El hierro es un elemento químico ; tiene símbolo Fe (del latín ferrum 'hierro') y número atómico 26. Es un metal que pertenece a la primera serie de transición y al grupo 8 de la tabla periódica . Es, en masa, el elemento más común en la Tierra y forma gran parte del núcleo exterior e interior de la Tierra . Es el cuarto elemento más común en la corteza terrestre , siendo depositado principalmente por meteoritos en su estado metálico.
La extracción de metal utilizable a partir de minerales de hierro requiere hornos u hornos capaces de alcanzar los 1.500 °C (2.730 °F), unos 500 °C (932 °F) más altos que los necesarios para fundir cobre . Los seres humanos comenzaron a dominar ese proceso en Eurasia durante el segundo milenio a.C. y el uso de herramientas y armas de hierro comenzó a desplazar a las aleaciones de cobre ; en algunas regiones, sólo alrededor del 1200 a.C. Ese evento se considera la transición de la Edad del Bronce a la Edad del Hierro . En el mundo moderno , las aleaciones de hierro, como el acero , el acero inoxidable , el hierro fundido y los aceros especiales , son con diferencia los metales industriales más comunes, debido a sus propiedades mecánicas y su bajo coste. La industria del hierro y el acero es, por tanto, muy importante económicamente, y el hierro es el metal más barato, con un precio de unos pocos dólares el kilogramo o libra.
Las superficies prístinas y lisas de hierro puro son de un gris plateado similar a un espejo. El hierro reacciona fácilmente con el oxígeno y el agua para producir óxidos de hierro hidratados de color marrón a negro , comúnmente conocidos como óxido . A diferencia de los óxidos de algunos otros metales que forman capas pasivantes , el óxido ocupa más volumen que el metal y, por lo tanto, se desprende, exponiendo más superficies frescas a la corrosión. Químicamente, los estados de oxidación más comunes del hierro son el hierro (II) y el hierro (III) . El hierro comparte muchas propiedades de otros metales de transición, incluidos los otros elementos del grupo 8 , el rutenio y el osmio . El hierro forma compuestos en una amplia gama de estados de oxidación , −4 a +7. El hierro también forma muchos compuestos de coordinación ; algunos de ellos, como el ferroceno , el ferrioxalato y el azul de Prusia, tienen importantes aplicaciones industriales, médicas o de investigación.
El cuerpo de un ser humano adulto contiene aproximadamente 4 gramos (0,005% del peso corporal) de hierro, principalmente en hemoglobina y mioglobina . Estas dos proteínas desempeñan funciones esenciales en el transporte de oxígeno por la sangre y el almacenamiento de oxígeno en los músculos . Para mantener los niveles necesarios, el metabolismo del hierro humano requiere un mínimo de hierro en la dieta. El hierro también es el metal en el sitio activo de muchas enzimas redox importantes que se ocupan de la respiración celular y la oxidación y reducción en plantas y animales. [9]
Se conocen al menos cuatro alótropos del hierro (diferentes disposiciones de átomos en el sólido), denominados convencionalmente α , γ , δ y ε .
Las tres primeras formas se observan a presiones ordinarias. A medida que el hierro fundido se enfría más allá de su punto de congelación de 1538 °C, cristaliza en su alótropo δ, que tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc) . A medida que se enfría aún más hasta 1394 °C, cambia a su alótropo de hierro γ, una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc), o austenita . A 912 °C y menos, la estructura cristalina vuelve a convertirse en el alótropo de hierro α bcc. [10]
Las propiedades físicas del hierro a presiones y temperaturas muy altas también se han estudiado ampliamente, [11] [12] debido a su relevancia para las teorías sobre los núcleos de la Tierra y otros planetas. Por encima de aproximadamente 10 GPa y temperaturas de unos pocos cientos de Kelvin o menos, el hierro α cambia a otra estructura hexagonal compacta (hcp), que también se conoce como hierro ε . La fase γ de mayor temperatura también se transforma en hierro ε, pero lo hace a mayor presión.
Existe alguna evidencia experimental controvertida de una fase β estable a presiones superiores a 50 GPa y temperaturas de al menos 1500 K. Se supone que tiene una estructura ortorrómbica o doble hcp. [13] (De manera confusa, el término "hierro β" a veces también se usa para referirse al hierro α por encima de su punto de Curie, cuando cambia de ser ferromagnético a paramagnético, a pesar de que su estructura cristalina no ha cambiado. [10] )
Generalmente se supone que el núcleo interno de la Tierra está formado por una aleación de hierro y níquel con estructura ε (o β). [14]
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Los puntos de fusión y ebullición del hierro, junto con su entalpía de atomización , son más bajos que los de los elementos 3d anteriores, desde el escandio hasta el cromo , lo que muestra la menor contribución de los electrones 3d a los enlaces metálicos a medida que son atraídos cada vez más hacia lo inerte. núcleo por el núcleo; [15] sin embargo, son más altos que los valores para el elemento anterior manganeso porque ese elemento tiene una subcapa 3d medio llena y, en consecuencia, sus electrones d no se deslocalizan fácilmente. Esta misma tendencia aparece para el rutenio pero no para el osmio . [dieciséis]
El punto de fusión del hierro está bien definido experimentalmente para presiones inferiores a 50 GPa. Para presiones mayores, los datos publicados (a partir de 2007) todavía varían en decenas de gigapascales y más de mil kelvin. [17]
Por debajo de su punto de Curie de 770 °C (1420 °F; 1040 K), el hierro α cambia de paramagnético a ferromagnético : los espines de los dos electrones desapareados de cada átomo generalmente se alinean con los espines de sus vecinos, creando un campo magnético general. . [19] Esto sucede porque los orbitales de esos dos electrones (d z 2 y d x 2 −. y 2 ) no apuntan hacia átomos vecinos en la red y, por lo tanto, no están involucrados en enlaces metálicos. [10]
En ausencia de una fuente externa de campo magnético, los átomos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos , de aproximadamente 10 micrómetros de ancho, [20] de modo que los átomos en cada dominio tienen espines paralelos, pero algunos dominios tienen otras orientaciones. Por tanto, una pieza macroscópica de hierro tendrá un campo magnético general casi nulo.
La aplicación de un campo magnético externo hace que los dominios que están magnetizados en la misma dirección general crezcan a expensas de los adyacentes que apuntan en otras direcciones, reforzando el campo externo. Este efecto se explota en dispositivos que necesitan canalizar campos magnéticos para cumplir la función de diseño, como transformadores eléctricos , cabezales de grabación magnéticos y motores eléctricos . Las impurezas, los defectos de la red o los límites de granos y partículas pueden "fijar" los dominios en las nuevas posiciones, de modo que el efecto persista incluso después de que se elimine el campo externo, convirtiendo así el objeto de hierro en un imán (permanente) . [19]
Algunos compuestos de hierro exhiben un comportamiento similar, como las ferritas , incluido el mineral magnetita , una forma cristalina del óxido mixto de hierro (II, III) Fe 3 O 4 (aunque el mecanismo a escala atómica, el ferrimagnetismo , es algo diferente). Piezas de magnetita con magnetización permanente natural ( imánes ) proporcionaron las primeras brújulas para la navegación. Las partículas de magnetita se utilizaron ampliamente en medios de grabación magnéticos como memorias centrales , cintas magnéticas , disquetes y discos , hasta que fueron reemplazadas por materiales a base de cobalto .
