Demir(II) Oksit

Ferroz oksit olarak da bilinen Demir(II) oksit, demirin oksijene bağlandığı +2 oksidasyon durumundan oluşan, FeO kimyasal formülüne sahip inorganik bir bileşiktir.^[1] Doğada, genellikle göktaşlarında ve bazı karasal kayalarda bulunan nadir bir demir oksit olan vüstit (tipik olarak stokiyometrik olmayan Fe_1-xO) minerali olarak bulunur ve endüstriyel kullanım için tipik olarak siyah kristal bir katı veya toz halinde sentezlenir.^[2] 71,84 g/mol molekül ağırlığına sahip olup, yoğunluğu yaklaşık 5,7–6,0 g/cm³’tür, 1377 °C’de erir ve suda çözünmez ancak asitlerde çözünür.^[1]^[3]

Kimyasal olarak, demir(II) oksit havada kararsızdır ve özellikle ince taneli olduğunda kolayca demir(III) okside oksitlenir; bu durum onu piroforik yapar ve asal taşıma koşulları gerektirir.^[1] Bazik özellikler gösterir, karbondioksiti emerek karbonatlar oluşturur ve Fe²⁺ katyonu nedeniyle çeşitli reaksiyonlarda indirgeyici ajan olarak görev yapar.^[1] Hazırlanması genellikle demir(II) oksalatın termal bozunmasını veya Fe₂O₃’ün hidrojen veya karbon monoksit ile kontrollü koşullar altında ısıtılması gibi daha yüksek demir oksitlerin indirgenmesini içerir.^[1]

Demir(II) oksit, malzeme biliminde ve üretimde, özellikle seramiklerde bir bileşen olarak, ısı emici özellikler için cam üretiminde ve emaye kaplamalarda uygulama alanı bulur.^[3] Ayrıca kimyasal süreçlerde bir katalizör, kozmetiklerde bir renklendirici ve çelik yapımında, safsızlıkları gidermek için cüruf oluşumunda bir ara madde olarak kullanılır.^[1]^[3]

Özellikler

Fiziksel özellikler

Mineral formunda vüstit olarak da bilinen Demir(II) oksit, siyah bir katı olarak, tipik olarak higroskopik toz, peletler veya kübik kristaller şeklinde görünür.^[1]^[3] Molar kütlesi 71,844 g/mol’dür.^[1]

Bileşiğin yoğunluğu 5,7 g/cm³’tür.^[3] 1.377 °C’de (1.650 K) erir ve 3.414 °C’de (3.687 K) kaynar.^[1]^[3] Demir(II) oksit suda ve alkalilerde çözünmez, ancak seyreltik asitlerde çözünür.^[1]

Özellik	Değer	Koşullar/Kaynak
Özgül ısı kapasitesi	49.93 J/mol·K	298 K^[4]
Termal iletkenlik	1.8–2.5 W/m·K	Oda sıcaklığından 1.000 °C’ye
Elektriksel özdirenç	~0.01 Ω·cm	Yüksek sıcaklıklar (yarı iletken davranışı)^[5]

Optik olarak, demir(II) oksit formları genelinde siyah bir renk sergiler ve 2,23 kırılma indisine sahiptir.^[1]

Kimyasal özellikler

Stokiyometrik olarak FeO şeklinde gösterilen demir(II) oksit, iyonik bir kafes içinde oksit iyonuna (O²⁻) bağlı +2 oksidasyon durumundaki (Fe²⁺) demirden oluşur.^[2]^[3]

Bazik bir metal oksit olarak FeO, asitlerle reaksiyona girerek karşılık gelen demir(II) tuzlarını ve suyu oluşturur. Örneğin, aşağıdaki reaksiyona göre hidroklorik asitte çözünür:

$$\text{FeO} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\text{O}$$

^[6]^[3]

FeO, atmosferden nemi emerek higroskopik davranış sergiler; bu durum, havadaki yavaş oksidasyonunu kolaylaştırarak Fe₂O₃ gibi daha yüksek demir oksitlerine dönüşmesine ve rengin siyahtan kırmızımsı kahverengiye değişmesine neden olur.^[7]^[1]

