción que tiene lugar en el cátodo [Los iones de hidrógeno se "juntan" realmente cerca de la superficie pero no pueden hacer nada, creando una fina capa protectora de iones de hidrógeno alrededor del cátodo, pero no lo suficientemente fuerte como para impedir la reacción posterior]. En esta reacción participan el oxígeno y otras moléculas de agua:
$\ce{2H2O (l) + O2 (g) + 4e^- -> 4OH^- (aq)}$
Ahora bien, este es el $\ce{OH^-}$ que reacciona con los iones de hierro (o ferrosos) liberados anteriormente:
$\ce{Fe^2+ (aq) + 2OH^- (aq)->Fe(OH)2 (aq)}$
Ahora más oxígeno reaccionará para oxidar el hidróxido de hierro (II)...
$\ce{Fe(OH)2 (aq) \xrightarrow[O] Fe(OH)3 (aq) \xrightarrow[O] Fe2O3 (s)}$
Probablemente pueda reconocer el último producto.
Como el $\ce{Fe^2+}$ se consumen, se disuelve más hierro (principio de Le Chatelier) y se mantiene todo el proceso.
Tal vez una pequeña foto para acompañar esto :)
Flatlineato
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226
El punto significa que el compuesto es un hidratar del producto químico principal; el compuesto principal forma una estructura de enlace débil con una o más moléculas de agua por molécula principal, porque los átomos de hidrógeno del agua, o la región de carga positiva parcial de la molécula de agua causada por su forma molecular "doblada", es atraída por regiones parcialmente negativas de la molécula principal. No se trata de un enlace iónico tradicional "completo", pero funciona de forma parecida. En estado sólido, esta mezcla de moléculas de agua y del compuesto original forma una estructura cristalina como la del hielo (no tiene por qué ser un cristal bien ordenado como el que se obtiene normalmente con las sales), con propiedades que difieren de una forma de la sustancia que tiene más, menos o nada de agua en su estructura.
Un ejemplo cotidiano de la diferencia entre un compuesto deshidratado y uno hidratado es el cemento Portland, utilizado en el hormigón. En su forma bruta, se trata de carbonato de calcio "deshidratado" junto con algunos otros componentes, que se fabrican calentando piedra caliza hasta que el agua se desprende de la estructura de la roca. El sólido restante forma un polvo fino que no puede mantener la forma. Si se vuelve a añadir el agua mientras se mezcla el hormigón, las moléculas de agua se reincorporan a una estructura sólida con el carbonato de calcio para reformar una roca con la forma deseada.
En cuanto a la razón por la que el óxido sólo se forma en presencia de agua, la naturaleza "polar" del agua también interviene en este caso. Al ser un disolvente polar, tiene cierta afinidad por los electrones, que son fácilmente cedidos por el hierro como metal de transición, y son atraídos por los átomos de hidrógeno del agua. Si un átomo de hidrógeno consigue "capturar" un electrón, equilibra su propia carga eléctrica y se "libera" del enlace que tiene con el oxígeno en la molécula de agua, emparejándose en su lugar con otro hidrógeno liberado para formar un gas diatómico. Ahora bien, esta molécula de gas hidrógeno no llegará muy lejos, porque el agua suele tener algo de gas oxígeno "disuelto" en ella, y hay más oxígeno justo al otro lado del agua, esperando a reoxidar este gas hidrógeno de nuevo en agua. El resultado neto es un átomo de hierro cargado positivamente (normalmente en los estados de oxidación +2 o +3, habiendo cedido 2 o 3 electrones al agua, respectivamente), iones de hidróxido cargados negativamente ( $\ce{OH-}$ ), y el agua. Estos forman una mezcla de hidróxidos de hierro:
$$\ce{2(Fe - 2e^{-}) + 4(H_2O + e^+) + O_2 \\ \to 2Fe^{2+} + 4OH^- + 2H_2 + O_2 \\ \to 2Fe(OH)_2 + 2H_2O}\\$$ $$\ce{4(Fe - 3e^{-}) + 12(H_2O + e^+) + 3O_2 \\ \to 4Fe^{3+} + 12OH^- + 6H_2 + 3O_2 \\ \to 4Fe(OH)_3 + 6H_2O}$$
Esa segunda ecuación suele producirse "por pasos", ya que te darás cuenta de que hay muchos electrones e iones flotando a la vez. Normalmente, primero se forma hidróxido de hierro (II), y luego el hierro se oxida fácilmente a su estado +3, ya sea tomando un hidróxido adicional para formar hidróxido de hierro (III), o liberando un hidrógeno que se oxida para formar agua, dando lugar al monohidrato de óxido-hidróxido de hierro (III):
$$\ce{4(Fe(OH)2 - e^{-}) + 2H_2O + O_2 \to 4FeO(OH)*H_2O}$$
El hidróxido de hierro (III) se reorganizará fácilmente en casi el mismo estado (no es tanto una descomposición, ya que el agua permanece débilmente unida al óxido-hidróxido para formar el monohidrato):
$$\ce{Fe(OH)3 \to FeO(OH)*H_2O}$$
Por último, se considera que dos de estas moléculas de óxido de hierro-hidróxido "comparten" un oxígeno de uno de los iones de hidróxido entre ellas, y que el hidrógeno se une en cambio al oxígeno del otro hidróxido, reformando el agua como hidrato (posiblemente con una parte liberada):
$$\ce{2FeO(OH)*H_2O \to Fe_2O_3*xH_2O + yH_2O}$$
Existen varias estructuras de hidrato de este óxido de hierro, que dan lugar a diferentes colores del compuesto, desde el marrón oscuro hasta el rojo intenso y el rojo anaranjado. También son posibles otros óxidos por acción más directa del oxígeno sobre el propio hierro, como el óxido de hierro (II) ( $\ce{FeO}$ ). El calentamiento del óxido libera el agua y obliga a los óxidos de hierro a reorganizarse, lo que también puede producir el tercer óxido de hierro, el óxido de hierro (II,III) (conocido en forma mineral como magnetita).
