Hierro

eso	AN	Período	MD	Ed	PD
eso	AN	Período	MD	MeV	PD
⁵⁴Fe	5,8%	estable con 28 Neutróns
⁵⁵Fe	sint.	2.73 la	ε	0,231	⁵⁵Mn
⁵⁶Fe	91,72%	estable con 30 Neutróns
⁵⁷Fe	2,119%	estable con 31 Neutróns
⁵⁸Fe	0,282%	estable con 32 Neutróns
⁵⁹Fe	sint.	44,503 d	β	1,565	⁵⁹Con el
⁶⁰Fe	sint.	1,5 × 10⁶ la	β^-	3,978	⁶⁰Con el

Nota: unidades segundo el SÍ y en CNPT, salvo indicación contraria.

El hierro (del latí ferrum) es un elemento químico, símbolo Fe, de número atómico 26 (26 protóns y 26 electrones ) y masa atómica 56 u. La temperatura ambiente, el hierro se encuentra en estado sólido.

El hierro en las rocas torna rojo el río.

ES extraído de la naturaleza bajo la forma de mineral de hierro que, después de distintos procesos de transformación, es usado en la forma de lingotes. Si se adiciona carbono se da origen a varias formas de acero .

Este metal de transición se encuentra en el grupo 8B de la Clasificación Periódica de los Elementos. ES el cuarto elemento más abundante de la codia terrestre (aproximadamente 5%) y, entre los metales, solamente el aluminio es más abundante. También es uno de los elementos más abundantes del Universo. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel (NiFe), generando un campo magnético.

El hierro fue historicamente importante, y un período de la historia recibió el nombre de Edad del Hierro.

Actualmente es utilizado para la fabricación de herramientas, máquinas, vehículos de transporte (automóbeis, navios, etc.), como elemento estrutural de puentes, edificios, e infinidad de otras aplicaciones.

Índice

1 Características principales
2 Aplicaciones
3 Historia
4 Abundancia y obtención
5 Compuestos
6 Papel biológico
7 Isótopos
8 Se vea también
- 8.1 Otros artículos
- 8.2 Ligazóns externas

Características principales

ES un metal maleable, tenaz, de coloración ceniza prateada presentando propiedades magnéticas: es ferromagnético la temperatura ambiente.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de diversos minerais, entre ellos muchos óxidos y raramente se encuentra en estado libre. Para obtener hierro en estado elemento, los óxidos son reducidos con carbono, y ya son submetidos a un proceso de refinación para retirar las impurezas presentes.

Fundamentalmente es empleado en la producción de aceros, que son aliaxes metálicas de hierro con otros elementos, tanto metálicos como no metálicos, que confieren propiedades distintas al material. Se denomina acero cuando contiene menos de 2% de carbono ; si la percentaxe es mayor recibe la denominación de fundición .

ES el elemento más pesado que se produce exotermicamente por fusión, y el más leve producido por fisión, debido al hecho tener su núcleo a más alta energía de ligación por nucleón, que es la energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón. Por lo tanto, el núcleo más estable es lo del hierro-56.

Presenta diferentes me las fuere estruturais dependiendo de la temperatura:

Hierro α: es lo que se encuentra la temperatura ambiente, incluso los 788 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo y es ferromagnético.
Hierro β: 788 °C - 910 °C. Tiene el mismo sistema cristalino que lo α, sin embargo la temperatura de Curie es de 770 °C, y pasa a ser paramagnético.
Hierro γ: 910 °C - 1400 °C. Presenta una red cúbica centrada en las faces.
Hierro δ: 1400 °C - 1539 °C. Presenta una red cúbica centrada en el cuerpo.

Aplicaciones

El hierro es el metal más usado, con un 95% en peso de la producción mundial de metal. ES indispensable debido a su bajo precio y dureza , especialmente empleado en automóbeis, barcos y componentes estruturais de edificios.

El acero es la forma más conocida, y su uso más frecuente. Las aliaxes férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición y del tratamiento que se aplique.

Los aceros son ligas metálicas de hierro y carbono con concentraciones máximas de 2,2% en peso de carbono, aproximadamente. El carbono es el elemento de ligación principal, sin embargo los aceros contienen otros elementos. Dependiendo de su contenido en carbono son clasificados en:
- Acero bajo en carbono. Contiene menos de 0,25% de carbono en peso. Se utiliza en vehículos, tubulacións, elementos estruturais y otros. También existen los aceros de alta resistencia con baja liga de carbono, mientras tanto, contienen otros elementos, incluso unos 10% en peso; presentan una mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados facilmente.
- Acero medio en carbono: entre 0,25% y 0,6% de carbono en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados termicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles, siendo empleados en piezas de enxeñaría que requeren una alta resistencia mecánica y al desgaste.
- Acero alto en carbono: entre 0,60% y 1,4% de carbono en peso. Son los más resistentes pero los menos dúctiles. Adiciónanse otros elementos para que formen carbonatos, como por ejemplo, formando el carbonato de volframio, WC, cuando es adicionado a la liga el volframio. Estos carbonatos son más duros y dan aceros utilizados principalmente para la fabricación de herramientas.

Uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad. Existen una serie de aceros a los cuales se adicionan otros elementos ligantes, principalmente el cromo, para que se tornen más resistentes a la corrosión. Son los llamados aceros inoxidabeis.
Cuando el contenido de carbono es superior a 2,1% en peso, la aliaxe metálica es denominada fundición. Estas presentan, en general, entre lo 3% y el 4,5% de carbono en peso. Existen diversos tipos de fundicións: ceniza, esferoidal, blanca y maleable. Dependiendo del tipo posee diferentes aplicaciones: en motores, válvulas, engrenaxes y otras.
Por otro lado, los óxidos de hierro presentan variadas aplicaciones: en pinturas, obtención de hierro, y otras. La magnetita (Fe₃El₄) y el óxido de hierro III (Fe₂El₃) tienen aplicaciones magnéticas.

Historia

Pieza de hierro de la Edad del Hierro

Hay indicios del uso de hierro, seguro procedente de meteoritos , cuatro milenios la. C., por los sumerios y exipcios .

Entre dos y tres milenios antes de Cristo fueron apareciendo cada vez más obxetos de hierro (que se distingue del hierro proveninte de los meteoritos por la ausencia de níquel ) en la Mesopotamia , Anatolia y Exipto . Mientras tanto, su uso parece ser ceremonial, por ser un metal muy caro, más que el oro. Algunas fuentes sugieren que tal vez era obtenido como subproduto de la obtención del cobre. Entre 1600 y 1200 la.C., se observa un aumento de su uso en el Oriente Medio, sin embargo no fue usado para substituir el bronce.

Entre los siglos XII y X antes de Cristo, ocurrió una rápida transición en el Oriente Medio en el relevo de las armas de bronce por las de hierro. Esta rápida transición tal vez haya ocurrido debido la una escasez de estaño o la una melloría en la tecnología del trabajo con el hierro. Este período, que ocurrió en diferentes ocasiones segundo el lugar, se denominó Edad del Hierro, sustituyendo la Edad del bronce. En Grecia se inició en torno del año 1000 la. C., y no llegó a la Europa occidental antes del siglo VII la.C. El relevo del bronce polo hierro fue paulatina, pues era difícil producir piezas de hierro: localizar el mineral, extraerlo, proceder su fundición a temperaturas altas y después forjarlo.

En la Europa central, surgió en el siglo IX la. C. la "cultura de Hallstatt" sustituyendo a la "cultura de los campos de urnas", que se denominó "Primera Edad del Hierro", pues coincide con la introducción del uso de este metal. Cara el año 450 la.C., tuvo lugar el desarrollo de la "cultura de la Tène", también denominada "Segunda Edad del Hierro". El hierro era usado en herramientas, armas y joyas, aunque siguen encontrándose objetos de bronce.

Junto con esta transición de bronce al hierro se descubrió el proceso de "carburazción", que consiste en adicionar carbono al hierro. El hierro era obtenido misturado con la escoria conteniendo carbono o carbonatos, y era forjado retirándose la escoria y oxidando el carbono, creándose así el producto ya con una forma. Este hierro contenía una cantidad de carbono muy baja, no siendo posible endurecelo con facilidad al esfrialo en agua. Se observó que se podia obtener un producto mucho más resistente aquecendo la pieza de hierro forjado en un lecho de carbón vexetal, para entonces submerxelo en agua o aceite . El producto resultante presenta una capa superficial de acero, y era más duro y menos frágil que el bronce.

En China, el primero hierro utilizado también era proveninte de los meteoritos. Fueron encontrados objetos de hierro forjado en el noroeste, perto de Xinxiang, del siglo VIII la. C. El procedimiento utilizado era el incluso que el usado en el Oriente Medio y en Europa.

Nos últimos años de la Dinastía Zhou (550 la. C.), en China, conseguíuse obtener un producto resultante de la fusión del hierro (hierro fundido). El mineral encontrado allí presentaba un alto contenido de fósforo , con el cuál era fundido en temperaturas menores que las aplicadas en Europa y otros lugares. Todavía, durante mucho tiempo, incluso a Dinastía Qing (221 la. C.), el proceso no tuvo una gran repercusión.

