Hierro

Hierro
←  Manganeso | Cobalto  →
26 Fe ↓ ru 26Fe _
Apariencia de una sustancia simple.
Hierro ultrapuro
Propiedades del átomo
Nombre, símbolo, número	Hierro / Ferrum (Fe), 26
Grupo , período , bloque	8 (obsoleto 8), 4, elemento d
Masa atómica ( masa molar )	55,845(2) [1]  a. m.e.  ( g / mol )
Configuración electrónica	[ Ar ] 3d 6 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2
Radio del átomo	126 p. m.
Propiedades químicas
radio covalente	117  p. m.
Radio de iones	(+3e) 64 (+2e) 74  horas
Electronegatividad	1,83 (escala de Pauling)
Potencial de electrodo	Fe←Fe 3+ -0,04 V Fe←Fe 2+ -0,44 V
Estados de oxidación	-2; -una; 0; +1; +2; +3; +4; +5; +6
Energía de ionización (primer electrón)	759,1 (7,87)  kJ / mol  ( eV )
Propiedades termodinámicas de una sustancia simple.
Densidad (en n.a. )	7,874 g/cm³
Temperatura de fusión	1812K (1538,85°C)
Temperatura de ebullición	3134K (2861°C)
Oud. calor de fusión	247,1 kJ/kg 13,8 kJ/mol
Oud. calor de evaporacion	~6088 kJ/kg ~340 kJ/mol
Capacidad calorífica molar	25,14 [2]  J/(K mol)
Volumen molar	7,1  cm³ / mol
La red cristalina de una sustancia simple.
Estructura de celosía	cuerpo cúbico centrado
Parámetros de celosía	2.866Å  _
Debye temperatura	460K  _
Otras características
Conductividad térmica	(300 K) 80,4 W/(m·K)
número CAS	7439-89-6
Espectro de emisión

El hierro ( símbolo químico  - Fe , del lat.  Ferrum ) es un elemento químico del octavo grupo (según la clasificación obsoleta  , un subgrupo lateral del octavo grupo, VIIIB) del cuarto período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev con número atómico 26.

La sustancia simple hierro  es un metal de transición maleable de color blanco plateado con alta reactividad química: el hierro se corroe rápidamente en el aire a altas temperaturas o alta humedad . En oxígeno puro , el hierro arde , y en estado finamente disperso, se enciende espontáneamente en el aire.

Uno de los metales más comunes en la corteza terrestre: solo superado por el aluminio .

En realidad, se suele denominar hierro a sus aleaciones con un bajo contenido de impurezas (hasta un 0,8%), que conservan la blandura y ductilidad del metal puro. Pero en la práctica, las aleaciones de hierro con carbono se utilizan con mayor frecuencia : acero (hasta 2,14 % en peso de carbono) y hierro fundido (más de 2,14 % en peso de carbono ), así como acero inoxidable (aleado) con la adición de aleaciones . metales ( cromo , manganeso , níquel , etc.). La combinación de las propiedades específicas del hierro y sus aleaciones lo convierten en el "metal número 1" en importancia para los humanos.

En la naturaleza, el hierro rara vez se encuentra en su forma pura, más a menudo en la composición de meteoritos de hierro y níquel. La prevalencia de hierro en la corteza terrestre es del 4,65 % (cuarto lugar después del O , Si , Al [3] ). También se cree que el hierro constituye la mayor parte del núcleo de la tierra .

Historia

El hierro como material para herramientas se conoce desde la antigüedad. Los productos de hierro más antiguos encontrados durante las excavaciones arqueológicas datan del cuarto milenio antes de Cristo. mi. y pertenecen a las antiguas civilizaciones sumeria y egipcia . Estos están hechos de hierro meteórico , es decir, una aleación de hierro y níquel (el contenido de este último oscila entre el 5 y el 30 %), joyas de tumbas egipcias (alrededor del 3800 a. C.) [4] [5] y una daga de la Ciudad sumeria de Ur (alrededor del 3100 a. C.). [6]

Los primeros en dominar el método de fundición del hierro fueron los Hattas . Así lo indica la mención más antigua (segundo milenio a. C.) del hierro en los textos de los hititas , que fundaron su imperio en el territorio de los hatianos (actual Anatolia en Turquía) [7] .

En la antigüedad, los Khalibs [8] eran considerados maestros de los productos de hierro .