El hierro tiene cuatro isótopos estables : 54 Fe (5,845% del hierro natural), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) y 58 Fe (0,282%). También se han creado veinticuatro isótopos artificiales. De estos isótopos estables, sólo el 57 Fe tiene un espín nuclear (- 1 ⁄ 2 ). En teoría, el nucleido 54 Fe puede sufrir una doble captura de electrones hasta el 54 Cr, pero el proceso nunca se ha observado y sólo se ha establecido un límite inferior de vida media de 3,1 × 10 22 años. [21]
El 60 Fe es un radionucleido extinto de larga vida media (2,6 millones de años). [22] No se encuentra en la Tierra, pero su producto final de desintegración es su nieta, el nucleido estable 60 Ni . [21] Gran parte del trabajo anterior sobre la composición isotópica del hierro se ha centrado en la nucleosíntesis de 60 Fe a través de estudios de meteoritos y formación de minerales. En la última década, los avances en espectrometría de masas han permitido la detección y cuantificación de variaciones diminutas que ocurren naturalmente en las proporciones de los isótopos estables del hierro. Gran parte de este trabajo está impulsado por las comunidades científicas planetarias y de la Tierra , aunque están surgiendo aplicaciones a sistemas biológicos e industriales. [23]
En las fases de los meteoritos Semarkona y Chervony Kut, una correlación entre la concentración de 60 Ni, nieto del 60 Fe, y la abundancia de isótopos estables de hierro proporcionó evidencia de la existencia de 60 Fe en el momento de la formación del Sistema Solar. . Posiblemente la energía liberada por la desintegración del 60 Fe, junto con la liberada por el 26 Al , contribuyó a la refundición y diferenciación de los asteroides tras su formación hace 4.600 millones de años. La abundancia de 60 Ni presente en material extraterrestre puede aportar más información sobre el origen y la historia temprana del Sistema Solar . [24]
El isótopo de hierro más abundante, el 56 Fe, es de particular interés para los científicos nucleares porque representa el punto final más común de la nucleosíntesis . [25] Dado que 56 Ni (14 partículas alfa ) se produce fácilmente a partir de núcleos más ligeros en el proceso alfa en reacciones nucleares en supernovas (ver proceso de combustión de silicio ), es el punto final de las cadenas de fusión dentro de estrellas extremadamente masivas , ya que la adición de otra alfa partícula, que da como resultado 60 Zn, requiere mucha más energía. Este 56 Ni, que tiene una vida media de aproximadamente 6 días, se crea en cantidad en estas estrellas, pero pronto se desintegra mediante dos emisiones sucesivas de positrones dentro de los productos de desintegración de la supernova en la nube de gas remanente de supernova , primero para formar 56 Co radiactivo y luego al estable 56 Fe. Como tal, el hierro es el elemento más abundante en el núcleo de las gigantes rojas , y es el metal más abundante en los meteoritos de hierro y en los densos núcleos metálicos de planetas como la Tierra . [26] También es muy común en el universo, en relación con otros metales estables de aproximadamente el mismo peso atómico . [26] [27] El hierro es el sexto elemento más abundante en el universo y el elemento refractario más común . [28]
Aunque se podría obtener una pequeña ganancia de energía sintetizando 62 Ni , que tiene una energía de enlace ligeramente mayor que la del 56 Fe, las condiciones en las estrellas no son adecuadas para este proceso. La producción de elementos en las supernovas favorece en gran medida al hierro sobre el níquel y, en cualquier caso, el 56 Fe todavía tiene una masa por nucleón menor que el 62 Ni debido a su mayor fracción de protones más ligeros. [29] Por lo tanto, los elementos más pesados que el hierro requieren una supernova para su formación, lo que implica una rápida captura de neutrones al iniciar núcleos de 56 Fe. [26]
En el futuro lejano del universo, suponiendo que no se produzca la desintegración de protones , la fusión fría que se produciría mediante túneles cuánticos haría que los núcleos ligeros de la materia ordinaria se fusionaran en núcleos de 56 Fe. La fisión y la emisión de partículas alfa harían que los núcleos pesados se descompusieran en hierro, convirtiendo todos los objetos de masa estelar en frías esferas de hierro puro. [30]
La abundancia de hierro en planetas rocosos como la Tierra se debe a su abundante producción durante la fusión descontrolada y la explosión de supernovas de tipo Ia , que dispersan el hierro en el espacio. [31] [32]
El hierro metálico o nativo rara vez se encuentra en la superficie de la Tierra porque tiende a oxidarse. Sin embargo, se cree que tanto el núcleo interno como el externo de la Tierra , que juntos representan el 35% de la masa de toda la Tierra, están compuestos en gran parte por una aleación de hierro, posiblemente con níquel . Se cree que las corrientes eléctricas en el núcleo externo líquido son el origen del campo magnético de la Tierra . Se cree que los demás planetas terrestres ( Mercurio , Venus y Marte ), así como la Luna , tienen un núcleo metálico compuesto principalmente de hierro. También se cree que los asteroides de tipo M están hechos en parte o en su mayor parte de una aleación de hierro metálico.
Los raros meteoritos de hierro son la principal forma de hierro metálico natural en la superficie de la Tierra. En varios yacimientos arqueológicos se han encontrado objetos fabricados con hierro meteorítico trabajado en frío que datan de una época en la que aún no se había desarrollado la fundición del hierro; y se ha informado que los inuit de Groenlandia utilizan hierro del meteorito del Cabo York para herramientas y armas de caza. [33] Aproximadamente 1 de cada 20 meteoritos está formado por los minerales únicos de hierro y níquel taenita (35–80% hierro) y kamacita (90–95% hierro). [34] El hierro nativo también se encuentra raramente en basaltos que se han formado a partir de magmas que han entrado en contacto con rocas sedimentarias ricas en carbono, que han reducido la fugacidad del oxígeno lo suficiente como para que el hierro cristalice. Esto se conoce como hierro telúrico y se describe en algunas localidades, como la isla Disko en el oeste de Groenlandia, Yakutia en Rusia y Bühl en Alemania. [35]
La ferropericlasa (Mg,Fe)O , una solución sólida de periclasa (MgO) y wüstita (FeO), constituye aproximadamente el 20% del volumen del manto inferior de la Tierra, lo que la convierte en la segunda fase mineral más abundante en esa región. después de silicato perovskita (Mg,Fe)SiO 3 ; también es el principal huésped de hierro en el manto inferior. [36] En el fondo de la zona de transición del manto, la reacción γ- (Mg,Fe) 2 [SiO 4 ] ↔ (Mg,Fe)[SiO 3 ] + (Mg,Fe)O transforma γ-olivino en una mezcla de silicato perovskita y ferropericlasa y viceversa. En la literatura, esta fase mineral del manto inferior también se denomina magnesiowüstita. [37] La perovskita de silicato puede formar hasta el 93% del manto inferior, [38] y la forma de hierro y magnesio, (Mg,Fe)SiO 3 , se considera el mineral más abundante en la Tierra, ya que constituye el 38% del manto inferior. su volumen. [39]
Si bien el hierro es el elemento más abundante en la Tierra, la mayor parte de este hierro se concentra en los núcleos interno y externo . [40] [41] La fracción de hierro que se encuentra en la corteza terrestre solo representa aproximadamente el 5% de la masa total de la corteza y, por lo tanto, es solo el cuarto elemento más abundante en esa capa (después del oxígeno , el silicio y el aluminio ). [42]
La mayor parte del hierro de la corteza terrestre se combina con varios otros elementos para formar muchos minerales de hierro . Una clase importante son los minerales de óxido de hierro , como la hematita (Fe 2 O 3 ), la magnetita (Fe 3 O 4 ) y la siderita (FeCO 3 ), que son los principales minerales de hierro . Muchas rocas ígneas también contienen minerales de sulfuro pirrotita y pentlandita . [43] [44] Durante la erosión , el hierro tiende a lixiviarse de los depósitos de sulfuro como sulfato y de los depósitos de silicato como bicarbonato. Ambos se oxidan en solución acuosa y precipitan incluso a un pH levemente elevado como óxido de hierro (III) . [45]
Los grandes depósitos de hierro son formaciones de hierro en bandas , un tipo de roca que consiste en repetidas capas delgadas de óxidos de hierro que se alternan con bandas de esquisto y pedernal pobre en hierro . Las formaciones de bandas de hierro se formaron hace entre 3.700 y 1.800 millones de años . [46] [47]
Los materiales que contienen óxidos u óxidos-hidróxidos de hierro (III) finamente molidos, como el ocre , se han utilizado como pigmentos amarillos, rojos y marrones desde tiempos prehistóricos. También contribuyen al color de diversas rocas y arcillas , incluidas formaciones geológicas enteras como Painted Hills en Oregón y Buntsandstein ("arenisca coloreada", Bunter británico ). [48] A través de Eisensandstein (una "arenisca de hierro" jurásica , por ejemplo de Donzdorf en Alemania) [49] y la piedra de Bath en el Reino Unido, los compuestos de hierro son responsables del color amarillento de muchos edificios y esculturas históricos. [50] El proverbial color rojo de la superficie de Marte se deriva de un regolito rico en óxido de hierro . [51]
En la pirita (FeS 2 ) , mineral de sulfuro de hierro, se encuentran cantidades significativas de hierro , pero es difícil extraerlo y, por lo tanto, no se explota. [52] De hecho, el hierro es tan común que la producción generalmente se centra únicamente en minerales con cantidades muy elevadas de él. [53]
Según el informe Existencias de metales en la sociedad del Panel Internacional de Recursos , la reserva mundial de hierro utilizada en la sociedad es de 2.200 kg per cápita. Los países más desarrollados difieren en este sentido de los menos desarrollados (7.000 a 14.000 frente a 2.000 kg per cápita). [54]
Las ciencias oceánicas demostraron el papel del hierro en los mares antiguos tanto en la biota marina como en el clima. [55]
El hierro presenta las propiedades químicas características de los metales de transición , es decir, la capacidad de formar estados de oxidación variables que se diferencian por etapas de uno y una química de coordinación y organometálica muy importante : en efecto, fue el descubrimiento de un compuesto de hierro, el ferroceno , que revolucionó este último. campo en la década de 1950. [57] El hierro se considera a veces como un prototipo de todo el bloque de metales de transición, debido a su abundancia y al inmenso papel que ha desempeñado en el progreso tecnológico de la humanidad. [58] Sus 26 electrones están dispuestos en la configuración [Ar]3d 6 4s 2 , de los cuales los electrones 3d y 4s tienen energía relativamente cercana y, por lo tanto, se pueden ionizar varios electrones. [dieciséis]
El hierro forma compuestos principalmente en los estados de oxidación +2 ( hierro(II) , "ferroso") y +3 ( hierro(III) , "férrico"). El hierro también se presenta en estados de oxidación superiores , por ejemplo, el ferrato de potasio púrpura (K 2 FeO 4 ), que contiene hierro en su estado de oxidación +6. El anión [FeO 4 ] , con hierro en su estado de oxidación +7, junto con un isómero peroxo de hierro (V), ha sido detectado mediante espectroscopia infrarroja a 4 K después de la cocondensación de átomos de Fe sometidos a ablación láser con una mezcla de O 2 /Arkansas. [59] El hierro (IV) es un intermediario común en muchas reacciones de oxidación bioquímica. [60] [61] Numerosos compuestos orgánicos de hierro contienen estados de oxidación formales de +1, 0, −1 o incluso −2. Los estados de oxidación y otras propiedades de enlace a menudo se evalúan mediante la técnica de espectroscopia de Mössbauer . [62] Muchos compuestos de valencia mixta contienen centros de hierro (II) y hierro (III), como la magnetita y el azul de Prusia ( Fe 4 (Fe [CN] 6 ) 3 ). [61] Este último se utiliza como el tradicional "azul" en los planos . [63]
El hierro es el primero de los metales de transición que no puede alcanzar su estado de oxidación de grupo de +8, aunque sus congéneres más pesados, el rutenio y el osmio, sí pueden, teniendo el rutenio más dificultades que el osmio. [10] El rutenio exhibe una química catiónica acuosa en sus estados de oxidación bajos similar a la del hierro, pero el osmio no, favoreciendo estados de oxidación altos en los que forma complejos aniónicos. [10] En la segunda mitad de la serie de transición 3D, las similitudes verticales en los grupos compiten con las similitudes horizontales del hierro con sus vecinos cobalto y níquel en la tabla periódica, que también son ferromagnéticos a temperatura ambiente y comparten una química similar. Como tal, el hierro, el cobalto y el níquel a veces se agrupan como la tríada del hierro . [58]
A diferencia de muchos otros metales, el hierro no forma amalgamas con el mercurio . Como resultado, el mercurio se comercializa en frascos estandarizados de 34 kg (76 libras) hechos de hierro. [64]
El hierro es, con diferencia, el elemento más reactivo de su grupo; es pirofórico cuando está finamente dividido y se disuelve fácilmente en ácidos diluidos, dando Fe 2+ . Sin embargo, no reacciona con el ácido nítrico concentrado y otros ácidos oxidantes debido a la formación de una capa de óxido impermeable, que sin embargo puede reaccionar con el ácido clorhídrico . [10] El hierro de alta pureza, llamado hierro electrolítico , se considera resistente a la oxidación, debido a su capa de óxido.