El hierro fundido llevó más tiempo para ser obtenido en Europa, pues no se conseguía la temperatura necesaria. Algunas de las primeras muestras fueron encontradas en Suecia, en Lapphyttan y Vinarhyttan, de 1150 a 1350 d. C.

En la Edad Media, y hasta finales del siglo XIX, muchos países europeos empleaban como método siderúrxico a "farga catalana". Se obtenía hierro y acero de bajo contenido en carbono empleando carbón vexetal y mineral de hierro. Este sistema ya estaba implantado en el siglo XV, consiguiéndose obtener temperaturas de incluso 1.200 °C. Este procedimento fue sustituido polo empleo de altos nos fuere.

En un principio se usaba carbón vexetal para la obtención de hierro como fuente de calor y como agente redutor. En el siglo XVIII, en Inglaterra, el carbón vexetal comenzó a escasear y tornarse caro, iniciándose la utilización del coque, un combustíbel fósil, como alternativa. Fue utilizado por la primera vez por Abraham Darby, en el ínicio del siglo XVIII, construyendo en Coalbrookdale un "alto forno". Incluso así, el coque sólo fue empleado cómo fuente de energía en la Revolución industrial. En este período a demanda fue tornándose cada vez mayor debido su utilización.

El alto forno fue evoluíndo al largo de los años. Henry Cort, en 1784, aplicó nuevas técnicas que mejoraron la producción. En 1826 el alemán Friedrich Harkot construyó un alto forno sin cachotería para humos.

La fines del siglo XVIII e inicio del siglo XIX se comenzó a emplear amplamente el hierro como elemento estrutural en puentes, edificios y otros. Entre 1776 y 1779 construíuse a primera ponte de hierro fundido por John Wilkinson y Abraham Darby.

En Inglaterra fue empleado por la primera vez el hierro en la construcción de edificios por Mathew Boulton y James Watt, en el principio del siglo XIX. También son conocidas otras obras de este siglo, como como por ejemplo, el "Palacio de Cristal" construido para la Exposición Universal de 1851 en Londres, del arquitecto Joseph Paxton, que tiene una armación de hierro, o la Torre Eiffel, en París, construida en 1889 para la Exposición Universal, donde fueron utilizadas millares de toneladas de hierro.

Abundancia y obtención

ES el metal de transición más abundante de la codia terrestre, y cuarto de todos los elementos. También abunda en el Universo, habiéndose encontrado meteoritos que contienen este elemento. El hierro es encontrado en numerosos minerais, destacando la hematita (Fe₂El₃), a magnetita (Fe₃El₄), a limonita (FEO(OH)), a siderita (FeCO₃), a pirita (FES₂) y la ilmenita (FeTiO₃).

Se pode obtener el hierro a partir de los óxidos con mayor o menor teor de impurezas. Muchos de los minerais de hierro son óxidos.

La reducción de los óxidos para la obtención del hierro es efectuada en nos fuere denominados alto forno. En él son adicionados los minerais de hierro, en presencia de coque , y carbonato de calcio, CaCO₃ , que actúa como escorificante.

En alto forno ocurren las siguientes reacciones:

Formación de gases (óxidos de carbono): el coque reacciona con el oxígeno produciendo gas carbónico (dióxido de carbono):

C + El₂ → CON El₂

El dióxido de carbono se reduce formando monóxido de carbono:

CON El₂ + C → 2CON El

En un proceso contrario, el monóxido pode oxidarse con oxígeno reproduciendo el gas carbónico:

2CON El + El₂ → 2CON El₂

El proceso de oxidación del coque con oxígeno libera energía. En la parte inferior del alto forno la temperatura pode alcanzar 1.900 °C .

Reducción de los minerais que son óxidos: inicialmente, los óxidos de hierro son reducidos en la parte superior del alto forno, parcial o totalmente, con el monóxido de carbono, ya produciendo hierro metálico. Ejemplo: reducción de la magnetita:

Fe₃El₄ + 3CON El → 3FEO + CON El₂

FEO + CON El → Fe + CON El₂

Posteriormente, en la parte inferior del alto forno, donde la temperatura es más elevada, ocurre la mayor parte de la reducción de los óxidos con el coque (carbono):

Fe₃El₄ + C → 3FEO + CON El

El carbonato de calcio decomponse:

CaCO₃ → CaO + CON El₂

y el dióxido de carbono es reducido con el coque la monóxido de carbono, como ya se vino. En la parte inferior del alto forno ocurre la carburación:

3Fe + 2CON El → Fe₃C + CON El₂

Procesos de enriquecimento: finalmente ocurre la combustión y la desulfuración (eliminación del xofre) debido a la inxeción de aire en alto forno, y por último son separadas las fracións: la escoria del hierro fundido, que es la materia prima empleada en la industria.