En la antigüedad más profunda, el hierro se valoraba más que el oro, y según la descripción de Estrabón , las tribus africanas daban 10 libras de oro por 1 libra de hierro, y según los estudios del historiador G. Areshyan, el costo del cobre , la plata , el oro y el hierro entre los antiguos hititas estaba en la proporción 1: 160: 1280: 6400. [9] En aquellos días, el hierro se usaba como metal para joyería, se hacían tronos y otras insignias del poder real: por ejemplo , en el libro bíblico de Deuteronomio , se describe la “cama de hierro” del rey Og de los Refaítas [10] .

Según las descripciones de Homero, aunque durante la Guerra de Troya (alrededor del 1250 a. C.) las armas eran mayoritariamente de cobre y bronce, el hierro ya era muy conocido y demandado, aunque más como metal precioso [11] .

El libro bíblico de Josué 17:16 (cf. Jueces 14:4) describe que los filisteos (bíblica "PILISTIM", y estas eran tribus proto-griegas emparentadas con los posteriores helenos, principalmente pelasgos ) tenían muchos carros de hierro, es decir, en ese momento el hierro ya se ha utilizado ampliamente en grandes cantidades.

Más tarde aprendió[ quien? ] para hacer hornos más eficientes (en ruso - alto horno , domnitsa) para la producción de acero, y se usaron pieles para suministrar aire al horno. Los romanos ya sabían llevar la temperatura en el horno a la fusión del acero (unos 1400 °C, y el hierro puro se funde a 1535 °C). En este caso, el hierro fundido se forma con un punto de fusión de 1100-1200 ° C, que es muy frágil en estado sólido (ni siquiera se puede forjar) y no tiene la elasticidad del acero. [12] Inicialmente, fue considerado[ quien? ] un subproducto nocivo ( ing.  arrabio , en ruso, arrabio, lingotes, de donde, de hecho, proviene la palabra arrabio), pero luego se descubrió[ ¿por quién? ] que cuando se vuelve a fundir en un horno con más aire que lo atraviesa, el hierro fundido se convierte en acero de buena calidad, ya que el exceso de carbono se quema. Tal proceso de dos etapas para la producción de acero a partir de hierro fundido resultó ser más simple y más rentable que la floración, y este principio se ha utilizado sin cambios durante muchos siglos, siendo hasta el día de hoy el método principal para la producción de hierro. materiales [13] .

Origen del nombre

El protoeslavo *želězo ( bielorruso zhaleza , ucraniano zalіzo , antiguo eslavo  zhelѣzo , búlgaro zhelyazo , serbo -chorviano zhežezo , polaco żelazo , checo železo , esloveno železo ) tiene claros paralelos en las lenguas bálticas ( lit. geležis , letón dzelzs ) . La palabra es un cognado de las palabras " hierro " y " nódulo "; y tiene el significado de "una piedra redondeada, bolita, blambá" [14] .

Hay varias versiones de la etimología adicional de esta palabra baltoeslava .

Uno de ellos conecta praslav. *želězo con la palabra griega χαλκός , que significaba hierro y cobre, según otra versión *želězo está relacionado con las palabras *žely " tortuga " y *glazъ "roca", con el sema común " piedra " [ 15] [16] . La tercera versión sugiere un antiguo préstamo de una lengua desconocida [17] .

Las lenguas romances ( italiano  ferro , francés  fer , español  hierro , port ferro , ron fier ) ​​continúan lat.  Ferrum _ El latín ferrum (< *ferzom ) puede haber sido tomado de alguna lengua oriental, probablemente el fenicio. Casarse hebreo barzel , sumerio. barzal , asirio parzilla [18] . De ahí, probablemente, la burdina vasca .

Las lenguas germánicas tomaron prestado el nombre de hierro ( gótico eisarn , inglés  iron , alemán  Eisen , holandés  ijzer , danés jern , sueco järn ) del celta [19] .

La palabra procelta *isarno- (> OE iarn, OE Bret. hoiarn) probablemente se remonta al proto-IE. *h 1 esh 2 r-no- "sangriento" con desarrollo semántico "sangriento" > "rojo" > "hierro". Según otra hipótesis, esta palabra se remonta a pra-i.e. *(H)ish 2 ro- “fuerte, santo, que posee poder sobrenatural” [20] .

La antigua palabra griega σίδηρος puede haber sido tomada de la misma fuente que las palabras eslavas, germánicas y bálticas para plata [21] .

El nombre de carbonato de hierro natural (siderita) proviene del lat.  sidereus  - estelar; de hecho, el primer hierro que cayó en manos de las personas fue de origen meteórico. Quizás esta coincidencia no sea casual. En particular, es probable que la antigua palabra griega sideros (σίδηρος) para hierro y el latín sidus , que significa "estrella", tengan un origen común.