El hierro forma diversos compuestos de óxidos e hidróxidos ; los más comunes son el óxido de hierro (II, III) (Fe 3 O 4 ) y el óxido de hierro (III) (Fe 2 O 3 ). También existe óxido de hierro (II) , aunque es inestable a temperatura ambiente. A pesar de sus nombres, en realidad todos ellos son compuestos no estequiométricos cuyas composiciones pueden variar. [65] Estos óxidos son los principales minerales para la producción de hierro (ver bomba y alto horno). También se utilizan en la producción de ferritas , medios de almacenamiento magnéticos útiles en computadoras y pigmentos. El sulfuro más conocido es la pirita de hierro (FeS 2 ), también conocida como oro de los tontos debido a su brillo dorado. [61] No es un compuesto de hierro (IV), sino que en realidad es un polisulfuro de hierro (II) que contiene Fe 2+ y S.2-2
_iones en una estructura distorsionada de cloruro de sodio . [sesenta y cinco]
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Los haluros binarios ferrosos y férricos son bien conocidos. Los haluros ferrosos normalmente surgen del tratamiento del hierro metálico con el correspondiente ácido halohídrico para dar las correspondientes sales hidratadas. [61]
El hierro reacciona con flúor, cloro y bromo para dar los correspondientes haluros férricos, siendo el cloruro férrico el más común. [66]
El yoduro férrico es una excepción, siendo termodinámicamente inestable debido al poder oxidante del Fe 3+ y al alto poder reductor del I − : [66]
El yoduro férrico, un sólido negro, no es estable en condiciones normales, pero puede prepararse mediante la reacción de pentacarbonilo de hierro con yodo y monóxido de carbono en presencia de hexano y luz a una temperatura de -20 °C, excluyendo el oxígeno y el agua. . [66] Se sabe que los complejos de yoduro férrico con algunas bases blandas son compuestos estables. [67] [68]
Los potenciales de reducción estándar en solución acuosa ácida para algunos iones de hierro comunes se dan a continuación: [10]
El anión ferrato tetraédrico (VI) rojo-púrpura es un agente oxidante tan fuerte que oxida el amoníaco a nitrógeno (N 2 ) y el agua a oxígeno [66]
El complejo hexaquo violeta pálido [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ es un ácido tal que por encima de pH 0 está completamente hidrolizado: [69]
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A medida que el pH aumenta por encima de 0, se forman las especies hidrolizadas de color amarillo anterior y, a medida que aumenta por encima de 2-3, el óxido de hierro (III) hidratado de color marrón rojizo precipita fuera de la solución. Aunque el Fe 3+ tiene configuración ad 5 , su espectro de absorción no es como el del Mn 2+ con sus débiles bandas d–d de espín prohibido, porque el Fe 3+ tiene una carga positiva más alta y es más polarizante, lo que reduce la energía de su Absorciones de transferencia de carga de ligando a metal . Por lo tanto, todos los complejos anteriores tienen colores bastante intensos, con la única excepción del ion hexaquo, e incluso éste tiene un espectro dominado por la transferencia de carga en la región ultravioleta cercana. [69] Por otro lado, el hexaquoion hierro (II) de color verde pálido [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ no sufre una hidrólisis apreciable. Cuando se añaden aniones carbonato no se desprende dióxido de carbono, lo que da como resultado la precipitación de carbonato de hierro (II) blanco. En exceso, se forma bicarbonato, ligeramente soluble, que se encuentra comúnmente en el agua subterránea, pero se oxida rápidamente en el aire para formar óxido de hierro (III) , que representa los depósitos marrones presentes en un número considerable de corrientes. [70]
Debido a su estructura electrónica, el hierro tiene una química organometálica y de coordinación muy grande.
Se conocen muchos compuestos de coordinación del hierro. Un anión típico de seis coordenadas es el hexacloroferrato (III), [FeCl 6 ] 3− , que se encuentra en la sal mixta cloruro de hexacloroferrato (III) de tetrakis (metilamonio) . [71] [72] Los complejos con múltiples ligandos bidentados tienen isómeros geométricos . Por ejemplo, el complejo trans - clorohidridobis(bis-1,2-(difenilfosfino)etano)hierro(II) se utiliza como material de partida para compuestos con el resto Fe( dppe ) 2 . [73] [74] El ion ferrioxalato con tres ligandos de oxalato (que se muestra a la derecha) muestra quiralidad helicoidal con sus dos geometrías no superponibles denominadas Λ (lambda) para el eje del tornillo para zurdos y Δ (delta) para los diestros. Eje de tornillo, de acuerdo con las convenciones IUPAC. [69] El ferrioxalato de potasio se utiliza en actinometría química y junto con su sal de sodio sufre fotorreducción aplicada en procesos fotográficos de estilo antiguo. El dihidrato de oxalato de hierro (II) tiene una estructura polimérica con iones de oxalato coplanares que forman puentes entre los centros de hierro con el agua de cristalización ubicada formando las tapas de cada octaedro, como se ilustra a continuación. [75]
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Los complejos de hierro (III) son bastante similares a los de cromo (III), con la excepción de la preferencia del hierro (III) por los ligandos donadores de O en lugar de donadores de N. Estos últimos tienden a ser bastante más inestables que los complejos de hierro (II) y, a menudo, se disocian en agua. Muchos complejos Fe-O muestran colores intensos y se utilizan como pruebas para detectar fenoles o enoles . Por ejemplo, en la prueba del cloruro férrico , utilizada para determinar la presencia de fenoles, el cloruro de hierro (III) reacciona con un fenol para formar un complejo violeta intenso: [69]
Entre los complejos de haluro y pseudohaluro, los complejos fluorados de hierro (III) son los más estables, siendo el incoloro [FeF 5 (H 2 O)] 2− el más estable en solución acuosa. Los complejos de cloro son menos estables y favorecen la coordinación tetraédrica como en [FeCl 4 ] − ; [FeBr 4 ] − y [FeI 4 ] − se reducen fácilmente a hierro(II). El tiocianato es una prueba común para detectar la presencia de hierro (III), ya que forma el [Fe(SCN)(H 2 O) 5 ] 2+ de color rojo sangre . Al igual que el manganeso (II), la mayoría de los complejos de hierro (III) tienen un alto espín, con la excepción de aquellos con ligandos que tienen un alto contenido en la serie espectroquímica , como el cianuro . Un ejemplo de complejo de hierro (III) de bajo espín es [Fe(CN) 6 ] 3− . El hierro muestra una gran variedad de estados de espín electrónicos , incluidos todos los valores posibles del número cuántico de espín para un elemento del bloque d desde 0 (diamagnético) hasta 5 ⁄ 2 (5 electrones desapareados). Este valor es siempre la mitad del número de electrones desapareados. Los complejos con cero o dos electrones desapareados se consideran de bajo espín y los que tienen cuatro o cinco se consideran de alto espín. [sesenta y cinco]
Los complejos de hierro (II) son menos estables que los complejos de hierro (III), pero la preferencia por los ligandos donantes de O es menos marcada, de modo que, por ejemplo, se conoce [Fe(NH 3 ) 6 ] 2+ mientras que [Fe(NH 3 ) 6 ] 3+ no lo es. Tienen tendencia a oxidarse a hierro (III), pero esto puede moderarse con un pH bajo y los ligandos específicos utilizados. [70]
La química orgánica del hierro es el estudio de compuestos organometálicos de hierro, donde los átomos de carbono están unidos covalentemente al átomo de metal. Son muchos y variados, incluidos los complejos de cianuro , los complejos de carbonilo , los compuestos tipo sándwich y medio sándwich .
