ELEMENTO QUMICO: EL HIERRO (Fe)
IntroduccinElhierroes un elemento qumico de nmero atmico 26
situado en elgrupo8, periodo 4 de la tabla peridica de los
elementos. Su smbolo esFe(del latinferrum) y tiene una masa atmica
de 55,6u. Este metal de transicin es el cuarto elemento ms
abundante en la corteza terrestre, representando un 5%. Es un metal
maleable, decolorgris plateado y presenta propiedades magnticas; es
ferromagntico atemperatura
ambienteypresinatmosfrica.ManganesoHierroCobalto
26Fe
Tabla completaTabla ampliada
Metlico brillante con un tono grisceo
Es uno de los elementos ms importantes delUniverso, y el ncleo
dela Tierraest formado principalmente porhierroy nquel, generando
al moverse un campo magntico. Encosmologa, es un metal muy
especial, pues es el metal ms pesado que puede producir lafusinen
el ncleo de estrellas masivas; los elementos ms pesados que el
hierro solo pueden crearse ensupernovas. Ha sido histricamente muy
importante, y un perodo de lahistoriarecibe el nombre de Edad de
Hierro.
Objetivos Conocer la informacin general del hierro (Fe), adems
de sus principales caractersticas. Conocer el desarrollo cronolgico
de este metal, adems de sus aplicaciones. Ser capaz de entender los
procesos en donde interviene el hierro, dando nfasis en su
aplicacin industrial.Caractersticas y propiedadesInformacin
general
Nombre,smbolo, nmeroHierro, Fe, 26
Serie qumicaMetales de transicin
Grupo,perodo, bloque8,4,d
Masa atmica55,845u
Configuracin electrnica[Ar]3d64s2
Dureza Mohs4,0
Electronespornivel2, 8, 14, 2
Propiedades atmicas
Radio medio140pm
Electronegatividad1,83(Pauling)
Radio atmico(calc)155.8pm(Radio de Bohr)
Radio covalente126pm
Radio de van der WaalsSin datospm
Estado(s) de oxidacin2,3
xidoAnftero
1.Energa de ionizacin762,5kJ/mol
2.Energa de ionizacin1561,9kJ/mol
3.Energa de ionizacin2957kJ/mol
4.Energa de ionizacin5290kJ/mol
Propiedades fsicas
Estado ordinarioSlido(ferromagntico)
Densidad7874kg/m3
Punto de fusin1808K (1535C)
Punto de ebullicin3023K (2750C)
Entalpa de vaporizacin349,6kJ/mol
Entalpa de fusin13,8kJ/mol
Presin de vapor7,05Paa 1808 K
Punto crtico204K (-69C)50Pa
Volumen molar17m3/mol
Varios
Estructura cristalinaCbica centrada en el cuerpo
N CAS7439-89-6
N EINECS231-096-4
Calor especfico440J/(Kkg)
Conductividad elctrica9,93106S/m
Conductividad trmica80,2W/(Km)
Resistencia mxima540MPa
Mdulo elstico200GPa
Mdulo de cizalladuralnms&tbmGPa
Velocidad del sonido4910m/sa 293,15K(20C)
Breve resea del hierroSe tienen indicios de uso del hierro,
cuatro milenios antes de Cristo, por parte de los sumerios y
egipcios.En el segundo y tercer milenio, antes de Cristo, van
apareciendo cada vez ms objetos de hierro (que se distingue del
hierro procedente de meteoritos por la ausencia de nquel)
enMesopotamia,AnatoliayEgipto. Sin embargo, su uso parece ser
ceremonial, siendo un metal muy caro, ms que eloro.
Algunasfuentessugieren que tal vez se obtuviera como subproducto de
la obtencin de cobre.Entre1600a.C.y1200a.C.va aumentando su uso
enOriente Medio, pero no sustituye al predominante uso
delbronce.Entre los siglosXIIa.C.yXa.C.se produce una rpida
transicin en Oriente Medio desde lasarmasde bronce a las de hierro.
