Hierro
El hierro es un elemento químico de
número atómico 26 situado en el grupo 8 de la tabla periódica de los
elementos. Se simboliza como Fe.
Este metal de transición es el cuarto elemento
más
abundante en la corteza terrestre, representando un 5%, y, entre los
metales, sólo el aluminio
es más abundante. Igualmente es
uno de los elementos más importantes del Universo, y el
núcleo de la Tierra está formado principalmente por
hierro y níquel,
generando al moverse un campo magnético.
Ha sido históricamente muy importante, y un periodo de la
Historia recibe el nombre de "Edad de Hierro".
Características
Es un metal maleable,
tenaz,
de
color gris plateado y presenta
propiedades magnéticas;
es ferromagnético a temperatura ambiente.
Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos
minerales,
entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener
hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y
luego es sometido a un proceso de afino para eliminar las impurezas
presentes.
Fundamentalmente se emplea en la producción de aceros,
consistentes en aleaciones
de hierro con otros elementos, tanto
metálicos como no metálicos, que confieren distintas
propiedades al
material. Se considera que una aleación de hierro es acero si
contiene
menos de un 2% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre
de fundición
o hierro fundido.
Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la
temperatura:
- Hierro α: Es la que se encuentra a temperatura ambiente;
hasta los 788 ºC. El sistema cristalino es una red
cúbica
centrada en
el cuerpo y es ferromagnético.
- Hierro β: 788 ºC - 910 ºC; tiene el mismo sistema
cristalino que la α, pero la temperatura de Curie es de 770 ºC, y
pasa a ser paramagnético.
- Hierro γ: 910 ºC - 1400 ºC; presenta una red
cúbica centrada en las caras.
- Hierro δ: 1400 ºC - 1539 ºC; vuelve a presentar
una red
cúbica centrada en el cuerpo.
Aplicaciones
El hierro es el metal más usado, con el 95% en peso de la
producción mundial de metal. Es indispensable debido a su bajo
precio y
dureza, especialmente en automóviles,
barcos y componentes
estructurales de edificios. El acero es la aleación de hierro
más
conocida, siendo éste su uso más frecuente. Las
aleaciones férreas
presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo
de su
composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo.
- Los aceros son aleaciones de hierro y carbono,
así como otros
elementos. Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en:
- Acero bajo en carbono. Menos del 0.25% de C en peso.
Son
blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos,
tuberías, elementos
estructurales, etcétera. También existen los aceros de
alta resistencia
y baja aleación, que contienen otros elementos aleados hasta un
10% en
peso; tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser
trabajados
fácilmente.
- Acero medio en carbono. Entre un 0.25% y un 0.6% de C
en
peso. Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente.
Son más
resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos
dúctiles; se
emplean en piezas de ingeniería que requieren una alta
resistencia
mecánica y al desgaste.
- Acero alto en carbono. Entre un 0.60% y un 1.4% de C en
peso.
Son aún más resistentes, pero también menos
dúctiles. Se añaden otros
elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma
el carburo de wolframio, WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros
se emplean principalmente en herramientas.
- Uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con
facilidad. Hay una serie de aceros a los que se les añaden otros
elementos aleantes (principalmente cromo
y níquel) para que sean más
resistentes
a la corrosión,
se
llaman
aceros inoxidables.
- Cuando el contenido en carbono es superior a un 2.1% en
peso, la
aleación se denomina fundición.
Generalmente tienen entre un 3% y un 4.5% de C en peso. Hay distintos
tipos de fundiciones (gris, esferoidal, blanca y maleable);
según el
tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores,
válvulas,
engranajes, etcétera.
- Por otra parte, los óxidos de hierro tienen variadas
aplicaciones: en pinturas,
obtención de hierro, la magnetita (Fe3O4)
y el óxido de hierro III en aplicaciones magnéticas,
etcétera.
Historia
Se tienen indicios de uso del hierro, seguramente procedente de
meteoritos, cuatro milenios antes de Cristo, por parte de los sumerios
y egipcios.
Entre dos y tres milenios antes de Cristo van apareciendo cada
vez
más objetos de hierro (que se distingue del hierro procedente de
meteoritos por la ausencia de níquel) en Mesopotamia, Anatolia y
Egipto. Sin embargo, su uso parece ser ceremonial, siendo un metal muy
caro, más que el oro.