El azul de Prusia o "ferrocianuro férrico", Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 , es un antiguo y conocido complejo de cianuro de hierro, ampliamente utilizado como pigmento y en varias otras aplicaciones. Su formación se puede utilizar como una simple prueba de química húmeda para distinguir entre soluciones acuosas de Fe 2+ y Fe 3+ a medida que reaccionan (respectivamente) con ferricianuro de potasio y ferrocianuro de potasio para formar azul de Prusia. [61]
Otro antiguo ejemplo de compuesto de organohierro es el pentacarbonilo de hierro , Fe(CO) 5 , en el que un átomo de hierro neutro está unido a los átomos de carbono de cinco moléculas de monóxido de carbono . El compuesto se puede utilizar para producir polvo de carbonilo de hierro , una forma altamente reactiva de hierro metálico. La termólisis del pentacarbonilo de hierro da trihierro dodecacarbonilo , Fe 3 (CO) 12 , un complejo con un grupo de tres átomos de hierro en su núcleo. El reactivo de Collman, tetracarbonilferrato disódico , es un reactivo útil para la química orgánica; Contiene hierro en el estado de oxidación -2. El dímero de ciclopentadieniliron dicarbonilo contiene hierro en el raro estado de oxidación +1. [76]
Un hito en este campo fue el descubrimiento en 1951 del compuesto sándwich notablemente estable ferroceno Fe(C 5 H 5 ) 2 , por Pauson y Kealy [77] e independientemente por Miller y colegas, [78] cuya sorprendente estructura molecular se determinó sólo un año después por Woodward y Wilkinson [79] y Fischer . [80] El ferroceno sigue siendo una de las herramientas y modelos más importantes de esta clase. [81]
Como catalizadores se utilizan especies organometálicas centradas en hierro . El complejo de Knölker , por ejemplo, es un catalizador de hidrogenación por transferencia para cetonas . [82]
Los compuestos de hierro producidos a mayor escala en la industria son el sulfato de hierro (II) (FeSO 4 ·7 H 2 O ) y el cloruro de hierro (III) (FeCl 3 ). La primera es una de las fuentes de hierro (II) más fácilmente disponibles, pero es menos estable a la oxidación aérea que la sal de Mohr ( (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 ·6H 2 O ). Los compuestos de hierro (II) tienden a oxidarse a compuestos de hierro (III) en el aire. [61]
El hierro es uno de los elementos indudablemente conocidos en el mundo antiguo. [83] Ha sido trabajado o forjado durante milenios. Sin embargo, los artefactos de hierro de gran antigüedad son mucho más raros que los objetos hechos de oro o plata debido a la facilidad con la que el hierro se corroe. [84] La tecnología se desarrolló lentamente, e incluso después del descubrimiento de la fundición, fueron necesarios muchos siglos para que el hierro reemplazara al bronce como metal elegido para herramientas y armas.
GA Wainwright encontró cuentas hechas de hierro meteórico en el año 3500 a. C. o antes en Gerzeh , Egipto. [85] Las cuentas contienen 7,5% de níquel, lo cual es una firma de origen meteórico, ya que el hierro que se encuentra en la corteza terrestre generalmente solo tiene minúsculas impurezas de níquel.
El hierro meteórico era muy apreciado debido a su origen en los cielos y se usaba a menudo para forjar armas y herramientas. [85] Por ejemplo, en la tumba de Tutankamón se encontró una daga hecha de hierro meteórico , que contenía proporciones similares de hierro, cobalto y níquel a un meteorito descubierto en la zona, depositado por una antigua lluvia de meteoritos. [86] [87] [88] Los artículos que probablemente fueron hechos de hierro por los egipcios datan del 3000 al 2500 a.C. [84]
El hierro meteorítico es comparativamente blando y dúctil y se forja fácilmente en frío , pero puede volverse quebradizo cuando se calienta debido al contenido de níquel . [89]
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La primera producción de hierro comenzó en la Edad del Bronce Medio , pero pasaron varios siglos antes de que el hierro desplazara al bronce. Se fabricaron muestras de hierro fundido de Asmar , Mesopotamia y Tall Chagar Bazaar en el norte de Siria en algún momento entre el 3000 y el 2700 a.C. [90] Los hititas establecieron un imperio en el centro-norte de Anatolia alrededor del 1600 a.C. Parecen ser los primeros en comprender la producción de hierro a partir de sus minerales y en considerarlo muy apreciado en su sociedad. [91] Los hititas comenzaron a fundir hierro entre 1500 y 1200 a. C. y la práctica se extendió al resto del Cercano Oriente después de la caída de su imperio en 1180 a. [90] El período posterior se denomina Edad del Hierro .
Se encuentran artefactos de hierro fundido en la India que datan de 1800 a 1200 a. C., [92] y en el Levante de aproximadamente 1500 a. C. (lo que sugiere una fundición en Anatolia o el Cáucaso ). [93] [94] Supuestas referencias (compárese con la historia de la metalurgia en el sur de Asia ) al hierro en los Vedas indios se han utilizado para afirmar un uso muy temprano del hierro en la India, respectivamente, para fechar los textos como tales. El término rigveda ayas (metal) se refiere al cobre, mientras que el hierro, que se llama śyāma ayas , literalmente "cobre negro", se menciona por primera vez en el Atharvaveda posrigvédico . [95]
Alguna evidencia arqueológica sugiere que el hierro se fundía en Zimbabwe y el sudeste de África ya en el siglo VIII a.C. [96] El trabajo del hierro se introdujo en Grecia a finales del siglo XI a. C., desde donde se extendió rápidamente por toda Europa. [97]
La expansión del trabajo del hierro en Europa central y occidental está asociada con la expansión celta . Según Plinio el Viejo , el uso del hierro era común en la época romana . [85] En las tierras de lo que hoy se considera China, el hierro aparece aproximadamente entre el 700 y el 500 a.C. [98] Es posible que la fundición de hierro se haya introducido en China a través de Asia Central. [99] La evidencia más antigua del uso de un alto horno en China data del siglo I d.C., [100] y los hornos de cúpula se utilizaban ya en el período de los Reinos Combatientes (403-221 a.C.). [101] El uso del alto horno y de la cúpula permaneció generalizado durante las dinastías Tang y Song . [102]
Durante la Revolución Industrial en Gran Bretaña, Henry Cort comenzó a refinar el hierro desde arrabio hasta hierro forjado (o barras de hierro) utilizando sistemas de producción innovadores. En 1783 patentó el proceso de charcado para refinar el mineral de hierro. Posteriormente fue mejorado por otros, incluido Joseph Hall . [103]
El hierro fundido se produjo por primera vez en China durante el siglo V a. C., [104] pero apenas estuvo en Europa hasta el período medieval. [105] [106] Los primeros artefactos de hierro fundido fueron descubiertos por arqueólogos en lo que hoy es el moderno condado de Luhe , Jiangsu en China. El hierro fundido se utilizaba en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. [107] Durante el período medieval , se encontraron en Europa medios para producir hierro forjado a partir de hierro fundido (en este contexto conocido como arrabio ) utilizando forjas de gala . Para todos estos procesos se requería carbón vegetal como combustible. [108]
Los altos hornos medievales medían unos 3,0 m (10 pies) de altura y estaban hechos de ladrillos ignífugos; El aire forzado generalmente era proporcionado por fuelles operados manualmente. [106] Los altos hornos modernos han crecido mucho más, con hogares de catorce metros de diámetro que les permiten producir miles de toneladas de hierro cada día, pero esencialmente funcionan de la misma manera que lo hacían durante la época medieval. [108]
En 1709, Abraham Darby I estableció un alto horno de coque para producir hierro fundido, en sustitución del carbón vegetal, aunque seguí utilizando altos hornos. La consiguiente disponibilidad de hierro barato fue uno de los factores que llevaron a la Revolución Industrial . Hacia finales del siglo XVIII, el hierro fundido comenzó a sustituir al hierro forjado para determinados fines, porque era más barato. El contenido de carbono en el hierro no fue implicado como la razón de las diferencias en las propiedades del hierro forjado, el hierro fundido y el acero hasta el siglo XVIII. [90]
Dado que el hierro se estaba volviendo más barato y abundante, también se convirtió en un material estructural importante tras la construcción del innovador primer puente de hierro en 1778. Este puente sigue en pie hoy como un monumento al papel que desempeñó el hierro en la Revolución Industrial. Después de esto, el hierro se utilizó en rieles, barcos, barcos, acueductos y edificios, así como en cilindros de hierro en máquinas de vapor . [108] Los ferrocarriles han sido fundamentales para la formación de la modernidad y las ideas de progreso [109] y varios idiomas se refieren a los ferrocarriles como caminos de hierro (por ejemplo, el chemin de fer francés , el Eisenbahn alemán , el demiryolu turco , el железная дорога ruso , el chino, el japonés y Coreano鐵道, vietnamita đường sắt ).