Elektronik özellikler açısından, stokiyometrik FeO, kaya tuzu yapısındaki Fe²⁺ iyonlarının antiferromanyetik eşleşmesinden kaynaklanan, yaklaşık 198 K olan Néel sıcaklığının altında antiferromanyetik düzenlenme sergiler; bu durum manyetik ve elektrokimyasal bağlamlardaki reaktivitesini etkiler.^[8]

FeO’nun çözünürlüğü pH’a bağlıdır; nötr suda genellikle çözünmez ancak hidrolize uğrayarak demir(II) hidroksit (Fe(OH)₂) oluşturabilir. Bunun çözünürlüğü, protonasyon ve sulu Fe²⁺ türleri olarak çözünme nedeniyle düşük pH’da artarken, 10’un üzerindeki yüksek pH değerlerinde Fe(OH)₂ çökelmesi baskın hale gelerek genel demir(II) çözünürlüğünü sınırlar.^[9]^[10]

Yapı

Kristal yapı

İdeal stokiyometrik formundaki demir(II) oksit, $Fm\bar{3}m$ (No. 225) uzay grubu ile kübik kaya tuzu (NaCl tipi) yapısında kristalleşir. Bu düzenlemede, Fe²⁺ ve O²⁻ iyonları sırasıyla yüzey merkezli kübik bir kafesin katyon ve anyon bölgelerini işgal eder ve demir ile oksijen iyonlarının değişen katmanlarının <111> yönleri boyunca istiflendiği üç boyutlu bir ağ oluşturur. Birim hücre, küpün köşelerinde ve yüzey merkezlerinde konumlanmış iyonlarla birlikte dört formül birimi FeO içerir.^[11]^[12]

İdeal yapı için kafes parametresi $a$, ortam koşullarında 4,32 Å’dur ve bu da yaklaşık 2,16 Å’luk Fe–O bağ uzunluklarına karşılık gelir. Bu parametre, sıkı paketlenmiş geometriyi belirleyen Fe²⁺ (yüksek spin, 0,78 Å) ve O²⁻ (1,40 Å) iyonik yarıçapları arasındaki dengeyi yansıtır. Hem katyonlar hem de anyonlar oktahedral koordinasyon sergiler; her bir Fe²⁺ altı O²⁻ iyonu ile çevrilidir (veya tersi), bu da tüm iyonlar için 6 koordinasyon sayısı ve oktahedraların kenarları boyunca güçlü yönlü bağlanma ile sonuçlanır.^[13]

Demir(II) oksitteki bağlanma, öncelikle iki değerlikli iyonlar arasındaki elektrostatik çekim tarafından yönlendirilen iyoniktir, ancak Fe 3d orbitallerinin O 2p orbitalleri ile örtüşmesinden kaynaklanan kısmi kovalent karaktere de sahiptir. Bu hibridizasyon, kaya tuzu fazının kararlılığına katkıda bulunur ve tamamen iyonik analoglara kıyasla bant aralığının daralması gibi elektronik özellikleri etkiler. Yaklaşık 1370 °C olan erime noktasının üzerindeki erimiş halde, nötron difraksiyon verilerinin ampirik potansiyel yapı arıtımı ile belirlendiği üzere, yerel yapı ortalama olarak 4 ila 5 oksijen atomu tarafından koordine edilen demir atomları ile daha düzensiz bir sıvıya dönüşür.^[14]^[15]

İdeal yapı temel bir model sağlarken, gerçek demir(II) oksit örnekleri genellikle kafesi hafifçe değiştiren stokiyometrik olmayan sapmalar sergiler.^[16]

Kusurlar ve stokiyometrik olmama durumu

Mineral formunda vüstit olarak bilinen demir(II) oksit, ideal 1:1 Fe:O oranından sapan doğal yapısal kusurlar nedeniyle önemli ölçüde stokiyometrik olmama durumu sergiler.^[17] Bu stokiyometrik olmayan doğa, temel olarak kaya tuzu kafesindeki katyon eksikliklerinden kaynaklanır ve en iyi $Fe_{1-x}O$ formülü ile temsil edilen bir bileşime yol açar; burada $x$, $Fe_{0.84}O$ ila $Fe_{0.95}O$’ya karşılık gelen 0,05 ila 0,16 arasında değişir.^[17] Bu kusurlar, yüksek sıcaklıklarda sentezlenen veya denge koşullarında oluşan vüstitte yaygındır.^[18]