Isótopos

El hierro natural consta de cuatro isótopos estables : 54 Fe ( abundancia isotópica 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) y 58 Fe (0,282%). También se conocen más de 20 isótopos de hierro inestables con números de masa de 45 a 72, de los cuales los más estables son 60 Fe ( la vida media , según datos actualizados en 2009, es de 2,6 millones de años [22] ), 55 Fe ( 2.737 años), 59 Fe (44.495 días) y 52 Fe (8.275 horas); los isótopos restantes tienen una vida media de menos de 10 minutos [23] .

El isótopo de hierro 56 Fe se encuentra entre los núcleos más estables: todos los siguientes elementos pueden aumentar la energía de enlace por nucleón por decaimiento, y todos los elementos anteriores, en principio, podrían aumentar la energía de enlace por nucleón debido a la fusión. Se cree que una serie de síntesis de elementos en los núcleos de estrellas normales termina con hierro (ver estrella de hierro ), y todos los elementos subsiguientes pueden formarse solo como resultado de explosiones de supernova [24] .

Geoquímica del hierro

El hierro es uno de los elementos más comunes en el sistema solar, especialmente en los planetas terrestres, en particular en la Tierra. Una parte importante del hierro de los planetas terrestres se encuentra en los núcleos de los planetas, donde se estima que su contenido ronda el 90%. El contenido de hierro en la corteza terrestre es del 5%, y en el manto alrededor del 12%. De los metales, el hierro ocupa el segundo lugar después del aluminio en términos de abundancia en la corteza . Al mismo tiempo, alrededor del 86% de todo el hierro se encuentra en el núcleo y el 14% en el manto. El contenido de hierro aumenta significativamente en rocas ígneas máficas, donde se asocia con piroxeno , anfíbol , olivino y biotita . En concentraciones industriales, el hierro se acumula durante casi todos los procesos exógenos y endógenos que ocurren en la corteza terrestre. El agua de mar contiene hierro en cantidades muy pequeñas de 0,002 a 0,02 mg/l. En el agua del río, su concentración es mucho mayor: 2 mg / l.

Propiedades geoquímicas del hierro

La característica geoquímica más importante del hierro es que tiene varios estados de oxidación. El hierro en forma neutra -metálica- compone el núcleo de la Tierra, posiblemente presente en el manto y muy raramente encontrado en la corteza terrestre. El hierro ferroso FeO  es la forma principal de hierro en el manto y la corteza terrestre. El óxido de hierro Fe 2 O 3 es característico de las partes superiores y más oxidadas de la corteza terrestre, en particular, de las rocas sedimentarias .

En términos de propiedades químicas cristalinas, el ion Fe 2+ está cerca de los iones Mg 2+ y Ca 2+  , otros elementos principales que constituyen una parte significativa de todas las rocas terrestres. Debido a su similitud química cristalina, el hierro reemplaza al magnesio y, en parte, al calcio en muchos silicatos. El contenido de hierro en minerales de composición variable suele aumentar al disminuir la temperatura.

Minerales de hierro

En la corteza terrestre , el hierro está ampliamente distribuido: representa alrededor del 4,1 % de la masa de la corteza terrestre (el cuarto lugar entre todos los elementos, el segundo entre los metales). En el manto y la corteza terrestre, el hierro se concentra principalmente en silicatos, mientras que su contenido es importante en rocas básicas y ultrabásicas , y bajo en rocas ácidas e intermedias .

Se conocen un gran número de menas y minerales que contienen hierro. Los de mayor importancia práctica son el mineral de hierro rojo ( hematita , Fe 2 O 3 ; contiene hasta un 70 % de Fe), el mineral de hierro magnético ( magnetita , FeO Fe 2 O 3 o Fe 3 O 4 ; contiene un 72,4 % de Fe), hierro pardo mineral o limonita ( goethita e hidrogoethita, FeOOH y FeOOH nH 2 O, respectivamente). La goethita y la hidrogoethita se encuentran con mayor frecuencia en las costras de meteorización , formando los llamados "sombreros de hierro", cuyo espesor alcanza varios cientos de metros. También pueden ser de origen sedimentario, desprendiéndose de soluciones coloidales en lagos o zonas costeras de los mares. En este caso, se forman minerales de hierro oolíticos o legumbres. Vivianite Fe 3 (PO 4 ) 2 8H 2 O se encuentra a menudo en ellos , formando cristales alargados negros y agregados radiantes radiales .

Los sulfuros de hierro también están muy extendidos en la naturaleza: pirita FeS 2 (pirita sulfúrica o de hierro) y pirrotita . No son minerales de hierro: la pirita se usa para producir ácido sulfúrico y la pirrotita a menudo contiene níquel y cobalto.