El acero (con menor contenido de carbono que el arrabio pero más que el hierro forjado) se produjo por primera vez en la antigüedad utilizando un florero . Los herreros de Luristán , en el oeste de Persia, fabricaban buen acero en el año 1000 a.C. [90] Luego se desarrollaron versiones mejoradas, el acero Wootz de la India y el acero de Damasco, alrededor del 300 a. C. y el 500 d. C., respectivamente. Estos métodos eran especializados, por lo que el acero no se convirtió en un producto básico importante hasta la década de 1850. [110]
En el siglo XVII se idearon nuevos métodos para producirlo mediante la cementación de barras de hierro en el proceso de cementación . En la Revolución Industrial se idearon nuevos métodos para producir barras de hierro sin carbón vegetal y estos se aplicaron posteriormente para producir acero. A finales de la década de 1850, Henry Bessemer inventó un nuevo proceso de fabricación de acero, que implicaba soplar aire a través de arrabio fundido, para producir acero dulce. Esto hizo que el acero fuera mucho más económico, lo que provocó que el hierro forjado ya no se produjera en grandes cantidades. [111]
En 1774, Antoine Lavoisier utilizó la reacción del vapor de agua con hierro metálico dentro de un tubo de hierro incandescente para producir hidrógeno en sus experimentos que condujeron a la demostración de la conservación de la masa , que fue fundamental para cambiar la química de una ciencia cualitativa a una cuantitativa. [112]
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El hierro juega un cierto papel en la mitología y ha encontrado diversos usos como metáfora y en el folclore . Obras y días del poeta griego Hesíodo (líneas 109-201) enumera diferentes edades del hombre que llevan nombres de metales como el oro, la plata, el bronce y el hierro para dar cuenta de las edades sucesivas de la humanidad. [113] La Edad del Hierro estuvo estrechamente relacionada con Roma, y en las Metamorfosis de Ovidio
Las Virtudes, desesperadas, abandonaron la tierra; y la depravación del hombre se vuelve universal y completa. Entonces triunfó el acero duro.
— Ovidio, Metamorfosis , Libro I, Edad del Hierro, línea 160 y siguientes
Un ejemplo de la importancia del papel simbólico del hierro lo podemos encontrar en la campaña alemana de 1813 . Federico Guillermo III encargó entonces la primera Cruz de Hierro como condecoración militar. Las joyas de hierro de Berlín alcanzaron su punto máximo de producción entre 1813 y 1815, cuando la familia real prusiana instó a los ciudadanos a donar joyas de oro y plata para financiar el ejército. La inscripción Ich gab Gold für Eisen (Di oro por hierro) también se utilizó en esfuerzos bélicos posteriores. [114]
Para algunos fines limitados, cuando es necesario, el hierro puro se produce en el laboratorio en pequeñas cantidades reduciendo el óxido o hidróxido puro con hidrógeno, o formando pentacarbonilo de hierro y calentándolo a 250 °C para que se descomponga para formar polvo de hierro puro. . [45] Otro método es la electrólisis del cloruro ferroso sobre un cátodo de hierro. [115]
Hoy en día, la producción industrial de hierro o acero consta de dos etapas principales. En la primera etapa, el mineral de hierro se reduce con coque en un alto horno y el metal fundido se separa de las impurezas gruesas, como los minerales de silicato . Esta etapa produce una aleación, el arrabio , que contiene cantidades relativamente grandes de carbono. En la segunda etapa, la cantidad de carbono en el arrabio se reduce mediante oxidación para producir hierro forjado, acero o hierro fundido. [117] En esta etapa se pueden agregar otros metales para formar aceros aleados .
El alto horno se carga con minerales de hierro, generalmente hematita Fe 2 O 3 o magnetita Fe 3 O 4 , junto con coque ( carbón que se ha cocido por separado para eliminar los componentes volátiles) y fundente ( piedra caliza o dolomita ). Se soplan "ráfagas" de aire precalentado a 900 °C (a veces enriquecido con oxígeno) a través de la mezcla, en cantidad suficiente para convertir el carbono en monóxido de carbono : [117]
Esta reacción eleva la temperatura a aproximadamente 2000 °C. El monóxido de carbono reduce el mineral de hierro a hierro metálico [117]
Parte del hierro en la región inferior del horno de alta temperatura reacciona directamente con el coque: [117]
El fundente elimina los minerales silíceos del mineral, que de otro modo obstruirían el horno: el calor del horno descompone los carbonatos en óxido de calcio , que reacciona con el exceso de sílice para formar una escoria compuesta de silicato de calcio CaSiO 3 u otros productos. A la temperatura del horno, tanto el metal como la escoria están fundidos. Se acumulan en el fondo como dos capas líquidas inmiscibles (con la escoria encima), que luego se separan fácilmente. [117] La escoria se puede utilizar como material en la construcción de carreteras o para mejorar suelos pobres en minerales para la agricultura . [106]
Por lo tanto, la producción de acero sigue siendo uno de los mayores contribuyentes industriales de emisiones de CO 2 en el mundo. [118]
El arrabio producido por el proceso de alto horno contiene hasta un 4-5% de carbono (en masa), con pequeñas cantidades de otras impurezas como azufre, magnesio, fósforo y manganeso. Este alto nivel de carbono lo hace relativamente débil y quebradizo. Reducir la cantidad de carbono a 0,002-2,1% produce acero , que puede ser hasta 1000 veces más duro que el hierro puro. Luego se puede fabricar una gran variedad de artículos de acero mediante trabajo en frío , laminación en caliente , forja , mecanizado , etc. Al eliminar las impurezas del arrabio, pero dejando entre un 2% y un 4% de carbono, se obtiene hierro fundido , que las fundiciones transforman en artículos. como estufas, tuberías, radiadores, farolas y rieles. [117]
Los productos de acero a menudo se someten a varios tratamientos térmicos después de forjarlos para darles forma. El recocido consiste en calentarlos a 700-800 °C durante varias horas y luego enfriarlos gradualmente. Hace que el acero sea más blando y trabajable. [120]
Debido a preocupaciones medioambientales, se han desarrollado métodos alternativos para procesar el hierro. La " reducción directa del hierro " reduce el mineral de hierro a una masa ferrosa llamada hierro "esponja" o hierro "directo" que es adecuado para la fabricación de acero. [106] Dos reacciones principales comprenden el proceso de reducción directa:
El gas natural se oxida parcialmente (con calor y un catalizador): [106]
Luego, el mineral de hierro se trata con estos gases en un horno, produciendo hierro esponjoso sólido: [106]
La sílice se elimina añadiendo un fundente de piedra caliza como se describe anteriormente. [106]
La ignición de una mezcla de polvo de aluminio y óxido de hierro produce hierro metálico mediante la reacción de termita :
Alternativamente, el arrabio se puede convertir en acero (con hasta aproximadamente un 2% de carbono) o hierro forjado (hierro comercialmente puro). Para ello se han utilizado varios procesos, incluidas forjas de gala , hornos de charco , convertidores Bessemer , hornos de solera abierta , hornos de oxígeno básico y hornos de arco eléctrico . En todos los casos, el objetivo es oxidar parte o la totalidad del carbono, junto con otras impurezas. Por otro lado, se pueden añadir otros metales para fabricar aceros aleados. [108]
La electrólisis de óxido fundido utiliza una aleación de cromo, hierro y otros metales que no reacciona con el oxígeno y un cátodo de hierro líquido, mientras que el electrolito es una mezcla de óxidos de metales fundidos en los que se disuelve el mineral de hierro. La corriente mantiene el electrolito fundido y reduce el óxido de hierro. Además del hierro líquido puro, también se produce oxígeno putrefacto, que se puede vender para compensar parte del coste. El tamaño de la celda de producción es variable y puede ser mucho más pequeño que el de los hornos convencionales. Las únicas emisiones de dióxido de cardón provienen de la electricidad utilizada para calentar y reducir el metal. [121]
El hierro es el más utilizado de todos los metales y representa más del 90% de la producción mundial de metales. Su bajo costo y alta resistencia a menudo lo convierten en el material elegido para resistir tensiones o transmitir fuerzas, como en la construcción de maquinaria y máquinas herramienta , rieles , automóviles , cascos de barcos , barras de refuerzo de hormigón y la estructura de carga de los edificios. Dado que el hierro puro es bastante blando, lo más habitual es que se combine con elementos de aleación para fabricar acero. [124]
Las propiedades mecánicas del hierro y sus aleaciones son extremadamente relevantes para sus aplicaciones estructurales. Esas propiedades se pueden evaluar de varias maneras, incluida la prueba Brinell , la prueba de Rockwell y la prueba de dureza Vickers .
Las propiedades del hierro puro se utilizan a menudo para calibrar mediciones o comparar pruebas. [123] [125] Sin embargo, las propiedades mecánicas del hierro se ven significativamente afectadas por la pureza de la muestra: los monocristales puros de hierro son en realidad más blandos que el aluminio, [122] y el hierro más puro producido industrialmente (99,99%) tiene una dureza de 20–30 Brinell. [126] El hierro puro (99,9%~99,999%), especialmente llamado hierro electrolítico , se produce industrialmente mediante refinación electrolítica .