Kusur mekanizması, oksijen bakımından zengin bileşimi barındırmak için demir katyonu boşluklarının oluşumunu içerir ve yük nötrlüğü, çevreleyen demir iyonlarının oksidasyonu ile korunur. Özellikle, bir $Fe^{2+}$ iyonunun uzaklaştırılmasıyla oluşturulan her katyon boşluğu için, iki bitişik $Fe^{2+}$ iyonu, pozitif yük açığını dengelemek için $Fe^{3+}$’e oksitlenir; bu kavramsal olarak $3Fe^{2+} \rightarrow 2Fe^{3+} + V_{Fe}$ şeklinde gösterilir. Bu, uzun menzilli düzeni etkileyen kusur kompleksleri oluşturarak, boşluklar etrafında kümelenmiş hem iki değerlikli hem de üç değerlikli demir katyonlarını içeren bir yapı ile sonuçlanır.^[19]

Bu yapısal kusurlar vüstitin fiziksel özelliklerini derinden etkiler. $Fe^{2+} / Fe^{3+}$ çiftlerinin varlığı, yük taşıyıcıların (deşiklerin) demir bölgeleri arasında göç ettiği küçük polaron sıçraması yoluyla elektriksel iletimi mümkün kılar ve vüstiti, varsayımsal stokiyometrik forma kıyasla gelişmiş iletkenliğe sahip p-tipi bir yarı iletken haline getirir.^[20] Ek olarak, katyon boşlukları genel yoğunluğu ideal bir $FeO$ kristalinin altına düşürür ve tipik stokiyometrik olmayan bileşimler için ölçülen değerler yaklaşık 5,75 g/cm³ civarındadır.^[21]

Fe-O sisteminin faz diyagramında, vüstit termodinamik olarak yalnızca yaklaşık 575 °C’nin üzerinde kararlıdır; burada stokiyometrik olmayan faz alanı demir metali ve daha yüksek oksitler arasında bulunur; bu sıcaklığın altında demir ve $Fe_{3}O_{4}$’e ayrışır, ancak hızla soğutulmuş örnekler oda sıcaklığında yarı kararlı kalır.^[22] Vüstit minerali, onu ilk kez sentezleyen ve doğal ve yapay demir oksit sistemlerindeki belirgin stokiyometrik olmayan karakterini tanıyan Alman metalürji uzmanı Fritz Wüst’ün (1860–1938) adını almıştır.^[13]

Hazırlama

Laboratuvar sentezi

Demir(II) oksit, laboratuvarda, oksidasyonu önlemek için inert bir atmosfer altında demir(II) oksalat dihidratın termal bozunması yoluyla sentezlenebilir. Reaksiyon metalik demir ve manyetite orantısızlaşmayı önlemek için hızlı soğutma üzerine siyah FeO verir. Bu yöntem, bir kuvars kapta 600–800 °C civarındaki sıcaklıklarda bir CO₂ veya nitrojen akışında gerçekleştirildiğinde nispeten saf örnekler üretir.^[23]^[24]

$$ \text{FeC}_2\text{O}_4 \cdot 2\text{H}_2\text{O} \stackrel{600-800^\circ\text{C}}{\longrightarrow} \text{FeO} + \text{CO} + \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O} $$

Başka bir yaklaşım, daha fazla oksidasyon meydana gelmeden önce bir FeO yüzey katmanı oluşturmak için ince demir tozunun veya telinin sınırlı bir oksijen ortamında, tipik olarak 400–600 °C gibi yüksek sıcaklıklarda ısıtılmasıyla metalik demirin kontrollü oksidasyonunu içerir. Bu teknik, işlemi vüstit aşamasında durdurmak için oksijen kısmi basıncının hassas bir şekilde kontrol edilmesini gerektirir; bu genellikle kontrollü bir gaz karışımına sahip bir tüp fırında elde edilir.^[25]