Rusia ocupa el primer lugar en el mundo en términos de reservas de mineral de hierro .

El contenido de hierro en el agua de mar es 1⋅10 −5 -1⋅10 −8  %.

Otros minerales de hierro comunes [25] :

• Siderita  - FeCO 3  - contiene aproximadamente un 35% de hierro. Tiene un color blanco amarillento (con un tinte gris o marrón en caso de contaminación). La densidad es de 3 g/cm³ y la dureza es de 3,5-4,5 en la escala de Mohs.
• Marcasita  - FeS 2  - contiene 46,6% de hierro. Se presenta como cristales rómbicos bipiramidales amarillos, como el latón, con una densidad de 4,6-4,9 g/cm³ y una dureza de 5-6 en la escala de Mohs.
• Lollingita  - FeAs 2  - contiene un 27,2% de hierro y se presenta en forma de cristales rómbicos bipiramidales de color blanco plateado. La densidad es de 7-7,4 g/cm³, la dureza es de 5-5,5 en la escala de Mohs.
• Mispicel  - FeAsS - contiene 34,3% de hierro. Se presenta como prismas monoclínicos blancos con una densidad de 5,6 a 6,2 g/cm³ y una dureza de 5,5 a 6 en la escala de Mohs.
• Melanterita - FeSO 4 7H 2 O - es menos común en la naturaleza y es un cristal monoclínico verde (o gris debido a las impurezas) con un brillo vítreo, frágil. La densidad es de 1,8-1,9 g/cm³.
• Vivianita - Fe 3 (PO 4 ) 2 8H 2 O - se presenta en forma de cristales monoclínicos de color gris azulado o gris verdoso con una densidad de 2,95 g/cm³ y una dureza de 1,5-2 en la escala de Mohs.

Además de los minerales de hierro descritos anteriormente, existen, por ejemplo:

Grandes depósitos

Según el Servicio Geológico de EE. UU. (estimación de 2011), las reservas mundiales probadas de mineral de hierro ascienden a unos 178 000 millones de toneladas [26] . Los principales yacimientos de hierro se encuentran en Brasil (1er lugar), Australia, EE. UU., Canadá, Suecia, Alemania, Venezuela, Liberia, Ucrania, Polonia, Sudáfrica, Japón, China, Bulgaria, Mongolia, Francia, India.

En 2019, se extrajeron 2.896 mil millones de toneladas de mineral de hierro, con un valor total de aproximadamente 366 mil millones de dólares estadounidenses [27] . El precio del mineral de hierro es de $126,35/tonelada [28] .

Propiedades físicas

El hierro es un metal típico , en estado libre es de color blanco plateado con un tinte grisáceo. El metal puro es dúctil , varias impurezas (en particular, carbono ) aumentan su dureza y fragilidad . Tiene pronunciadas propiedades magnéticas . A menudo se distingue la llamada " tríada de hierro ": un grupo de tres metales (hierro Fe, cobalto Co, níquel Ni) que tienen propiedades físicas , radios atómicos y valores de electronegatividad similares .

El hierro se caracteriza por el polimorfismo , tiene cuatro modificaciones cristalinas :

• hasta 769 °C hay α-Fe (ferrita) con una red cúbica centrada en el cuerpo y las propiedades de un ferromagnético (769 °C ≈ 1043 K  es el punto de Curie para el hierro);
• en el rango de temperatura de 769-917 °C, se encuentra el β-Fe, que difiere del α-Fe solo en los parámetros de la red cúbica centrada en el cuerpo y en las propiedades magnéticas del paramagneto ;
• en el rango de temperatura 917-1394 °C, hay γ-Fe (austenita) con una red cúbica centrada en las caras ;
• por encima de 1394 °C δ-Fe estable con una red cúbica centrada en el cuerpo .

La ciencia de los metales no destaca al β-Fe como una fase separada [29] y lo considera como una especie de α-Fe. Cuando el hierro o el acero se calientan por encima del punto de Curie (769 °C ≈ 1043 K ), el movimiento térmico de los iones altera la orientación de los momentos magnéticos de espín de los electrones , el ferromagneto se convierte en un paramagneto  : se produce una transición de fase de segundo orden , pero una transición de fase de primer orden no ocurre con un cambio en los parámetros físicos básicos de los cristales.