Un aumento en el contenido de carbono provocará un aumento significativo en la dureza y resistencia a la tracción del hierro. La dureza máxima de 65 R c se logra con un contenido de carbono del 0,6%, aunque la aleación tiene una baja resistencia a la tracción. [127] Debido a la suavidad del hierro, es mucho más fácil trabajar con él que con sus congéneres más pesados, el rutenio y el osmio . [dieciséis]
El hierro α es un metal bastante blando que sólo puede disolver una pequeña concentración de carbono (no más del 0,021% en masa a 910 °C). [128] La austenita (γ-hierro) es igualmente blanda y metálica, pero puede disolver considerablemente más carbono (hasta un 2,04% en masa a 1146 °C). Esta forma de hierro se utiliza en el tipo de acero inoxidable que se utiliza para fabricar cubiertos y equipos hospitalarios y de servicios de alimentos. [20]
El hierro disponible comercialmente se clasifica según su pureza y la abundancia de aditivos. El arrabio tiene entre un 3,5% y un 4,5% de carbono [129] y contiene cantidades variables de contaminantes como azufre , silicio y fósforo . El arrabio no es un producto vendible, sino más bien un paso intermedio en la producción de hierro fundido y acero. La reducción de los contaminantes en el arrabio que afectan negativamente las propiedades del material, como el azufre y el fósforo, produce hierro fundido que contiene entre un 2% y un 4% de carbono, entre un 1% y un 6% de silicio y pequeñas cantidades de manganeso . [117] El arrabio tiene un punto de fusión en el rango de 1420-1470 K, que es más bajo que cualquiera de sus dos componentes principales, y lo convierte en el primer producto que se funde cuando el carbono y el hierro se calientan juntos. [10] Sus propiedades mecánicas varían mucho y dependen de la forma que adopte el carbono en la aleación. [dieciséis]
Las fundiciones "blancas" contienen su carbono en forma de cementita o carburo de hierro (Fe 3 C). [16] Este compuesto duro y quebradizo domina las propiedades mecánicas de los hierros fundidos blancos, volviéndolos duros, pero no resistentes a los golpes. La superficie rota de una fundición blanca está llena de finas facetas de carburo de hierro roto, un material muy pálido, plateado y brillante, de ahí la denominación. Enfriar lentamente una mezcla de hierro con 0,8% de carbono por debajo de 723 °C hasta temperatura ambiente da como resultado capas separadas y alternas de cementita y hierro α, que es blando y maleable y se llama perlita por su apariencia. El enfriamiento rápido, por otro lado, no deja tiempo para esta separación y crea martensita dura y quebradiza . Luego, el acero se puede templar calentándolo a una temperatura intermedia, cambiando las proporciones de perlita y martensita. El producto final con un contenido de carbono inferior al 0,8% es una mezcla de perlita-αFe, y el que tiene un contenido de carbono superior al 0,8% es una mezcla de perlita-cementita. [dieciséis]
En el hierro gris, el carbono existe como escamas finas y separadas de grafito , y también vuelve el material quebradizo debido a las escamas de grafito con bordes afilados que producen sitios de concentración de tensiones dentro del material. [130] Una variante más nueva de hierro gris, conocida como hierro dúctil , se trata especialmente con trazas de magnesio para alterar la forma del grafito a esferoides o nódulos, lo que reduce las concentraciones de tensión y aumenta enormemente la tenacidad y resistencia del material. . [130]
El hierro forjado contiene menos del 0,25% de carbono pero grandes cantidades de escoria que le confieren una característica fibrosa. [129] Es un producto resistente y maleable, pero no tan fusible como el arrabio. Si se pule hasta el borde, lo pierde rápidamente. El hierro forjado se caracteriza por la presencia de finas fibras de escoria atrapadas dentro del metal. El hierro forjado es más resistente a la corrosión que el acero. Ha sido sustituido casi por completo por el acero dulce para los productos tradicionales de "hierro forjado" y la herrería .
El acero dulce se corroe más fácilmente que el hierro forjado, pero es más barato y está más disponible. El acero al carbono contiene 2,0% de carbono o menos, [131] con pequeñas cantidades de manganeso , azufre , fósforo y silicio. Los aceros aleados contienen cantidades variables de carbono y otros metales, como cromo , vanadio , molibdeno , níquel, tungsteno , etc. Su contenido de aleación aumenta su coste, por lo que normalmente sólo se emplean para usos especializados. Sin embargo, una aleación de acero común es el acero inoxidable . Los recientes avances en la metalurgia ferrosa han producido una gama cada vez mayor de aceros microaleados, también denominados ' HSLA ' o aceros de baja aleación y alta resistencia, que contienen pequeñas adiciones para producir altas resistencias y, a menudo, una tenacidad espectacular a un costo mínimo. [131] [132] [133]
Las aleaciones con composiciones elementales de alta pureza (como las aleaciones de hierro electrolítico ) tienen propiedades específicamente mejoradas como ductilidad , resistencia a la tracción , tenacidad , resistencia a la fatiga , resistencia al calor y resistencia a la corrosión.
Además de las aplicaciones tradicionales, el hierro también se utiliza para proteger contra las radiaciones ionizantes. Aunque es más ligero que otro material de protección tradicional, el plomo , es mucho más resistente mecánicamente. En el gráfico se muestra la atenuación de la radiación en función de la energía. [134]
La principal desventaja del hierro y el acero es que el hierro puro, y la mayoría de sus aleaciones, se oxidan gravemente si no se protegen de alguna manera, un costo que representa más del 1% de la economía mundial. [135] La pintura , la galvanización , la pasivación , el revestimiento plástico y el pavonado se utilizan para proteger el hierro de la oxidación excluyendo el agua y el oxígeno o mediante protección catódica . El mecanismo de oxidación del hierro es el siguiente: [135]
El electrolito suele ser sulfato de hierro (II) en las zonas urbanas (que se forma cuando el dióxido de azufre atmosférico ataca al hierro) y partículas de sal en la atmósfera en las zonas costeras. [135]
Debido a que el Fe es económico y no tóxico, se han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de catalizadores y reactivos basados en Fe . Sin embargo, el hierro es menos común como catalizador en procesos comerciales que los metales más caros. [136] En biología, las enzimas que contienen Fe son omnipresentes. [137]
Los catalizadores de hierro se utilizan tradicionalmente en el proceso Haber-Bosch para la producción de amoníaco y en el proceso Fischer-Tropsch para la conversión de monóxido de carbono en hidrocarburos para combustibles y lubricantes. [138] El hierro en polvo en medio ácido se utiliza en la reducción de Bechamp , la conversión de nitrobenceno en anilina . [139]
El óxido de hierro (III) mezclado con polvo de aluminio se puede encender para crear una reacción de termita , que se utiliza para soldar piezas grandes de hierro (como rieles ) y purificar minerales. Como pigmentos rojizos y ocres se utilizan óxido de hierro (III) y oxihidróxido .