Yaygın bir yöntem, hematit (Fe₂O₃) veya manyetit (Fe₃O₄) gibi daha yüksek demir oksitlerin, inert bir atmosfer altında 400–600 °C sıcaklıklarda hidrojen (H₂) veya karbon monoksit (CO) kullanılarak kontrollü indirgenmesidir. Reaksiyon kademeli olarak ilerler: $Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2FeO + 3H_2O$ veya $Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2FeO + 3CO_2$; koşullar (örneğin, düşük indirgeyici gaz kısmi basıncı), FeO aşamasında duracak ve metalik demire daha fazla indirgenmeyi önleyecek şekilde ayarlanır.^[26]^[25]

Stokiyometrik FeO elde etmek için yüksek basınçlı bir yöntem, 770 °C’de ve 36 kbar’ı aşan basınçlarda fazla metalik demir ile stokiyometrik olmayan $Fe_{0.95}O$’nun ısıtılmasını içerir; bu, tam 1:1 Fe:O oranına ulaşmak için demirin kafes içine difüzyonu ile sonuçlanır. Piston-silindir aparatında ilk kez gösterilen bu sentez, ortam basıncındaki FeO’daki doğal katyon boşluklarını giderir.^[27]

Laboratuvarda sentezlenen FeO’nun saflaştırılması genellikle, örneğin bir hidrojen akışında 500–700 °C’de ısıtılmasıyla $Fe_3O_4$ gibi daha yüksek demir oksit izlerini ortadan kaldırmak için hidrojen indirgemesini içerir; bu işlem manyetizi seçici olarak demire daha fazla indirgemeden vüstite geri indirger. Düşük basınç altında vakum damıtma da uçucu safsızlıkları veya adsorbe edilmiş türleri giderebilir, ancak FeO’nun düşük uçuculuğu nedeniyle daha az yaygındır ve tipik olarak sentez sonrası ısıtmada uygulanır.^[28]

Endüstriyel üretim

Yaygın olarak vüstit olarak adlandırılan Demir(II) oksit, çelik yapımı için yüksek fırınlarda demir cevherinin indirgenmesi sırasında bir ara yan ürün olarak birincil olarak endüstriyel ölçekte üretilir. Bu süreçte, başta hematit (Fe₂O₃) olmak üzere demir cevheri, kok yanmasından üretilen karbon monoksit (CO) ve hidrojen (H₂) gazları ile kademeli indirgenmeye uğrar. Sıralama, üst fırında hematitten manyetite (Fe₃O₄), ardından orta ila alt bölgelerde yaklaşık 900–1200°C sıcaklıklarda vüstite (FeO) ve son olarak metalik demire indirgenmeye doğru ilerler. Vüstit oluşumu, $Fe_3O_4 + CO \rightarrow 3FeO + CO_2$ gibi reaksiyonlar yoluyla gerçekleşir ve malzeme, indirgenebilirliğini artıran katyon boşlukları nedeniyle stokiyometrik olmama durumu ($Fe_{1-x}O$, burada 0,05 < x < 0,16) sergiler.^[29]^[30]

Alternatif bir yöntem, manyetit veya hematit gibi daha yüksek oksitlere ilerlemeden seçici olarak vüstit oluşturmak için sünger demirin (doğrudan indirgenmiş demir) veya ince demir tozunun kontrollü atmosferlerde kısmi oksidasyonunu içerir. Bu, FeO fazını dengede kararlı hale getirmek için oksijen kısmi basıncının düşük tutulduğu buhar veya CO₂ gibi sınırlı oksitleyici ajanlar kullanılarak 570°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda elde edilir. Örneğin, enerji depolama veya sentez gazı üretimi için gösterim ölçekli reaktörlerde, artık vüstit fazları içeren ticari demir peletleri kullanılarak, stokiyometrik gereksinimin 5-6 katı CO₂ akış hızları ile %90’a kadar oksidasyon derecelerine ulaşılabilir.^[31]