Para el hierro puro a presión normal, desde el punto de vista de la metalurgia , existen las siguientes modificaciones estables:

• desde el cero absoluto hasta 910 °C, la modificación α con una red cristalina cúbica centrada en el cuerpo ( bcc ) es estable;
• de 910 a 1400 °C, la modificación γ con una red cristalina cúbica centrada en las caras ( fcc ) es estable;
• de 1400 a 1539 °C, la modificación δ con una red cristalina cúbica centrada en el cuerpo ( bcc ) es estable.

La presencia de carbono y elementos de aleación en el acero cambia significativamente las temperaturas de las transiciones de fase (ver diagrama de fase hierro-carbono ). Una solución sólida de carbono en hierro α y δ se llama ferrita . A veces se hace una distinción entre ferrita δ de alta temperatura y ferrita α de baja temperatura (o simplemente ferrita), aunque sus estructuras atómicas son las mismas. Una solución sólida de carbono en hierro γ se llama austenita .

• A altas presiones (por encima de 13 GPa, 128,3 mil atm. [30] ), aparece una modificación del hierro ε con una red hexagonal compacta (hcp).

El fenómeno del polimorfismo es extremadamente importante para la metalurgia del acero. Es gracias a las transiciones α-γ de la red cristalina que se produce el tratamiento térmico del acero . Sin este fenómeno, el hierro como base del acero no habría recibido un uso tan generalizado.

El hierro pertenece a los metales moderadamente refractarios . En una serie de potenciales de electrodo estándar, el hierro se sitúa antes que el hidrógeno y reacciona fácilmente con ácidos diluidos. Así, el hierro pertenece a los metales de actividad media.

El punto de fusión del hierro es 1539 °C, el punto de ebullición es 2862 °C.

Propiedades químicas

Estados de oxidación característicos

* El ácido no existe en forma libre, solo se han obtenido sus sales.

La actividad química del hierro depende del grado de su pureza, dispersión , presencia de humedad y oxígeno.

Para el hierro, los estados de oxidación más característicos  son +2 y +3.

El estado de oxidación +2 corresponde al óxido negro FeO y al hidróxido verde Fe(OH) 2 . son basicos En las sales, el Fe(+2) está presente como catión. Fe(+2) es un agente reductor débil.

Los estados de oxidación +3 corresponden al óxido de Fe 2 O 3 marrón rojizo y al hidróxido de Fe(OH) 3 marrón . Son de naturaleza anfótera, aunque sus propiedades ácidas y básicas se expresan débilmente. Por lo tanto, los iones Fe 3+ se hidrolizan completamente incluso en un ambiente ácido. Fe (OH) 3 se disuelve (e incluso entonces no completamente), solo en álcalis concentrados. El Fe 2 O 3 reacciona con los álcalis solo cuando se fusiona, dando ferritas (sales formales del ácido HFeO 2 que no existe en forma libre ):

El hierro (+3) exhibe con mayor frecuencia propiedades oxidantes débiles.

Los estados de oxidación +2 y +3 cambian fácilmente entre sí cuando cambian los potenciales redox.

Además, está el óxido de Fe 3 O 4 , el estado de oxidación formal del hierro en el que es +8/3. Sin embargo, este óxido también se puede considerar como ferrita de hierro (II) Fe +2 (Fe +3 O 2 ) 2 .

También hay un estado de oxidación de +6. El óxido e hidróxido correspondientes no existen en forma libre, pero se han obtenido sales - ferratos (por ejemplo, K 2 FeO 4 ). El hierro (+6) está en ellos en forma de anión. Los ferratos son agentes oxidantes fuertes.

También se conocen los estados de oxidación: −2 ( tetracarbonilferrato de sodio ), −1, 0 ( pentacarbonilo de hierro ), +1, +4, +5.

Propiedades de una sustancia simple

Cuando se almacena al aire a temperaturas de hasta 200 °C, el hierro se cubre gradualmente con una densa película de óxido , lo que evita una mayor oxidación del metal. En aire húmedo, el hierro se cubre con una capa suelta de óxido , que no impide el acceso de oxígeno y humedad al metal y su destrucción. El óxido no tiene una composición química constante, aproximadamente su fórmula química se puede escribir como Fe 2 O 3 xH 2 O.

Reacciona con ácidos .

• Con ácido clorhídrico , formando cloruro férrico (ΙΙ) :

• Con ácido sulfúrico diluido , formando sulfato de hierro (II) :

• Los ácidos nítrico y sulfúrico concentrados pasivan el hierro. Interactúa con el ácido sulfúrico concentrado solo cuando se calienta, formando sulfato de hierro (III) :

• Interacción con el oxígeno .