Esta rpida transicin tal vez fuera debida a la falta deestao, antes
que a una mejora en latecnologaenel trabajodel hierro. A este
periodo, que se produjo en diferentes fechas segn el lugar, se
denominaEdad de Hierro, sustituyendo a laEdad de Bronce. EnGrecia
comenz a emplearse entornoal ao1000a.C.y no lleg aEuropaoccidental
hasta elsiglo VIIa.C.La sustitucin del bronce por el hierro fue
paulatina, pues era difcil fabricar piezas de hierro: localizar el
mineral, luego fundirlo a temperaturas altas para finalmente
forjarlo.En Europa Central, surgi en elsiglo IXa.C.laculturade
Hallstatt(sustituyendo a lacultura de los campos de urnas, que se
denominaprimera Edad de Hierro, pues coincide con laintroduccinde
este metal.Hacia el450a.C.se desarroll lacultura de La Tne, tambin
denominadasegunda Edad de Hierro. El hierro se usa enherramientas,
armas y joyera, aunque siguen encontrndose objetos de bronce.Hacia
finales delsiglo XVIIIy comienzos delXIXse comenz a emplear
ampliamente el hierro comoelemento estructural(enpuentes,
edificios, etc.). Entre1776a1779se construye el primer puente de
fundicin de hierro, construido por John Wilkinson y Abraham Darby.
EnInglaterrase emplea por primera vez en laconstruccinde edificios,
por Mathew Boulton y James Watt, aprincipiosdel siglo XIX. Tambin
son conocidas otras obras de ese siglo, por ejemplo elPalacio de
Cristalconstruido para laExposicinUniversalde1851en Londres, del
arquitecto Joseph Paxton, que tiene un armazn de hierro, o laTorre
Eiffel, en Pars, construida en1889para la Exposicin Universal, en
donde se utilizaron miles de toneladas de hierro.
Investigacin del hierroEs el elemento ms pesado que se produce
exotrmicamente porfusin, y el ms ligero que se produce a travs de
una fisin, debido a que su ncleo tiene la ms alta energa de enlace
por nuclen (energa necesaria para separar del ncleo un neutrn o un
protn); por lo tanto, el ncleo ms estable es el del hierro-56 (con
30 neutrones).Presenta diferentes formas estructurales dependiendo
de la temperatura y presin. A presin atmosfrica: Hierro-: estable
hasta los 911C. El sistema cristalino es una red cbica centrada en
el cuerpo (bcc). Hierro-: 911C - 1392C; presenta una red cbica
centrada en las caras (fcc). Hierro-: 1392C - 1539C; vuelve a
presentar una red cbica centrada en el cuerpo. Hierro-: Puede
estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal
compacta (hcp).El hierro es el metal ms usado, con el 95% en peso
de laproduccinmundial de metal. El hierro puro no tiene demasiadas
aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial
magntico. El hierro tiene su gran aplicacin para formar
losproductossiderrgicos, utilizando ste como elementomatrizpara
alojar otros elementos aleantes tanto metlicos como no metlicos,
que confieren distintas propiedades al material. Las
aleacionesfrreas presentan una gran variedad de propiedades
mecnicas dependiendo de su composicin o el tratamiento que se haya
llevado a cabo.
IstoposEl hierro tiene cuatro istopos estables naturales: 54Fe,
56Fe, 57Fe y 58Fe, Las abundancias relativas en las que se
encuentran en la naturaleza son de aproximadamente: 54Fe (5,8 %),
56Fe (91,7 %), 57Fe (2,2 %) y 58Fe (0,3 %).Istopos ms estables
isoANPeriodoMDEdPD
MeV
54Fe5,845%Establecon 28neutrones
55FeSinttico2,73a0,23155Mn
56Fe91,72%Establecon 30neutrones
57Fe2,119%Establecon 31neutrones
58Fe0,282%Establecon 32neutrones
59FeSinttico44,503d1,56559Co
60FeSinttico1,5106a-3,97860Co
Valores en elSIycondiciones normales de presin y temperatura,
salvo que se indique lo contrario.
