Differential thermal study of FeO and Fe₃O₄

Abstract

Two batches of wüstite were produced from a stoichiometric mixture of Fe and Fe₂O₃ by sealing in steel tubes in vacuum and helium, respectively, and igniting the first tube at 1300° for 21 hours and the second one at 1200° for 34 hours. There were two exothermic peaks on the DTA curves of both samples at 345 and 545 to 700° due to surface oxidation of FeO to Fe₃O₄ followed by bulk oxidation of FeO to Fe₃O₄ and of Fe₃O₄ toα-Fe₂O₃. The last two reactions gave rise to a dual (or twin) peak for coarse material but one peak in the case of fine material, indicating that the two reactions occurred concurrently for fine material. Similar investigations on both fine and coarse magnetites showed only two exothermic peaks which corresponded to surface and bulk oxidation, respectively. This result confirms the previous observations that coarse magnetite converts toα-Fe₂O₃ by surface oxidation followed by bulk oxidation.

Résumé

On a préparé deux séries de wüstite à partir d'un mélange stoechiometrique de Fe et Fe₂O₃ dans des tubes scellés d'acier sous vide rsp. en hélium. Un tube a été chauffé pendant 21 heures chez 1300° l'autre chez 1200° pendant 34 heures. On observe dans les courbes d'ATD des deux séries d'échantillons deux pics exothermiques chez 345° et de 545° jusqu' à 700° dûs à l'oxydation superficielle de FeO en Fe₃O₄ suivie par l'oxydation de la masse de l'échantillon de FeO en Fe₃O₄ rsp. de Fe₃O4 enα-Fe₂O₃. Les deux réactions dernières donnent pour un produit à gros grains, un pic double, et pour un produit à grains fins un pic simple indiquant que dans le dernier cas deux réactions concurrentes eurent lieu. Pareilles investigations avec magnétite grossière et fine n'ont montré que deux pics exothermiques correspondant à l'oxydation superficielle et dans la masse. Ces resultats confirment les observations antérieures de la transformation de magnétite grossière enα-Fe₂O₃ par oxydation superficielle suivie d'oxydation dans la masse.

Zusammenfassung

Es wurden zwei Serien von Wüstit aus einem stöchiometrischen Gemisch von Fe und Fe₂O₃ in versiegelten Stahlröhren unter Vakuum bzw. Helium durch 21 stündiges Erhitzen bei 1300° bzw. 34 Stunden bei 1200° dargestellt. Die DTA-Kurve wies bei beiden Proben zwei exothermische Spitzen auf, bei 345° bzw. bei 545° bis 700° auf, die der oberflächlichen Oxydation von FeO zu Fe₃O₄ bzw. der vollständigen Oxydation von FeO zu Fe₃O₄ bzw. Fe₃O₄ zuα-Fe₂O₃ entsprechen. Die beiden letzten Reaktionen verursachten eine Zwillingsspitze im Fall von grobem Material, hingegen eine einzige Spitze bei feinem Material. Diese Reaktionen verlaufen also im letzten Fall gleichzeitig. Ähnliche Versuche mit grobem und feinem Magnetit zeigten nur zwei, der oberflächlichen und massiven Oxydation entsprechenden exothermischen Spitzen. Dieses Ergebnis unterstützt die früheren Beobachtungen, daß grober Magnetit durch oberflächliche und darauffolgende vollständige Oxydation inα-Fe₂O₃ überght.

Резюме

Получены две партии в устита из стехиоме трической смеси Fe и Fe₂O₃ в закрытых трубках из нержавеющ ей стали в вакууме и в а тмосфере гелия. Соответственн о, первая трубка нагрев алась при температур е 1300° в течение 21 ч., а вторая — п ри 1200° в течение 34 ч. Наблюдалос ь два экзотермически х пика на кривой ДТА обоих обра зцов при температуре 345° и в обла сти температур 545–700°, в результате поверхно стного окисления FeO в Fe₃O₄ и Fe₃O₄ вα-Fe₂O₃. Последни е две реакции дали двойной пик в случае грубого вещества, и од ин для тонкоизмельче нного вещества. Полученные данные указывают на то, что эти две реакц ии конкурируют в случ ае тонкоизмельченного вещества. Исследован как тонко измельченный, так и гр убый магнетит и получено т олько два экзотермич еских пика, соответствующи х поверхностному и вн утреннему окислению. Этот результат подтвержд ает предварительное наблюдение, что грубый магнетит п ереходит вα-Fe₂O₃ в результате пове рхностного окислени я, которое сопровождае тся его внутренним окислением.