• El hierro [31] se quema en oxígeno cuando se calienta; o sin, en caso de piroforicidad ; formando óxido de hierro (II, III) : [32] [33] [34] :

• Al pasar oxígeno o aire a través del hierro fundido se produce óxido de hierro (II) :

• Reacciona con polvo de azufre cuando se calienta para formar sulfuro de hierro (II) :

• Reacciona con halógenos cuando se calienta:

• Se quema en cloro , formando cloruro de hierro (III)  :

• A presión elevada, interactúa con el vapor de bromo , formando bromuro de hierro (III) :

• Reacciona con yodo para formar yoduro de hierro (II, III) :

• Interacción con no metales .

• Con nitrógeno al calentar, formando nitruro de dihierro :

• Con fósforo cuando se calienta, formando fosfuros de hierro :

• Con carbono , formando carburo de hierro :

• Con silicio cuando se calienta, formando siliciuro de hierro :

• La interacción del hierro caliente con el vapor de agua da óxido de hierro (III) :

• El hierro restaura los metales que están a su derecha en la serie de actividades a partir de soluciones salinas :

• El hierro reduce los compuestos de hierro (III):

A presión elevada, el hierro metálico reacciona con el monóxido de carbono (II) CO y, en condiciones normales, se forma pentacarbonil Fe (CO) 5 de hierro fácilmente volátil . También se conocen carbonilos de hierro de composiciones Fe 2 (CO) 9 y Fe 3 (CO) 12 . Los carbonilos de hierro sirven como materiales de partida en la síntesis de compuestos orgánicos de hierro, incluido el ferroceno de la composición (η 5 -C 5 H 5 ) 2 Fe.

El hierro metálico puro es estable en agua y en soluciones alcalinas diluidas . El hierro no se disuelve en ácidos sulfúrico y nítrico concentrados fríos debido a la pasivación de la superficie del metal con una fuerte película de óxido. El ácido sulfúrico concentrado caliente, al ser un agente oxidante más fuerte, interactúa con el hierro.

Compuestos de hierro (II)

El óxido de hierro (II) FeO tiene propiedades básicas, corresponde a la base Fe (OH) 2 . Las sales de hierro (II) tienen un color verde claro. Cuando se almacenan, especialmente en aire húmedo, se vuelven marrones debido a la oxidación a hierro (III). El mismo proceso ocurre durante el almacenamiento de soluciones acuosas de sales de hierro (II):

De las sales de hierro (II) en soluciones acuosas, la sal de Mohr es estable  : sulfato de amonio doble y hierro (II) (NH 4 ) 2 Fe (SO 4 ) 2 6H 2 O.

El hexacianoferrato de potasio (III) K 3 [Fe(CN) 6 ] (sal de sangre roja) puede servir como reactivo para los iones Fe 2+ en solución. Cuando los iones Fe 2+ y [Fe(CN) 6 ] 3− interactúan , el hexacianoferrato (III) de potasio-hierro (II) precipita (azul de Turnbull):

que se reorganiza intramolecularmente a hexacianoferrato (II) de potasio hierro (III) ( azul de Prusia ):

Para la determinación cuantitativa de hierro (II) en solución, se utiliza fenantrolina Phen, que forma un complejo FePhen 3 rojo con hierro (II) (la absorción máxima de luz es de 520 nm) en un amplio rango de pH (4-9) [35] .

Compuestos de hierro (III)

El óxido de hierro (III) Fe 2 O 3 es débilmente anfótero , corresponde a una base aún más débil que el Fe (OH) 2 , Fe (OH) 3 , que reacciona con los ácidos:

Las sales de Fe 3+ tienden a formar hidratos cristalinos. En ellos, el ion Fe 3+ suele estar rodeado por seis moléculas de agua. Estas sales son de color rosa o púrpura.

El ion Fe 3+ se hidroliza completamente incluso en un ambiente ácido. A pH>4, este ion se precipita casi por completo como Fe(OH) 3 [36] :

Con la hidrólisis parcial del ion Fe 3+ , se forman oxo- e hidroxocationes polinucleares, por lo que las soluciones se vuelven marrones.

Las propiedades ácidas del hidróxido de hierro (III) Fe (OH) 3 se expresan muy débilmente. Es capaz de reaccionar solo con soluciones alcalinas concentradas:

Los hidroxocomplejos de hierro (III) resultantes son estables solo en soluciones fuertemente alcalinas. Cuando las soluciones se diluyen con agua, se destruyen y el Fe (OH) 3 precipita .