AplicacionesEl hierro es el metal duro ms usado, con el 95% en
peso de la produccin mundial de metal. El hierro puro (pureza a
partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo
excepciones para utilizar su potencial magntico. El hierro tiene su
gran aplicacin para formar los productossiderrgicos, utilizando ste
como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto
metlicos como no metlicos, que confieren distintas propiedades al
material. Se considera que una aleacin de hierro esacerosi contiene
menos de un 2,1% decarbono; si el porcentaje es mayor, recibe el
nombre defundicin.El acero es indispensable debido a su bajo precio
y tenacidad, especialmente en automviles, barcos y componentes
estructurales de edificios.Las aleaciones frreas presentan una gran
variedad de propiedades mecnicas dependiendo de su composicin o el
tratamiento que se haya llevado a cabo.
Obtencin del hierroEl hierro se encuentra formando parte de
numerososminerales, entre los que destacan la hematites (Fe2O3), la
magnetita (Fe3O4), la limonita (FeO (OH)), la siderita (FeCO3), la
pirita (FeS2), la ilmenita (FeTiO3), etc.Se puede obtener hierro a
partir de los xidos con ms o menos impurezas.El mineral extrado de
una mina de hierropuede ser de carga directa a los altos hornos o
puede requerir de unprocesode peletizacin para ser utilizado en la
produccin delacero, esto segn sea sucalidad.En primer lugar vamos a
explicar la extraccin del mineral de carga directa a los altos
hornos.Elalto hornoes la instalacin industrial dnde se transforma o
trabaja el mineral de hierro. Un alto horno tpico est formado por
una cpsula cilndrica de acero de unos 30 m de alto, forrada con un
material no metlico y resistente alcalor como ladrillos
refractarios. El dimetro de la cpsula disminuye hacia arriba y
hacia abajo, y es mximo en un punto situado aproximadamente a una
cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno est
dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde
sefuerzael paso delaireque enciende el coque. Cerca del fondo se
encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra
(o vaca) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las
toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte
superior del horno contiene respiraderos para losgasesde escape, y
un par de tolvas redondas, cerradas porvlvulasen forma de campana,
por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la
caliza.
Lo que ocurre en dicho horno es lo siguiente:Los gases sufren
una serie de reacciones; el coque puede reaccionar con eloxgenopara
formar dixido decarbono:C + O2CO2A su vez el dixido de carbono
puede reducirse para dar monxido de carbono:CO2 + C2COAunque tambin
se puede dar elprocesocontrario al oxidarse el monxido
conoxgenopara volver a dar dixido decarbono:2CO + O22CO2El proceso
de oxidacin de coque con oxgeno libera energa y se utiliza para
calentar (llegndose hasta unos 1900 C en la parte inferior del
horno).En primer lugar los xidos dehierropueden reducirse, parcial
o totalmente, con el monxido de carbono, CO; por ejemplo:Fe3O4 +
CO3FeO + CO2FeO + COFe + CO2Despus, conforme se baja en el horno y
latemperaturaaumenta, reaccionan con el coque (carbono en su mayor
parte), reducindose los xidos. Por ejemplo:Fe3O4 + C3FeO + COEl
carbonato de calcio (caliza) se descompone:CaCO3CaO + CO2Y el
dixido de carbono es reducido con el coque a monxido de carbono
como se ha visto antes.Ms abajo se producenprocesosde
carburacin:3Fe + 2COFe3C + CO2Finalmente se produce lacombustiny
desulfuracin (eliminacin de azufre) mediante la entrada deaire. Y
por ltimo se separan dos fracciones: la escoria y el arrabio:
hierro fundido, que es lamateria primaque luego se emplea en
laindustria.Lafuncinde la cal (CaO) es la de combinarse con los
silicatos presentes en el mineral para formar la escoria,
depositndose el hierro en el fondo.
En segundo lugar explicaremos la extraccin del hierro mediante
un proceso de peletizacin.La peletizacin es un proceso que consiste
en la aglomeracin del mineral finamente molido o un concentrado por
la adicin de aglomerantes como el caso de la bentonita y
determinada cantidad deaguapara darle forma de partculas esfricas
(Pellas verdes) las cuales son endurecidas por coccin en hornos
rotatorios. La peletizacin constituye los siguientes mecanismos:
Exploracin: consiste en la bsqueda del yacimiento o del terreno con
el propsito de conocer las caractersticas cualitativas y
cuantitativas del mineral del hierro. Perforacin: Es cuando se
forma los hoyos para colocar los explosivos que al ser detonados
fracturan el mineral de manera que facilita su remocin ytransporte.