Algunas fuentes sugieren que tal vez se
obtuviera
com subproducto de la obtención de cobre. Entre 1600 a. de C. y
1200 a.
de C., va aumentando su uso en Oriente Medio, pero no sustituye al
predominante uso del bronce.
Entre los siglos XII a. de C. y X a. de C., se produce una
rápida
transición en Oriente Medio desde las armas de bronce a las de
hierro.
Esta rápida transición tal vez fuera debida a la falta de estaño, antes
que a una mejora en la tecnología en el trabajo del hierro. A
este
periodo, que se produjo en diferentes fechas según el lugar, se
denomina Edad de Hierro, sustituyendo a la Edad de Bronce
. En Grecia comenzó a emplearse en torno al año 1000 a.
de C., y no
llegó a Europa occidental hasta el siglo VII a. de C. La
sustitución
del bronce por el hierro fue paulatina, pues era difícil
fabricar
piezas de hierro: localizar el mineral, luego fundirlo a temperaturas
altas para finalmente forjarlo.
En Europa Central, surgió en el siglo IX a. de C. la
cultura
de Hallstatt (sustituyendo a la cultura de los campos de urnas, que se
denomina primera Edad de Hierro, pues coincide con la
introducción de este metal. Hacia el 450 a. de C. se
desarrolló la cultura de La Tène, también
denominada segunda Edad de Hierro. El hierro se usa en
herrramientas, armas y joyería, aunque siguen
encontrándose objetos de bronce.
Junto con esta transición del bronce al hierro se
descubrió el proceso de carburización,
consistente en añadir carbono al hierro. El hierro se
obtenía como una
mezcla de hierro y escoria, con algo de carbono o carburos, y era
forjado, quitando la escoria y oxidando el carbono, creando así
el
producto ya con una forma. Este hierro forjado tenía un
contenido en
carbono muy bajo y no se podía endurecer fácilmente al
enfriarlo en
agua. Se observó que se podía obtener un producto mucho
más duro
calentando la pieza de hierro forjado en un lecho de carbón
vegetal,
para entonces sumergirlo en agua o aceite. El producto resultante, que
tenía una superficie de acero, era más duro y menos
frágil que el
bronce, al que comenzó a reemplazar.
En China, el primer hierro que se utilizó
también
procedía de
meteoritos, habiéndose encontrado objetos de hierro forjado en
el
noroeste, cerca de Xinjiang, del siglo VIII a. de C. EL procedimiento
era el mismo que el utilizado en Oriente Medio y Europa.
En los últimos años de la Dinastía Zhou
(550 a.
de C.), en
China se consigue obtener hierro colado (producto de la fusión
del
arrabio). El mineral encontrado allí presenta un alto contenido
en
fósforo, con lo que funde a temperaturas menores que en Europa y
otros
sitios. Sin embargo durante bastante tiempo, hasta laDinastía
Qing (hacia 221 a. de C.), no tuvo una gran repercusión.
El hierro colado tardó más en Europa, pues no se
conseguía la
temperatura suficiente. Algunas de las primeras muestras de hierro
colado se han encontrado en Suecia, en Lapphyttan y Vinarhyttan, del
1150 d. de C. y 1350 d. de C.
En la Edad Media, y hasta finales del siglo XIX, muchos
países europeos empleaban como método siderúrgico
la farga catalana.
Se obtenía hierro y acero bajo en carbono empleando
carbón vegetal y el
mineral de hierro. Este sistema estaba ya implantado en el siglo XV, y
se conseguían alcanzar hasta unos 1200 ºC. Este
procedimiento fue
sustituido por el empleado en los altos hornos.
En un principio se usaba carbón vegetal para la
obtención de
hierro como fuente de calor y como agente reductor. En el siglo XVIII,
en Inglaterra, comenzó a escasear y hacerse más caro el
carbón vegetal,
y esto hizo que comenzara a utilizarse coque, un combustible
fósil,
como alternativa. Fue utilizado por primera vez por Abraham Darby, a
principios del siglo XVIII, que construyó en Coalbrookdale un alto
horno.