Tüm bu süreçlerde, elde edilen demir(II) oksit tipik olarak değişken oksijen içeriğine ($Fe_{0.84}O$ ila $Fe_{0.95}O$) sahip stokiyometrik olmayan yapıdadır ve ham maddelerden kaynaklanan silika veya alümina gibi safsızlıklar içerir; %85–95 FeO saflığına ulaşır. Ekonomik nedenlerden dolayı genellikle saflaştırılmadan doğrudan kullanılır; yüksek fırın ara ürünlerinde cevher girdisine dayalı olarak teorik sınırlara yaklaşan verimler elde edilirken, tuz bazlı yöntemler demir tuzu dönüşümüne dayalı olarak %70-80 verim sağlar. Daha yüksek saflıktaki varyantlar ölçeklendirilmiş laboratuvar tekniklerine atıfta bulunabilir ancak yüksek hacimli üretimde standart değildir.^[30]^[29]

Reaksiyonlar

Termal kararlılık ve bozunma

Vüstit (FeO) olarak da bilinen Demir(II) oksit, termodinamik olarak yaklaşık 570 °C’nin altında kararsızdır ve aşağıdaki reaksiyon yoluyla orantısızlaşmaya uğrar:

$$4\text{FeO} \rightarrow \text{Fe} + \text{Fe}_3\text{O}_4$$

^[30] Bu süreç ötektoid olarak gerçekleşir ve bir demir ve manyetit karışımı oluşturur, ancak faz, ortam koşullarında kendiliğinden bozunmayı engelleyen yavaş kinetik nedeniyle oda sıcaklığında su verilerek (hızla soğutularak) saklanabilir ve yarı kararlı kalır.^[32]^[33]

Katı FeO’nun standart oluşum entalpisi $\Delta H_f^\circ = -272 \, \text{kJ/mol}$ olup, elementlerden sentezinde orta derecede ekzotermiklik gösterir ancak $Fe_3O_4$ gibi daha kararlı demir oksitlere kıyasla orantısızlaşma eğilimini vurgular.^[34]

Vüstitin bozunma kinetiği difüzyon kontrollüdür; 823 K’ye kadar ısıtma sırasında yaklaşık 33 kJ/mol aktivasyon enerjisine sahiptir ve bu noktanın ötesinde vüstit fazına rejenerasyon termodinamik olarak tercih edilir hale gelir.^[35]

Yüksek basınç altında vüstit, yaklaşık 100 GPa ve 300 K’de kübik kaya tuzu (B1) yapısından altıgen NiAs tipi (B8) yapıya geçerek metalik davranışa doğru bir kayma gösterir.^[36]

Redoks reaksiyonları

Demir(II) oksit, oksijen varlığında manyetit oluşturmak üzere oksidasyona uğrar. Bu süreç, Fe(II)’nin kısmi olarak karışık bir Fe(II)/Fe(III) durumuna oksidasyonunu içerir ve vüstitin (FeO) kararlı olduğu 570 °C’nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda termodinamik olarak elverişlidir.^[37]^[26]

$$6\text{FeO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{Fe}_3\text{O}_4$$

Demir(II) oksitin indirgenmesi, hidrojen gazı kullanılarak elde edilebilir. Bu reaksiyon ekzotermiktir ve demir üretimi için doğrudan indirgeme işlemlerinde yaygın olarak kullanılır; kinetik, hidrojen atmosferleri altında 800–1000 °C civarındaki sıcaklıklarda artar.^[38]^[26]

$$\text{FeO} + \text{H}_2 \rightarrow \text{Fe} + \text{H}_2\text{O}$$

Metalürjik uygulamalarda karbon monoksit, $\text{FeO} + \text{CO} \rightarrow \text{Fe} + \text{CO}_2$ yoluyla alternatif bir indirgeyici olarak hizmet eder ve yüksek fırınlarda demir ekstraksiyonunu kolaylaştırır.^[30]

Demir(II) oksit, klor gibi halojenlerle reaksiyona girerek demir(II) klorür ve oksijen üretir. Bu redoks reaksiyonu yüksek sıcaklıklarda ilerler ve halojenlerin okside karşı oksitleyici gücünü göstererek $Cl_2$’yi $FeCl_2$’ye indirgerken oksijeni serbest bırakır.^[39]

$$2\text{FeO} + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{FeCl}_2 + \text{O}_2$$

Elektrokimyasal bağlamlarda, FeO’dan demir(II)’nin indirgenmesi, standart hidrojen elektroduna karşı -0.44 V olan Fe²⁺/Fe çiftinin standart indirgeme potansiyeli ile ilgilidir.^[40] Bu değer, FeO’nun metalik demire indirgenmesinin yeterince negatif bir potansiyel gerektirdiğini gösterir ve bu da oksitten türetilen çözünmüş Fe²⁺ türlerini içeren elektrolitik süreçlerdeki veya korozyon senaryolarındaki davranışını etkiler.