Voladura:Son los elementos que se utilizan como explosivos, se usa
el ANFO , compuesto por 94% de nitrato de amoniaco, con 6% de
gasoil y el ANFOAL compuesto por 87% de nitrato de amoniaco, 3% de
gasoil y 10% dealuminiometlico. Excavacin:Una vez fracturado el
mineral por efecto de la voladura, es movido por palas elctricas de
los frentes deproduccin. Carga y Acarreo del Mineral:Se encarga de
acarrear el mineral para depositarlo en vagones gndola ubicados en
los muelles de carga. Transporte a Puerto Ordaz y Descarga:Este se
realiza por va frrea, que son trenes formados por 125 vagones
arrastrados por locomotoras. La descarga se realiza con un
volteador de vagones con capacidad para 60 vagones por hora.
Trituracin:El mineral pasa por tres molinos para ser reducido de
tamao. Cernido y Secado:Es el proceso donde se separa el mineral
fino del grueso. Homogenizacin y Recuperacin: Es depositado en
capas superpuestas hasta conformarpilasde mineral
homogenizadofsicay qumicamente de acuerdo con las especificaciones
de cadaproducto. Despacho: es el que se realiza por medio
desistemasde cargas compuesto bsicamente por correas
transportadoras y balanzas de pesaje.Una vez separada el mineral,
el fino se destina a ser cargado en los vagones para ser despachado
a losmercadosnacionales e internacionales.
Metabolismo del hierroAunque solo existe en pequeas cantidades
en los seres vivos, el hierro ha asumido un papel vital en el
crecimiento y en la supervivencia de los mismos y es necesario no
solo para lograr una adecuada oxigenacin tisular sino tambin para
elmetabolismode la mayor parte de lasclulas.En la actualidad con un
incremento en el oxgeno atmosfrico el hierro se encuentra en
elmedio ambientecasi exclusivamente en forma oxidada (o frrica
Fe3+) y en esta forma es poco utilizable.El hierro se encuentra en
prcticamente todos los seres vivos y cumple numerosas y
variadasfunciones. Hay distintasprotenasque contienen elgrupohemo,
que consiste en el ligando porfirina con untomode hierro. Algunos
ejemplos son:La hemoglobina y la mioglobina; la primera transporta
oxgeno, O2, y la segunda, lo almacena.Los citocromos catalizan la
reduccin de oxgeno a agua.Los citocromos catalizan la oxidacin de
compuestos hidrofbicos, como frmacos odrogas, para que puedan ser
excretados, y participan en lasntesisde distintas molculas.Las
peroxidasas y catalasas catalizan la oxidacin de perxidos, H2O2,
que son txicos.Las protenas de hierro/azufre (Fe/S) participan en
procesos de transferencia de electrones.
Tambin se puede encontrar protenas en donde tomos de hierro se
enlazan entre s a travs de enlaces puente de oxgeno. Se denominan
protenas Fe-O-Fe.Tanto el exceso como el defecto de hierro, pueden
provocarproblemasen el organismo. El envenenamiento por hierro
ocurre debido a la ingesta exagerada de est (como suplemento en el
tratamiento de anemias).
La hemocromatosis corresponde a una enfermedad de origen
gentico, en la cual ocurre una excesiva absorcin del hierro, el
cual se deposita en el hgado, causando disfuncin de ste y
eventualmente llegando a la cirrosis heptica. En las transfusiones
desangre, se emplean ligandos que forman con el hierro complejos de
una alta estabilidad para evitar que quede demasiado hierro
libre.Estos ligandos se conocen como siderforos. Muchos
microorganismos emplean estos siderforos para captar el hierro que
necesitan. Tambin se pueden emplear como antibiticos, pues no dejan
hierro libre disponible.El hierro en exceso es txico. El hierro
reacciona con perxido y produce radicales libres; la reaccin ms
importante es:Fe2+ + H2O2Fe3+ + OH- + OH.Cuando el hierro se
encuentra dentro de unos niveles normales, los
mecanismosantioxidantesdel organismo pueden controlar este
proceso.Corrosin del hierroLacorrosinse define como la tendencia
general que tienen losmaterialesa buscar su forma ms estable o de
menor energa interna. Siempre que la corrosin est originada por una
reaccinelectroqumica(oxidacin).La corrosin electroqumicase
establece cuando en una misma superficie metlica ocurre una
diferencia de potencial en zonas muy prximas entre s en donde se
establece unamigracinelectrnicadesde aquella en que se verifica el
potencial de oxidacin ms elevado, llamado rea andica hacia aquella
donde se verifica el potencial de reduccin ms bajo, llamado rea
catdica.El conjunto de las dos semi reacciones constituye
unaclulade corrosin electroqumica.