Asimismo, el coque se empleó como fuente de energía en la
Revolución
Industrial. En este periodo la demanda de hierro fue cada vez mayor,
por ejemplo para su aplicación en ferrocarriles.
El alto horno fue evolucionando a lo largo de los años.
Henry
Cort, en 1784, aplicó nuevas técnicas que mejoraron la
producción. En
1826 el alemán Friedrich Harkot construye un alto horno sin
mampostería
para humos.
Hacia finales del siglo XVIII y comienzos del XIX se
comenzó
a
emplear ampliamente el hierro como elemento estructural (en puentes,
edificios, etcétera). Entre 1776 a 1779 se construye el primer
puente
de fundición de hierro, construido por John Wilkinson y Abraham
Darby.
En Inglaterra se emplea por primera vez en la construcción de
edificios, por Mathew Boulton y James Watt, a principios del siglo XIX.
También son conocidas otras obras de ese siglo, por ejemplo el
"Palacio de Cristal"
construido para la Exposición Universal de 1851 en Londres, del
arquitecto Joseph Paxton, que tiene un armazón de hierro, o
laTorre Eiffel, en París, construida en 1889 para la
Exposición Universal, en donde se utilizaron miles de toneladas
de hierro.
Abundancia y Obtención
Es el metal de transición más abundante en la corteza
terrestre, y
cuarto de todos los elementos. También abunda en todo en el
Universo,
habiéndose encontrado meteoritos que lo contienen. Se encuentra
formando parte de numerosos minerales, entre los que destacan: la
hematites (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4),
la
limonita
(FeO(OH)), la siderita (FeCO3), pirita (FeS2),
ilmenita
(FeTiO3), etcétera.
Se puede obtener hierro a partir de los óxidos con
más
o menos impurezas. Muchos de los minerales de hierro son óxidos.
La reducción de los óxidos para obtener hierro
se
lleva a cabo en un horno denominado comunmente alto horno
(también, horno alto). En él se añaden
los minerales de hierro, en presencia de coque y carbonato de calcio,
CaCO3 (que actúa como escorificante).
Los gases sufren una serie de reacciones; el coque puede
reaccionar
con el oxígeno para formar dióxido de carbono:
- C + O2 → CO2
A su vez el dióxido de carbono puede reducirse para dar
monóxido de carbono:
- CO2 + C → 2CO
Aunque también se puede dar el proceso contrario al oxidarse el
monóxido con oxígeno para volver a dar dióxido de
carbono:
- 2CO + O2 → 2CO2
El proceso de oxidación de coque con oxígeno libera
energía y se
utiliza para calentar (llegándose hasta unos 1900 ºC en la
parte
inferior del horno).
En primer lugar los óxidos de hierro pueden reducirse,
parcial o totalmente, con el monóxido de carbono, CO; por
ejemplo:
- Fe3O4 + 3CO → 3FeO + CO2
- FeO + CO → Fe + CO2
Después, conforme se baja en el horno y la temperatura
aumenta,
reaccionan con el coque (carbono en su mayor parte),
reduciéndose los óxidos. Por ejemplo:
- Fe3O4 + C → 3FeO + CO
El carbonato de calcio (caliza) se descompone:
- CaCO3 → CaO + CO2
Y el dióxido de carbono es reducido con el coque a
monóxido de carbono como se ha visto antes.
Más abajo se producen procesos de carburación:
- 3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
Finalmente se produce la combustión y
desulfuración
(elminación de azufre)
mediante la
entrada de aire. Y por último se separan dos
fracciones: laescoria y el arrabio (hierro fundido, que es la materia
prima que luego se emplea en la industria).
El arrabio suele contener bastantes impurezas no deseables, y
es
necesario someterlo a un proceso de afino en hornos llamados convertidores.
En 2000, los cinco mayores productores de hierro eran: China,
Brasil,
Australia, Rusia e India, con el 70% de la producción mundial.
Compuestos
- Los estados de oxidación más comunes son +2 y
+3.
Los óxidos de
hierro más conocidos son el óxido de hierro (II), FeO, el
óxido de
hierro (III), Fe2O3, y el óxido mixto Fe3O4.
