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