Demir(II) oksidi içeren redoks reaksiyonlarının kinetiği, parçacık boyutu ve atmosferik koşullardan etkilenir. Daha küçük parçacıklar, artan yüzey alanı nedeniyle daha yüksek başlangıç oksidasyon oranları sergiler; oksijene maruz kalma sırasında 40 nm’nin altındaki boyutlar için üstel artış gözlenir.^[41] Hidrojen ile indirgeme oranları da benzer şekilde, difüzyon ve yüzey reaktivitesinin rolünü vurgulayarak, karışık gazların aksine daha ince parçacıklarda ve saf H₂ atmosferlerinde hızlanır.^[42]

Bulunuş

Dünya’nın iç kısımlarında

Demir(II) oksit, birincil olarak ferroperiklaz ((Mg,Fe)O) formunda, Dünya’nın alt mantosunun hacminin yaklaşık %20’sini oluşturur ve bridgmanitten sonra en bol bulunan ikinci mineral fazı olur.^[43] Bu katı çözelti, yerel redoks koşullarına ve yığın bileşimine bağlı olarak tipik olarak %10 ila 25 mol arasında değişen demir içeriği ile iki değerlikli Fe²⁺ durumundaki demiri içerir.^[44] Manto bileşiminin pirolitik modellerinde, ferroperiklaz silikat fazlarının yanında önemli bir oksit bileşeni oluşturarak yaklaşık 660 km’den 2900 km derinliğe kadar olan bölgenin genel yoğunluğunu ve mineralojisini etkiler.^[45]

Ferroperiklaz, alt mantoda aşırı yüksek basınç ve indirgeyici koşullar altında, üst manto silikatlarının, örneğin batma sırasında ringwoodite gibi sulu fazların dehidrasyonu veya kısmi erimesi gibi denge dönüşümü yoluyla oluşur.^[46] 23 GPa’yı aşan basınçlar ve 1500–2500 °C civarındaki sıcaklıklarla karakterize edilen bu koşullar, demir ve magnezyumun silikon içeren minerallerden ayrı olarak oksit fazına ayrılmasını destekler.^[47] Mantonun yığın bileşiminden kaynaklanan düşük oksijen fugasitesi ile korunan indirgeyici ortam, Fe²⁺’nin daha yüksek oksidasyon durumlarına baskın olmasını sağlayarak, faz kararlılığını değiştirecek ferrik formlara dahil olmayı önler.^[48]

Ferroperiklazın alt mantodaki kararlılığı, daha düşük basınçlarda gözlenen bozunmayı veya faz geçişlerini baskılayan gigapascal seviyesindeki basınçlarla uzatılır; örneğin, saf FeO (vüstit) ortam basıncında yalnızca yaklaşık 570 °C’nin üzerinde kararlıdır, ancak manto koşulları kaya tuzu yapısını çok daha geniş sıcaklık aralıklarında kararlı hale getirir.^[49] Bu kalıcılık, B1 kaya tuzu yapısının (basınç altında küçük bozulmalarla birlikte) genel topluluğu bozmadan değişken demir içeriğini barındırması nedeniyle derin manto dinamiklerindeki rolüne katkıda bulunur.^[49]