Las caractersticas fundamentales de este fenmeno son:Ocurre en
presencia de un electrolito (como las sales), ocasionando regiones
plenamente identificadas, llamadas estas andicas y catdicas: una
reaccin de oxidacin es una reaccin andica, en la cual los
electrones son liberados dirigindose a otras regiones catdicas.En
la regin andica se producir la disolucin del metal (corrosin) y
consecuentemente en la regin catdica la inmunidad del metal.La
corrosin por oxgenoocurre generalmente en superficies expuestas al
oxgeno diatmico disuelto en agua o al aire, se ve favorecido por
altas temperaturas ypresinelevada (ejemplo:calderasde vapor). La
corrosin en lasmquinastrmicas (calderas de vapor) representa una
constante prdida de rendimiento y vida til de la instalacin.La
corrosin microbiolgicaes uno de los tipos de corrosin
electroqumica, algunos microorganismos son capaces de causar
corrosin en las superficies metlicas sumergidas. Se han
identificado algunas especieshidrgenodependientes que usan el
hidrgeno disuelto del agua en sus procesos metablicos provocando
una diferencia de potencial del medio circundante. Suaccinest
asociada alpitting(picado) del oxgeno o la presencia de cido
sulfhdrico en el medio.La corrosin por presiones parciales de
oxgenoes aquella en la cual el rea sujeta a menor aireacin (menor
presin parcial) acta como nodo y la que tiene mayor presencia de
oxgeno (mayor presin) acta como un ctodo y se establece la migracin
de electrones, formndose xido en una y reducindose en la otra parte
de la pila. Este tipo de corrosin es comn en superficies muy
irregulares donde se producen obturaciones de oxgeno.La corrosin
galvnicaes la ms comn de todas y se establece cuando
dosmetalesdistintos entre s actan como nodo uno de ellos y el otro
como ctodo. Aquel que tenga el potencial de reduccin ms negativo
proceder como una oxidacin y viceversa aquel metal o
especiequmicaque exhiba un potencial de reduccin ms positivo
proceder como una reduccin. Este par de metales constituye la
llamada pila galvnica. En donde la especie que se oxida (nodo) cede
sus electrones y la especie que se reduce (ctodo) acepta los
electrones.La corrosin por actividad salina diferenciadase verifica
principalmente en calderas de vapor, en donde la superficie metlica
expuesta a diferentes concentraciones salinas forma a ratos una
pila galvnica en donde la superficie expuesta a la menor
concentracin salina se comporta como un nodo.
ConclusinEl hierro es el metal duro ms usado, con el 95% en peso
de laproduccinmundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de
99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para
utilizar su potencial magntico. El hierro tiene su gran aplicacin
para formar losproductossiderrgicos, utilizando ste como
elementomatrizpara alojar otros elementos aleantes tanto metlicos
como no metlicos, que confieren distintas propiedades al material.
Se considera que una aleacin de hierro esacerosi contiene menos de
un 2,1% decarbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre
defundicin.El acero es indispensable debido a su bajoprecioy
tenacidad, especialmente en automviles, barcos y componentes
estructurales de edificios.Las aleaciones frreas presentan una gran
variedad de propiedades mecnicas dependiendo de su composicin o el
tratamiento que se haya llevado a cabo.Bibliografa D.F.Shriver,
MorrisonProfesorof Chemistry, Editorial Revert. Garritz, Andoni
(1998).Qumica. Pearson Educacin. p.856.Linkografa
http://es.wikipedia.org/wiki/hierro
http://www.confiep.org.pe/facipub/upload/publicaciones/1/1038/el_hierro_snmpe_jl.pdf
http://www.monografias.com/trabajos77/hierro/hierro2.shtml
Anthony Ivn Gutirrez Pascual1