Cuando se fusiona con álcalis y óxidos de otros metales, el Fe 2 O 3 forma una variedad de ferritas :

Los compuestos de hierro (III) en soluciones se reducen con hierro metálico:

El hierro (III) es capaz de formar sulfatos dobles con cationes de tipo alumbre cargados individualmente , por ejemplo, KFe (SO 4 ) 2  - alumbre de potasio y hierro, (NH 4 ) Fe (SO 4 ) 2  - alumbre de hierro y amonio, etc.

Para la detección cualitativa de compuestos de hierro(III) en solución, se utiliza la reacción cualitativa de iones Fe 3+ con tiocianatos inorgánicos SCN − . En este caso, se forma una mezcla de complejos de tiocianato de hierro de color rojo brillante [Fe(SCN)] 2+ , [Fe(SCN) 2 ] + , Fe(SCN) 3 , [Fe(SCN) 4 ] − [37] . La composición de la mezcla (y por tanto la intensidad de su color) depende de varios factores, por lo que este método no es aplicable para la determinación cualitativa precisa del hierro.

Otro reactivo de alta calidad para los iones Fe 3+ es el hexacianoferrato de potasio (II) K 4 [Fe (CN) 6 ] (sal de sangre amarilla). Cuando los iones Fe 3+ y [Fe(CN) 6 ] 4− interactúan, precipita un precipitado azul brillante de hexacianoferrato (II) de potasio y hierro (III) (azul de Prusia):

Cuantitativamente, los iones Fe 3+ están determinados por la formación de complejos rojos (en medio ligeramente ácido) o amarillos (en medio ligeramente alcalino) con ácido sulfosalicílico . Esta reacción requiere una selección competente de tampones, ya que algunos aniones (en particular, acetato) forman complejos mixtos con hierro y ácido sulfosalicílico con sus propias características ópticas.

Compuestos de hierro (VI)

Los ferratos  son sales de ácido férrico H 2 FeO 4 que no existe en forma libre . Estos son compuestos de color violeta, que recuerdan a los permanganatos en propiedades oxidantes y sulfatos en solubilidad. Los ferratos se obtienen por la acción del cloro gaseoso o del ozono sobre una suspensión de Fe (OH) 3 en álcali [38] :

Los ferratos también se pueden obtener por electrólisis de una solución alcalina al 30% sobre un ánodo de hierro:

Los ferratos son agentes oxidantes fuertes. En un ambiente ácido, se descomponen con la liberación de oxígeno [39] :

Las propiedades oxidantes de los ferratos se utilizan para desinfectar el agua .

Compuestos de hierro VII y VIII

El estado de oxidación VII en el anión [FeO 4 ] − [40] es conocido .

Hay informes sobre la preparación electroquímica de compuestos de hierro (VIII) [41] [42] [43] , sin embargo, no hay trabajos independientes que confirmen estos resultados.

Conseguir

En la industria, el hierro se obtiene a partir del mineral de hierro , principalmente a partir de hematites (Fe 2 O 3 ) y magnetita (FeO·Fe 2 O 3 ).

Hay varias formas de extraer hierro de los minerales. El más común es el proceso de dominio.

La primera etapa de producción es la reducción de hierro con carbón en un alto horno a una temperatura de 2000 ° C. En un alto horno, el carbón en forma de coque , el mineral de hierro en forma de sínter o gránulos y el fundente (como la piedra caliza ) se alimentan desde arriba y se encuentran con una corriente de aire caliente inyectado desde abajo.

En el horno, el carbono en forma de coque se oxida a monóxido de carbono . Este óxido se forma durante la combustión por falta de oxígeno :

A su vez, el monóxido de carbono recupera el hierro del mineral. Para que esta reacción sea más rápida, se pasa monóxido de carbono calentado a través de óxido de hierro (III) :

Se agrega fundente para eliminar las impurezas no deseadas (principalmente silicatos , como el cuarzo ) en el mineral que se extrae. Un fundente típico contiene piedra caliza ( carbonato de calcio ) y dolomita ( carbonato de magnesio ). Otros fundentes se utilizan para eliminar otras impurezas.

El efecto del fundente (en este caso, carbonato de calcio ) es que cuando se calienta, se descompone en su óxido :

El óxido de calcio se combina con el dióxido de silicio, formando escoria  - metasilicato de calcio :

La escoria, a diferencia de la sílice , se funde en un horno. Más ligera que el hierro, la escoria flota en la superficie: esta propiedad le permite separar la escoria del metal. La escoria se puede utilizar en la construcción y la agricultura. La fundición de hierro producida en un alto horno contiene bastante carbono ( hierro fundido ). Excepto en tales casos, cuando el hierro fundido se usa directamente, requiere un procesamiento adicional.