Jeofiziksel olarak ferroperiklaz, elektriksel iletkenliğe ve sismik dalga yayılımına katkılarıyla alt manto modellerini etkiler. Mineralin demir içeriği, saf MgO’ya kıyasla elektriksel iletkenliği potansiyel olarak birkaç kat artırır; bu da jeomanyetik alan varyasyonlarında gözlemlenen anormallikleri açıklamaya yardımcı olur ve çekirdek-manto sınırı etkileşimleri modellerini destekler.^[50] Ek olarak, Fe²⁺’nin orta manto derinliklerinde (yaklaşık 1000–2000 km) yüksek spinden düşük spin durumlarına geçişi, yoğunluk ve elastikiyette ince değişikliklere neden olarak, manto konveksiyonunun ve batan levhaların tomografik görüntülerini iyileştiren saptanabilir heterojenlikler üretir.^[51]

Göktaşlarında ve diğer dünya dışı materyallerde

Genellikle vüstit (FeO) olarak bilinen Demir(II) oksit, çeşitli göktaşlarında, oluşum veya değişim sırasındaki oksidasyon süreçlerinden kaynaklanan küçük bir faz olarak bulunur. Akebulake göktaşı gibi Aletai saçılma alanındaki demir göktaşlarında vüstit, demir-vüstit (IW) oksijen fugasitesi tamponuna yakın indirgeyici koşullar altında oluşan, doğal demir ve diğer oksitlerle ilişkili bir mineral olarak tanımlanır.^[13] Kondritik göktaşlarında, özellikle CR kondritlerinde, vüstit matriste ferrolizardit ve sülfürlerin yanında nadir bir demir oksit fazı olarak görünür ve ana cisimdeki lokalize oksidasyonu gösterir.^[52] Bu oluşumlar, genellikle hızlı soğuma veya düşük sıcaklık ortamları nedeniyle yarı kararlı ve korunmuş olan, dünya dışı materyallerdeki bir oksidasyon ürünü olarak vüstitin rolünü vurgular.

Göktaşlarının ötesinde vüstit, spektroskopik ve jeokimyasal analizlere dayanarak Mars ve Ay gibi gezegen cisimlerinin iç kısımlarında da var olduğu düşünülmektedir. Ay için, volkanik camlardan ve bazaltlardan elde edilen manto oksijen fugasitesi tahminleri, koşulları IW tamponunun yaklaşık 1 log birimi altına, vüstitin kararlılık alanına yerleştirir ve bu da derin ay silikatlarında potansiyel varlığını düşündürür.^[53] Mars’ta, çekirdek-manto farklılaşma modelleri, IW tamponundan biraz daha oksitleyici oksijen fugasitelerini gösterir; bu, erken toplanma sırasında vüstit oluşumuyla tutarlıdır, ancak doğrudan tespit, meteoritik analoglardan ve yüzey kaynaklı malzemelerde demir oksit imzalarını gösteren yörünge spektroskopisinden çıkarılan redoks durumlarına dayanır.^[54]

Yıldız ortamlarında, demir(II) oksit süpernova kalıntıları ve yıldız çevresi zarflarında toz oluşumuna katkıda bulunur. Evrimleşmiş yıldızlardan ve süpernova kalıntılarından gelen kızılötesi spektrumlardaki 21 μm emisyon özelliğinin gözlemleri, muhtemelen oksijen bakımından zengin ortamlarda soğuyan gazdan yoğunlaşan FeO nanopartiküllerinin varlığını göstermektedir.^[55] Gezegenimsi bulutsularda, benzer oksit taneleri gaz fazı yoğunlaşması yoluyla oluşabilir ve yıldızlararası ortam tozunu demir oksitlerle zenginleştirebilir.^[56]

2020’lerde yapılan son çalışmalar, vüstitin dış gezegen modellerindeki özelliklerini, özellikle de yüksek basınç, yüksek sıcaklık koşulları altındaki elektriksel iletkenliğini araştırmıştır. Erimiş demir oksitler üzerindeki deneyler, indirgeyici koşullar altında FeO5 ve FeO4 birimlerinde iki değerlikli demirin baskın olduğu redoks’a bağlı yapısal varyasyonları ortaya koymaktadır; bu da, vüstit benzeri fazların manto konveksiyonunu ve manyetik alan üretimini etkilediği kayalık dış gezegenlerdeki iç dinamik modellerini bilgilendirir.^[57]