El hierro obtenido pode contener muchas impurezas no deseables, siendo necesario submetelo a un proceso de refinación que pode ser realizado en nos fuere llamados convertidores.

En 2000, los cinco mayores países produtores de hierro eran China, Brasil, Australia, Rusia e India, con 70% de la producción mundial.

Compuestos

Los estados de oxidación más comuns son +2 y +3. Los óxidos de hierro más conocidos son el óxido de hierro II, FEO, el óxido de hierro III, Fe₂El₃, y el óxido misto Fe₃El₄. Forma numerosos sais y complejos con estos mismos estados de oxidación. El hexacianoferrato II de hierro III, usado en pinturas, es conocido cómo azul de la Prúsia o azul de Turnbull.
Sano conocidos compuestos de hierro con estados de oxidación +4, +5 y +6, sin embargo son poco comuns. En el ferrato de potásio, K₂FEO₄, usado como oxidante , el hierro presenta estado de oxidación +6. El estado de oxidación +4 es encontrados en pocos compuestos y también en alguns procesos encimáticos.
El Fe₃C es conocido como cementita , contiene 6,67 % en carbono. El hierro α es conocido como ferrita , y la mezcla de ferrita y cementita es denominada perlita o ledeburita, dependiendo del teor de carbono. La austenita es el hierro γ.

Papel biológico

El hierro se encuentra en todos los seres vivos y cumple numerosas y variadas funciones.

Existen diferentes proteínas que contienen el grupo hemo, que consiste en la unión de la porfirina con un átomo de hierro. Algunos ejemplos:
- La hemoglobina y la mioglobina: la primera transporta oxígeno (El₂), y la segunda lo almacena.
- Los citocromos reducen el oxígeno en agua. Los citocromos P450 catalizan a oxidación de compuestos hidrofóbicos, como fármacos o drogas, para que puedan ser excretados, y participan en la síntesis de diversas moléculas.

Ejemplo de centro de una proteína de Fe/S (ferredoxina)

- Las peroxidasas y catalasas catalizan la oxidación de peróxidos, H₂El₂, que son tóxicos.
Las proteínas de hierro/xofre (Fe/S) participan en procesos de transferencia de electrones.
También es posible encontrar proteínas donde los átomos de hierro se enlazan entre sí a través de puentes de oxígeno. Son denominadas proteínas Fe-El-Fe. Algunos ejemplos:
- Las bacterias metanotróficas, que usan el metano, CH₄, como fuente de energía y de carbono, usan proteínas de este tipo, llamadas monoosixenasas, para catalizar la oxidación del metano.
- La hemeritrina transporta oxígeno en algunos organismos marinos.
- Algunas ribonucleótideos redutasas contienen hierro. Catalizan la formación de desoxinucleótidos..

Los animales, para transportar el hierro dentro del cuerpo, emplean proteínas llamadas transferrinas. Para armacenalo emplean la ferritina y la hemosiderina. El hierro entra en el organismo absorbido en el intestino delgado y es transportado y almacenado por esas proteínas. La mayor parte del hierro es reutilizada y un poco es excretado.

Tanto el exceso como la deficiencia de hierro pueden causar problemas en el organismo. El hierro en exceso es tóxico. Reacciona con el peróxido produciendo radicales libres. La reacción más importante es:

Fe (II) + El₂ → Fe (III) + OH^- + OH^·

Cuando el hierro se encuentra en los niveles normales, los mecanismos antioxidadantes del organismo pueden controlar este proceso.

El envelenamento por hierro se llama hemocromatose. El hierro en exceso se acumula en el hígado provocando daños en este órgano. En las transfusións de sangre se usan ligantes que forman con el hierro complejos de alta estabilidad, evitando que ocurra un depósito elevado de hierro libre. Estos ligantes son conocidos como sideróforos. Muchos organismos emplean estos sideróforos para captar el hierro que necesitan.

La dosis letal de hierro en niños de 2 años es de 3 gramos. Un gramo pode provocar un envelenamento importante.

Isótopos

El hierro tiene cuatro isótopos estables naturales: ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe y 58 Fe. Las proporciones relativas de estos isótopos en la naturaleza son aproximadamente: ⁵⁴Fe (5,8%), ⁵⁶Fe (91,7%), ⁵⁷Fe (2,2%) y 58 Fe (0,3% ).