Observará que el agua participa en la reacción global sin que ésta se consuma realmente para formar el producto; se destruye y se vuelve a formar en cantidades iguales, creando intermedios en el proceso. Como tal, el agua es un catalizador para estas reacciones. El "óxido" es un término mal definido en química, ya que el compuesto cotidiano consiste en una mezcla de varios hidratos de los tres óxidos de hierro, todos los cuales se producen dependiendo de sutiles diferencias localizadas en la temperatura y las proporciones de agua, oxígeno y hierro.
GreyCat
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146
Por definición, el óxido incluye agua en su estructura. No es óxido si no contiene agua.
El óxido es poroso- tiene agujeros por lo que la corrosión del hierro se mantiene mucho más tiempo si se oxida en lugar de formar un óxido recto.
El hierro forma óxidos al instante que son más protectores que el óxido, pero no mucho más. El hierro caliente en ambientes con oxígeno se corroe formando óxido de hierro.
Xenon
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113
¿Para qué sirve el agua en la formación del óxido?"
En primer lugar, hay que preguntarse cuál es la temperatura del agua y el origen del agua. Fría de un grifo implica un posible contenido de oxígeno junto con digamos libre $\ce{Cl2}$ o incluso $\ce{NH2Cl}$ o las aguas naturales aireadas que contienen sales de metales de transición (incluidas las de $\ce{Fe, Mn}$ , algunos $\ce{Cu}$ ), junto con los posibles gases que no sean $\ce{O2}$ como $\ce{N2O}$ de la descomposición del nitrato (presente en el agua del pozo), o quizás agua destilada hervida sin gases ni minerales disueltos. La composición de la aleación de hierro, voy a ignorar y asumir pura $\ce{Fe}$ junto con un rango de pH para el $\ce{H2O}$ de entre 6 y 8.
Intentaré hacer una breve descripción de la química que podría ocurrir en algunos escenarios para dar una perspectiva más cercana a la química del mundo real. En el caso de las aguas naturales, para empezar, la química descrita a continuación es ciertamente relevante. Sin embargo, con el agua destilada en contacto al aire libre con el hierro en polvo sumergido, esperaré un período de inducción comparativamente mucho más largo hasta que se observe algún tipo de óxido según las reacciones descritas anteriormente. Esto se debe a la naturaleza electroquímica subyacente del proceso de corrosión y a que no hay electrolito (de sales disueltas, sino que se esperan partículas de polvo) ni $\ce{O2}$ o un ácido (fuente de $\ce{H+}$ podría llegar por vía aérea conteniendo $\ce{CO2}$ ). Por lo tanto, la oxidación del hierro procede mucho más rápidamente en aquellos casos que contienen oxígeno disuelto, una fuente de ácido (cloro libre) y un alto contenido mineral (electrolito).
También existe una posible acción directa del agua sobre el hierro a través de la siguiente vía sin presencia de oxígeno:
$$\begin{align}\ce{2 [ H2O &<=> H+ + OH- ]}\\[1.3em] \ce{Fe + 2 OH- &-> Fe(OH)2 + 2 e-}\\[1.3em] \ce{2 [ H+ + e- &<=> H^. ]}\\[1.3em] \ce{H^. + H^. &-> H2}\end{align}$$
$$\begin{align}\text{Net:} &&\ce{Fe + 2 H2O -> Fe(OH)2 + H2}&&\end{align}$$
A continuación, podría producirse la llamada reacción de Schikorr, que detalla la conversión del hidróxido de hierro(II) en el óxido mixto de hierro(II,III), también escrito como Fe3O4 (véase Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Schikorr_reaction ).
Curiosamente, también existe una posible acción sobre cualquier ferroso formado en el agua que contiene $\ce{N2O}$ en presencia adicional de cúprico (véase Reducción química del nitrito y el óxido nitroso por el hierro ferroso por J. T. Moraghan y R. J. Buresh, en SSSAJ, Vol. 41 No. 1, p. 47-50, 1976. ).
La razón de mencionar una fuente ácida se debe a la siguiente reacción que convierte lo ferroso en férrico en presencia de oxígeno:
$$\ce{4 Fe^{II} (aq) + 4 H+ + O2 -> 4 Fe^{III} + 2 H2O}$$
(ver http://corrosion-doctors.org/Experiments/rust-chemistry.htm )
Así que, dependiendo de varias fuentes del agua, además del mecanismo con agua y oxígeno descrito anteriormente, la química podría ser un poco más compleja.
davidsleeps
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219
El agua es el catalizador en el proceso de oxidación, por lo que no se puede obtener óxido sin agua.
Tomado de http://www.chemicalformula.org/rust :
La ecuación química general para la formación de óxido es
Hierro + agua + oxígeno --> óxido
$$\ce{4 Fe(s) + 6 H2O(l) + 3 O2(g) -> 4 Fe(OH)3(s)}$$
Hidróxido de hierro (III), $\ce{Fe(OH)3}$ luego se deshidrata para producir $\ce{Fe2O3.nH2O(s)}$ o el óxido
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