Kullanım Alanları

Pigment olarak

Siyah kristal formuyla bilinen Demir(II) oksit, çeşitli sanatsal ve endüstriyel uygulamalarda, özellikle seramiklerde indirgeme fırınlamaları sırasında dayanıklı siyah tonlar ürettiği kararlı bir siyah pigment olarak hizmet eder.^[58] Ayrıca derin siyah tonlar elde etmek için cam renklendirmede ve kalıcılığı ve solmaya karşı direnci nedeniyle boyalarda kullanılır.^[59] Bu özellikler, yüksek sıcaklıktaki işlemlerdeki güçlü akışkanlaştırıcı etkisinden kaynaklanır ve malzeme bütünlüğünden ödün vermeden renk kararlılığını artırır.^[60]

Tarihsel olarak, ferroz formları da dahil olmak üzere siyah demir oksit, çeşitli medeniyetlerden kalma antik eserlerin kanıtladığı gibi, seramikler üzerinde kalıcı siyah süslemeler oluşturmak için çömlek sırlarında antik çağlardan beri kullanılmıştır.^[59] Bu uzun süreli uygulama, geleneksel zanaat tekniklerinde bir pigment olarak güvenilirliğinin altını çizer.

Sentetik demir oksitler, güvenlik profilleri ve sertifikasyon gerekliliklerinden muaf olmaları nedeniyle göz çevresine uygulananlar da dahil olmak üzere kozmetiklerde kullanım için renk katkı maddeleri olarak FDA onaylıdır; demir(II) oksit bazı kozmetik formülasyonlarda kullanılır.^[61] Kalıcı makyajda renk kararlılığı ve biyouyumluluk sunarak siyah pigmentasyon için dövme mürekkeplerinde uygulama alanı bulur.^[7] Demir oksitlere, belirli ilaç formülasyonlarında pigment olarak farmasötiklerde de izin verilir.^[62]

Çeşitli tonlar elde etmek için demir(II) oksit genellikle kırmızı (Fe₂O₃) veya sarı (FeOOH) gibi diğer demir oksitlerle harmanlanır; bu, pigment formülasyonlarında saf siyahtan nüanslı kahverengilere kadar özelleştirilebilir tonlara izin verir.^[63] Bu karıştırma, boyalar ve sırlar gibi uygulamalarda renk tonu üzerinde hassas kontrol sağlar.^[64]

Çevresel ve diğer uygulamalarda

Katalizde, demir(II) oksit, hidrojen atmosferleri altında metalik demire indirgendiği Fischer-Tropsch sentezindeki demir bazlı katalizörler için bir öncü görevi görür; alkali metallerle desteklendiğinde daha uzun zincirli ürünleri tercih eden seçiciliklerle sentez gazının (CO ve H₂) hidrokarbonlara dönüşümünü kolaylaştırır.^[65] İndirgeme yolu tipik olarak FeO yoluyla daha yüksek oksitlerden aktif metalik fazlara ilerler ve yakıtların ve kimyasalların endüstriyel ölçekte üretilmesini sağlar.^[66]

Demir(II) oksit, demir-hava pillerinde bir bileşen olarak enerji depolamada umut vaat etmektedir; burada Fe ve FeO arasındaki tersinir redoks, anot reaksiyonuna katkıda bulunarak, katı hal konfigürasyonlarında 1.000 Wh/kg civarında teorik enerji yoğunlukları ve %80’i aşan döngü verimlilikleri ile uzun süreli deşarj döngülerini destekler.^[67] Bu durum, bol miktarda hammadde ve minimum çevresel etki nedeniyle onu şebeke ölçeğinde yenilenebilir enerji depolaması için düşük maliyetli, sürdürülebilir bir seçenek olarak konumlandırır.^[68]

Demir(II) oksit için kullanım önlemleri, malzeme yanıcı olduğundan ve özellikle ince bölünmüş formlarda havada kendiliğinden tutuşabileceğinden (200 °C’nin üzerinde yanabilirlik riskleri artar) tutuşturucu kaynaklardan kaçınmayı içerir.^[69] Avrupa Kimyasallar Ajansı, REACH kapsamında bunu belirli tehlikeler olmadan sınıflandırır, ancak soluma veya cilt temasını önlemek için toz kontrolü ve kişisel koruyucu ekipman önerir.^[70]