Forma asimismo numerosas sales
y complejos en estos estados de
oxidación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III), usado en pinturas,
se ha denominado azul de Prusia o azul de Turnbull;
se pensaba que eran sustancias diferentes.
- Se conocen compuestos en el estado de oxidación +4,
+5 y
+6,
pero son poco comunes, y en el caso del +5, no está bien
caracterizado.
El ferrato de potasio, K2FeO4, en el que el
hierro está en estado de oxidación +6, se emplea como
oxidante. El
estado de oxidación +4 se encuentra en unos pocos compuestos y
también
en algunos procesos enzimáticos.
- El Fe3C se conoce como cementita, que contiene
un 6.67
% en carbono, al hierro α se le conoce como ferrita, y a la mezcla de
ferrita y cementita, perlita o ledeburita dependiendo del contenido en
carbono. La austenita es el hierro γ.
Papel Biológico
El hierro se encuentra en prácticamente todos los seres vivos y
cumple numerosas y variadas funciones.
- Hay distintas proteínas que contienen
el grupo
"hemo", que
consiste en el ligando de porfirina con un átomo de hierro.
Algunos ejemplos:
- La hemoglobina y la mioglobina; la primera transporta
oxígeno, O2, y la segunda lo almacena.
- Los citocromos; los citocromos c catalizan la
reducción de
oxígeno a agua. Los citocromos P450 catalizan la
oxidación de
compuestos hidrofóbicos, como fármacos o drogas, para que
puedan ser
excretados, y participan en la síntesis de distintas moléculas.
- Las peroxidasas y catalasas catalizan la
oxidación de
peróxidos, H2O2, que son tóxicos.
Las proteínas de hierro/azufre
(Fe/S) participan en procesos de transferencia de
electrones.También se puede encontrar proteínas en donde
átomos de hierro
se enlazan entre sí a través de enlaces puente de
oxígeno. Se denominan
proteínas Fe-O-Fe. Algunos ejemplos:
-
- Las bacterias metanotróficas, que emplean el
metano, CH4,
como fuente de energía y de carbono, usan proteínas de
este tipo, llamadas monooxigenasas, para catalizar la oxidación
de este metano.
- La hemeritrina transporta oxígeno en algunos
organismos marinos.
- Algunas ribonucleótido reductasas contienen
hierro.
Catalizan la formación de desoxinucleótidos.
Los animales para transportar el hierro dentro del cuerpo
emplean unas proteínas llamadas transferrinas. Para almacenarlo
emplean
la ferritina y la hemosiderina. El hierro entra en el organismo al ser
absorbido en el intestino delgado y es transportado o almacenado por
esas proteínas. La mayor parte del hierro se reutiliza y muy
poco se
excreta.
Tanto el exceso como el defecto de hierro puede provocar
problemas
en el organismo. El envenamiento por hierro se llama hemocromatosis.
En las transfusiones de sangre se emplean ligandos que forman con el
hierro complejos de una alta estabilidad para evitar que quede
demasiado hierro libre. Estos ligandos se conocen
comosideróforos . Muchos microorganismos
emplean estos sideróforos para captar el hierro que necesitan.
También
se pueden emplear como antibióticos, pues no dejan hierro libre
disponible.
Isótopos
El hierro tiene cuatro isótopos
estables naturales: 54Fe, 56Fe, 57Fe
y 58Fe. Las
abundacias
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%).
Precauciones
El hierro en exceso es tóxico. El hierro reacciona con
peróxido y produce radicales libres; la reacción
más importante es:
- Fe (II) + O2 → Fe (III) + OH- + OH·
Cuando el hierro se encuentra dentro de unos niveles
normales, los mecanismos antioxidantes del organismo pueden controlar
este proceso.
La dosis letal de hierro en un niño de 2 años es
de
unos 3 gramos. 1 gramo puede provocar un envenenamiento importante.
El envenamiento por hierro se llama hemocromatosis. El hierro
en
exceso se acumula en el hígado y provoca daños en este
órgano.
Temas relacionados:
El acero.
Tratamiento
térmico del acero.
Los minerales
en la dieta.
El hierro como
nutriente.
Para ir al índice general del portal aquí.
|