El cloruro de hierro (III) se utiliza en la purificación del agua y el tratamiento de aguas residuales , en el teñido de telas, como agente colorante en pinturas, como aditivo en la alimentación animal y como grabador de cobre en la fabricación de placas de circuito impreso . [140] También se puede disolver en alcohol para formar tintura de hierro, que se utiliza como medicamento para detener las hemorragias en los canarios . [141]
El sulfato de hierro (II) se utiliza como precursor de otros compuestos de hierro. También se utiliza para reducir el cromato en el cemento. Se utiliza para fortificar alimentos y tratar la anemia por deficiencia de hierro . El sulfato de hierro (III) se utiliza para sedimentar partículas diminutas de aguas residuales en el agua de los tanques. El cloruro de hierro (II) se utiliza como agente floculante reductor, en la formación de complejos de hierro y óxidos de hierro magnéticos, y como agente reductor en síntesis orgánica. [140]
El nitroprusiato de sodio es un fármaco utilizado como vasodilatador . Está en la Lista de Medicamentos Esenciales de la Organización Mundial de la Salud . [142]
El hierro es necesario para la vida. [9] [143] [144] Los grupos hierro-azufre son omnipresentes e incluyen la nitrogenasa , las enzimas responsables de la fijación biológica de nitrógeno . Las proteínas que contienen hierro participan en el transporte, almacenamiento y utilización del oxígeno. [9] Las proteínas de hierro participan en la transferencia de electrones . [145]
Ejemplos de proteínas que contienen hierro en organismos superiores incluyen hemoglobina, citocromo (ver hierro de alta valencia ) y catalasa . [9] [146] El ser humano adulto promedio contiene alrededor del 0,005% del peso corporal de hierro, o alrededor de cuatro gramos, de los cuales tres cuartas partes están en hemoglobina, un nivel que permanece constante a pesar de que solo se absorbe alrededor de un miligramo de hierro cada día, [ 145] porque el cuerpo humano recicla su hemoglobina para obtener el contenido de hierro. [147]
El crecimiento microbiano puede verse favorecido por la oxidación del hierro (II) o por la reducción del hierro (III). [148]
La adquisición de hierro plantea un problema para los organismos aeróbicos porque el hierro férrico es poco soluble cerca del pH neutro. Por lo tanto, estos organismos han desarrollado medios para absorber el hierro en forma de complejos, a veces absorbiendo hierro ferroso antes de oxidarlo nuevamente a hierro férrico. [9] En particular, las bacterias han desarrollado agentes secuestrantes de muy alta afinidad llamados sideróforos . [149] [150] [151]
Después de la absorción en las células humanas , el almacenamiento de hierro se regula con precisión. [9] [152] Un componente importante de esta regulación es la proteína transferrina , que une los iones de hierro absorbidos del duodeno y los transporta por la sangre a las células. [9] [153] La transferrina contiene Fe 3+ en medio de un octaedro distorsionado, unido a un nitrógeno, tres oxígenos y un anión carbonato quelante que atrapa el ion Fe 3+ : tiene una constante de estabilidad tan alta que es muy eficaz para absorber iones Fe 3+ incluso de los complejos más estables. En la médula ósea, la transferrina se reduce de Fe 3+ y Fe 2+ y se almacena como ferritina para incorporarse a la hemoglobina. [145]
Los compuestos de hierro bioinorgánicos (moléculas biológicas de hierro) más comúnmente conocidos y estudiados son las proteínas hemo : ejemplos son la hemoglobina , la mioglobina y el citocromo P450 . [9] Estos compuestos participan en el transporte de gases, la construcción de enzimas y la transferencia de electrones . [145] Las metaloproteínas son un grupo de proteínas con cofactores de iones metálicos . Algunos ejemplos de metaloproteínas de hierro son la ferritina y la rubredoxina . [145] Muchas enzimas vitales para la vida contienen hierro, como la catalasa , [154] lipoxigenasas , [155] e IRE-BP . [156]
La hemoglobina es un transportador de oxígeno que se presenta en los glóbulos rojos y aporta su color, transportando oxígeno en las arterias desde los pulmones hasta los músculos donde es transferido a la mioglobina , que lo almacena hasta que es necesario para la oxidación metabólica de la glucosa , generando energía. . [9] Aquí la hemoglobina se une al dióxido de carbono , producido cuando la glucosa se oxida, que es transportada a través de las venas por la hemoglobina (predominantemente como aniones bicarbonato ) de regreso a los pulmones, donde se exhala. [145] En la hemoglobina, el hierro se encuentra en uno de los cuatro grupos hemo y tiene seis posibles sitios de coordinación; cuatro están ocupados por átomos de nitrógeno en un anillo de porfirina , el quinto por un nitrógeno imidazol en un residuo de histidina de una de las cadenas de proteínas unidas al grupo hemo, y el sexto está reservado para la molécula de oxígeno a la que puede unirse de manera reversible. [145] Cuando la hemoglobina no está unida al oxígeno (y entonces se llama desoxihemoglobina), el ion Fe 2+ en el centro del grupo hemo (en el interior de la proteína hidrofóbica) está en una configuración de alto espín . Por lo tanto, es demasiado grande para caber dentro del anillo de porfirina, que en cambio se curva formando una cúpula con el ion Fe 2+ a unos 55 picómetros por encima. En esta configuración, el sexto sitio de coordinación reservado para el oxígeno está bloqueado por otro residuo de histidina. [145]
Cuando la desoxihemoglobina recoge una molécula de oxígeno, este residuo de histidina se aleja y regresa una vez que el oxígeno está firmemente unido para formar un enlace de hidrógeno con él. Esto da como resultado que el ion Fe 2+ cambie a una configuración de bajo espín, lo que resulta en una disminución del 20% en el radio iónico, de modo que ahora puede encajar en el anillo de porfirina, que se vuelve plano. [145] (Además, este enlace de hidrógeno da como resultado la inclinación de la molécula de oxígeno, lo que resulta en un ángulo de enlace Fe-O-O de alrededor de 120° que evita la formación de puentes Fe-O-Fe o Fe-O 2 -Fe. eso conduciría a la transferencia de electrones, la oxidación de Fe 2+ a Fe 3+ y la destrucción de la hemoglobina). Esto resulta en un movimiento de todas las cadenas de proteínas que lleva a que las otras subunidades de la hemoglobina cambien de forma a una forma con mayor tamaño. afinidad por el oxígeno. Por tanto, cuando la desoxihemoglobina absorbe oxígeno, aumenta su afinidad por más oxígeno y viceversa. [145] La mioglobina, por otro lado, contiene solo un grupo hemo y, por lo tanto, este efecto cooperativo no puede ocurrir. Así, mientras que la hemoglobina está casi saturada de oxígeno en las altas presiones parciales de oxígeno que se encuentran en los pulmones, su afinidad por el oxígeno es mucho menor que la de la mioglobina, que se oxigena incluso a bajas presiones parciales de oxígeno que se encuentran en el tejido muscular. [145] Como se describe por el efecto Bohr (llamado así por Christian Bohr , el padre de Niels Bohr ), la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina disminuye en presencia de dióxido de carbono. [145]
El monóxido de carbono y el trifluoruro de fósforo son venenosos para los humanos porque se unen a la hemoglobina de manera similar al oxígeno, pero con mucha más fuerza, de modo que el oxígeno ya no puede transportarse por todo el cuerpo. La hemoglobina unida al monóxido de carbono se conoce como carboxihemoglobina . Este efecto también juega un papel menor en la toxicidad del cianuro , pero allí el efecto principal es, con diferencia, su interferencia con el funcionamiento adecuado de la proteína transportadora de electrones citocromo a . [145] Las proteínas del citocromo también involucran grupos hemo y participan en la oxidación metabólica de la glucosa por el oxígeno. El sexto sitio de coordinación lo ocupa entonces otro nitrógeno imidazol o un azufre de metionina , de modo que estas proteínas son en gran medida inertes al oxígeno, con la excepción del citocromo a, que se une directamente al oxígeno y, por lo tanto, se envenena muy fácilmente con cianuro. [145] Aquí, la transferencia de electrones tiene lugar cuando el hierro permanece en bajo espín pero cambia entre los estados de oxidación +2 y +3. Dado que el potencial de reducción de cada paso es ligeramente mayor que el anterior, la energía se libera paso a paso y, por tanto, puede almacenarse en trifosfato de adenosina . El citocromo a es ligeramente distinto, ya que ocurre en la membrana mitocondrial, se une directamente al oxígeno y transporta protones y electrones, de la siguiente manera: [145]
Aunque las proteínas hemo son la clase más importante de proteínas que contienen hierro, las proteínas hierro-azufre también son muy importantes, ya que participan en la transferencia de electrones, lo cual es posible ya que el hierro puede existir de manera estable en los estados de oxidación +2 o +3. Estos tienen uno, dos, cuatro u ocho átomos de hierro, cada uno de los cuales está coordinado aproximadamente tetraédricamente con cuatro átomos de azufre; debido a esta coordinación tetraédrica, siempre tienen hierro de alto espín. El más simple de estos compuestos es la rubredoxina , que tiene sólo un átomo de hierro coordinado con cuatro átomos de azufre de los residuos de cisteína en las cadenas peptídicas circundantes. Otra clase importante de proteínas hierro-azufre son las ferredoxinas , que tienen múltiples átomos de hierro. La transferrina no pertenece a ninguna de estas clases. [145]
La capacidad de los mejillones de mar para mantener su agarre sobre las rocas del océano se ve facilitada por el uso de enlaces organometálicos a base de hierro en sus cutículas ricas en proteínas . Según réplicas sintéticas, la presencia de hierro en estas estructuras aumentó el módulo elástico 770 veces, la resistencia a la tracción 58 veces y la tenacidad 92 veces. La cantidad de estrés necesaria para dañarlos permanentemente aumentó 76 veces. [158]
El hierro es omnipresente, pero las fuentes dietéticas particularmente ricas en hierro incluyen carnes rojas , ostras , frijoles , aves , pescado , verduras de hoja , berros , tofu y melaza . [9] El pan y los cereales para el desayuno a veces están específicamente fortificados con hierro. [9] [159]
El hierro proporcionado por los suplementos dietéticos suele encontrarse como fumarato de hierro (II) , aunque el sulfato de hierro (II) es más barato y se absorbe igualmente bien. [140] El hierro elemental, o hierro reducido, a pesar de ser absorbido con sólo un tercio o dos tercios de la eficiencia (en relación con el sulfato de hierro), [160] a menudo se agrega a alimentos como los cereales para el desayuno o la harina de trigo enriquecida. El hierro está más disponible para el cuerpo cuando está quelado en aminoácidos [161] y también está disponible para su uso como suplemento de hierro común . La glicina , el aminoácido menos costoso, se utiliza con mayor frecuencia para producir suplementos de glicinato de hierro. [162]
El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM) actualizó los requerimientos promedio estimados (EAR) y las cantidades dietéticas recomendadas (RDA) de hierro en 2001. [9] El EAR actual de hierro para mujeres de 14 a 18 años es de 7,9 mg/día, 8,1 para las edades 19–50 y 5,0 a partir de entonces (posmenopausia). Para los hombres, la EAR es de 6,0 mg/día a partir de 19 años. La dosis diaria recomendada es de 15,0 mg/día para mujeres de 15 a 18 años, 18,0 para mujeres de 19 a 50 años y 8,0 a partir de entonces. Para hombres, 8,0 mg/día a partir de 19 años. Las RDA son más altas que las EAR para identificar cantidades que cubrirán a las personas con necesidades superiores al promedio. La dosis diaria recomendada para el embarazo es de 27 mg/día y, para la lactancia, de 9 mg/día. [9] Para niños de 1 a 3 años, 7 mg/día, 10 para niños de 4 a 8 años y 8 para niños de 9 a 13 años. En cuanto a la seguridad, el IOM también establece niveles máximos de ingesta tolerable (UL) de vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del hierro el UL se fija en 45 mg/día. En conjunto, las EAR, las RDA y los UL se denominan ingestas dietéticas de referencia . [163]
La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores Dietéticos de Referencia, con Ingesta de Referencia Poblacional (PRI) en lugar de RDA, y Requerimiento Promedio en lugar de EAR. AI y UL se definieron igual que en Estados Unidos. Para las mujeres, el PRI es de 13 mg/día entre 15 y 17 años, 16 mg/día para mujeres premenopáusicas de 18 años en adelante y 11 mg/día posmenopáusicas. Para embarazo y lactancia, 16 mg/día. Para los hombres, el PRI es de 11 mg/día de 15 años o más. Para niños de 1 a 14 años el PRI aumenta de 7 a 11 mg/día. Los PRI son más altos que las RDA de Estados Unidos, con excepción del embarazo. [164] La EFSA examinó la misma pregunta de seguridad y no estableció un UL. [165]
Los bebés pueden necesitar suplementos de hierro si se les alimenta con biberón y leche de vaca. [166] Los donantes de sangre frecuentes corren el riesgo de tener niveles bajos de hierro y, a menudo, se les recomienda complementar su ingesta de hierro. [167]
Para fines de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como porcentaje del valor diario (%DV). Para fines de etiquetado de hierro, el 100 % del valor diario era de 18 mg y, al 27 de mayo de 2016, [actualizar]se mantenía sin cambios en 18 mg. [168] [169] Se proporciona una tabla de los valores diarios antiguos y nuevos para adultos en Ingesta diaria de referencia .
La deficiencia de hierro es la deficiencia nutricional más común en el mundo. [9] [170] [171] [172] Cuando la pérdida de hierro no se compensa adecuadamente con una ingesta adecuada de hierro en la dieta, se produce un estado de deficiencia de hierro latente , que con el tiempo conduce a anemia por deficiencia de hierro si no se trata, que se caracteriza por un número insuficiente de glóbulos rojos y una cantidad insuficiente de hemoglobina. [173] Los niños, las mujeres premenopáusicas (mujeres en edad fértil) y las personas con una dieta deficiente son los más susceptibles a la enfermedad. La mayoría de los casos de anemia por deficiencia de hierro son leves, pero si no se tratan pueden causar problemas como latidos cardíacos rápidos o irregulares, complicaciones durante el embarazo y retraso en el crecimiento de bebés y niños. [174]
El cerebro es resistente a la deficiencia aguda de hierro debido al lento transporte de hierro a través de la barrera hematoencefálica. [175] Las fluctuaciones agudas en el estado del hierro (marcadas por los niveles de ferritina sérica) no reflejan el estado del hierro en el cerebro, pero se sospecha que la deficiencia nutricional prolongada de hierro reduce las concentraciones de hierro en el cerebro con el tiempo. [176] [177] En el cerebro, el hierro desempeña un papel en el transporte de oxígeno, la síntesis de mielina, la respiración mitocondrial y como cofactor para la síntesis y el metabolismo de neurotransmisores. [178] Los modelos animales de deficiencia nutricional de hierro informan cambios biomoleculares similares a los observados en la enfermedad de Parkinson y Huntington. [179] [180] Sin embargo, la acumulación de hierro en el cerebro relacionada con la edad también se ha relacionado con el desarrollo del Parkinson. [181]
La absorción de hierro está estrictamente regulada por el cuerpo humano, que no tiene medios fisiológicos regulados para excretar hierro. Sólo se pierden pequeñas cantidades de hierro diariamente debido al desprendimiento de las células epiteliales de la piel y las mucosas, por lo que el control de los niveles de hierro se logra principalmente mediante la regulación de la absorción. [182] La regulación de la absorción de hierro se ve afectada en algunas personas como resultado de un defecto genético que se asigna a la región del gen HLA-H en el cromosoma 6 y conduce a niveles anormalmente bajos de hepcidina , un regulador clave de la entrada de hierro en el sistema circulatorio en mamíferos. [183] En estas personas, la ingesta excesiva de hierro puede provocar trastornos por sobrecarga de hierro , conocidos médicamente como hemocromatosis . [9] Muchas personas tienen una susceptibilidad genética no diagnosticada a la sobrecarga de hierro y no conocen antecedentes familiares del problema. Por este motivo, las personas no deben tomar suplementos de hierro a menos que padezcan una deficiencia de hierro y hayan consultado a un médico. Se estima que la hemocromatosis es la causa del 0,3 al 0,8% de todas las enfermedades metabólicas de los caucásicos. [184]
Las sobredosis de hierro ingerido pueden provocar niveles excesivos de hierro libre en la sangre. Los niveles altos de hierro ferroso libre en sangre reaccionan con los peróxidos para producir radicales libres altamente reactivos que pueden dañar el ADN , las proteínas , los lípidos y otros componentes celulares. La toxicidad del hierro ocurre cuando la célula contiene hierro libre, lo que generalmente ocurre cuando los niveles de hierro exceden la disponibilidad de transferrina para unirse al hierro. El daño a las células del tracto gastrointestinal también puede impedir que regulen la absorción de hierro, lo que provoca mayores aumentos en los niveles en sangre. El hierro normalmente daña las células del corazón , el hígado y otros lugares, provocando efectos adversos que incluyen coma , acidosis metabólica , shock , insuficiencia hepática , coagulopatía , daño orgánico a largo plazo e incluso la muerte. [185] Los seres humanos experimentan toxicidad por hierro cuando el hierro excede los 20 miligramos por cada kilogramo de masa corporal; 60 miligramos por kilogramo se considera una dosis letal . [186] El consumo excesivo de hierro, a menudo el resultado de que los niños ingieran grandes cantidades de tabletas de sulfato ferroso destinadas al consumo de adultos, es una de las causas toxicológicas más comunes de muerte en niños menores de seis años. [186] La ingesta dietética de referencia (DRI) establece el nivel máximo de ingesta tolerable (UL) para adultos en 45 mg/día. Para niños menores de catorce años, el UL es de 40 mg/día. [187]
El tratamiento médico de la toxicidad del hierro es complicado y puede incluir el uso de un agente quelante específico llamado deferoxamina para unir y expulsar el exceso de hierro del cuerpo. [185] [188] [189]
Algunas investigaciones han sugerido que los niveles bajos de hierro talámico pueden desempeñar un papel en la fisiopatología del TDAH . [190] Algunos investigadores han descubierto que los suplementos de hierro pueden ser eficaces, especialmente en el subtipo de falta de atención del trastorno. [191] Un estudio también demostró que el hierro puede reducir el riesgo de eventos cardiovasculares durante el tratamiento con medicamentos para el TDAH. [192]
Algunos investigadores en la década de 2000 sugirieron un vínculo entre los niveles bajos de hierro en la sangre y el TDAH. Un estudio de 2012 no encontró tal correlación. [193]
El papel del hierro en la defensa contra el cáncer puede describirse como un "arma de doble filo" debido a su presencia generalizada en procesos no patológicos. [194] Las personas que reciben quimioterapia pueden desarrollar deficiencia de hierro y anemia , para las cuales se utiliza terapia con hierro intravenoso para restaurar los niveles de hierro. [195] La sobrecarga de hierro, que puede ocurrir por el alto consumo de carne roja, [9] puede iniciar el crecimiento del tumor y aumentar la susceptibilidad a la aparición del cáncer, [195] particularmente para el cáncer colorrectal . [9]
El hierro desempeña un papel esencial en los sistemas marinos y puede actuar como nutriente limitante de la actividad planctónica. [196] Debido a esto, una disminución excesiva del hierro puede provocar una disminución de las tasas de crecimiento en organismos fitoplanctónicos como las diatomeas. [197] El hierro también puede ser oxidado por microbios marinos en condiciones con alto contenido de hierro y bajo contenido de oxígeno. [198]
El hierro puede ingresar a los sistemas marinos a través de ríos adyacentes y directamente desde la atmósfera. Una vez que el hierro ingresa al océano, puede distribuirse por toda la columna de agua mediante la mezcla del océano y el reciclaje a nivel celular. [199] En el Ártico, el hielo marino desempeña un papel importante en el almacenamiento y distribución de hierro en el océano, agotando el hierro oceánico cuando se congela en el invierno y liberándolo nuevamente al agua cuando se descongela en el verano. [200] El ciclo del hierro puede hacer fluctuar las formas de hierro de formas acuosas a partículas, alterando la disponibilidad de hierro para los productores primarios. [201] El aumento de la luz y el calor aumenta la cantidad de hierro que se encuentra en formas que son utilizables por los productores primarios. [202]
La composición de la hoja de hierro, níquel y cobalto coincidía aproximadamente con la de un meteorito que aterrizó en el norte de Egipto.
El resultado "sugiere fuertemente un origen extraterrestre"
El alto horno más antiguo descubierto en China aproximadamente en el siglo I d.C.
![Ilustración china del siglo XVII de trabajadores en un alto horno, fabricando hierro forjado a partir de arrabio[119]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8c/Chinese_Fining_and_Blast_Furnace.jpg/1280px-Chinese_Fining_and_Blast_Furnace.jpg)
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