El exceso de carbono y otras impurezas ( azufre , fósforo ) se eliminan del hierro fundido por oxidación en hornos de hogar abierto o convertidores. Los hornos eléctricos también se utilizan para fundir aceros aleados.

Además del proceso de alto horno, es común el proceso de producción directa de hierro. En este caso, el mineral pretriturado se mezcla con arcilla especial para formar gránulos. Los gránulos se tuestan y tratan en un horno de cuba con productos calientes de conversión de metano que contienen hidrógeno . El hidrógeno reduce fácilmente el hierro:

no contamina el hierro con impurezas como azufre y fósforo, que son impurezas comunes en el carbón . El hierro se obtiene en forma sólida y luego se funde en hornos eléctricos.

El hierro químicamente puro se obtiene por electrólisis de soluciones de sus sales .

Aplicación

El hierro es uno de los metales más utilizados , representando hasta el 95% de la producción metalúrgica mundial.

• El hierro es el componente principal de los aceros y las fundiciones , los materiales estructurales  más importantes .
• El hierro se puede incluir en aleaciones a base de otros metales, como el níquel.
• El óxido de hierro magnético ( magnetita ) es un material importante en la fabricación de dispositivos de memoria informática a largo plazo: discos duros, disquetes, etc.
• Las propiedades ferromagnéticas únicas de varias aleaciones a base de hierro contribuyen a su uso generalizado en la ingeniería eléctrica para los circuitos magnéticos de transformadores y motores eléctricos.
• El polvo de magnetita ultrafina se usa en muchas impresoras láser en blanco y negro mezclado con gránulos de polímero como tóner. Utiliza tanto el color negro de la magnetita como su capacidad para adherirse a un rodillo de transferencia magnetizado.
• El polvo de hierro se usa como eliminador de oxígeno en el empaque de ciertos alimentos para ayudar a prolongar su vida útil.
• El cloruro de hierro (III) (cloruro férrico) se utiliza en la práctica de radioaficionados para grabar placas de circuito impreso .
• El sulfato ferroso hepático ( sulfato ferroso ) mezclado con sulfato de cobre se utiliza para controlar hongos nocivos en la horticultura y la construcción.
• El hierro se utiliza como ánodo en baterías de hierro-níquel, baterías de hierro-aire .
• Las soluciones acuosas de cloruros de hierro divalente y férrico , así como sus sulfatos , se utilizan como coagulantes en la depuración de aguas naturales y residuales en el tratamiento de aguas de empresas industriales.
• El polvo de hierro y hierro fundido se utiliza como agente chispeante y combustible en pirotecnia [44] .

El significado biológico del hierro

En los organismos vivos, el hierro es un oligoelemento esencial que cataliza los procesos de intercambio de oxígeno (respiración). El principal depósito intracelular de hierro es un complejo proteico globular: la ferritina . La deficiencia de hierro se manifiesta como una enfermedad del organismo: clorosis en las plantas y anemia en los animales.

Normalmente, el hierro ingresa a las enzimas como un complejo llamado hemo . En particular, este complejo está presente en la hemoglobina  , la proteína más importante que asegura el transporte de oxígeno con la sangre a todos los órganos de humanos y animales. Es él quien tiñe la sangre de rojo.

Los complejos de hierro distintos del hemo se encuentran, por ejemplo, en la enzima metano monooxigenasa, que oxida el metano a metanol , en la importante enzima ribonucleótido reductasa, que participa en la síntesis de ADN . Los compuestos inorgánicos de hierro se encuentran en algunas bacterias y, a veces, los utilizan para unir el nitrógeno atmosférico .

Hierro en el cuerpo humano

El cuerpo de un adulto contiene alrededor de 3-4 gramos de hierro [45] (alrededor del 0,005 %), de los cuales solo alrededor de 3,5 mg se encuentran en el plasma sanguíneo. La hemoglobina contiene aproximadamente el 68% del hierro corporal total, ferritina  - 27%, mioglobina  - 4%, transferrina  - 0,1%. Las fuentes de hierro en la biosíntesis de proteínas que contienen hierro son el hierro de los alimentos y el hierro liberado durante la descomposición constante de los eritrocitos en los hepatocitos (células del hígado) y las células del bazo [46] .

La necesidad humana diaria de hierro, según datos rusos, es la siguiente [47] : niños - de 4 a 18 mg, hombres adultos - 10 mg, mujeres adultas - 18 mg, mujeres embarazadas en la segunda mitad del embarazo - 33 mg .

En las mujeres en edad fértil, la necesidad de hierro es mayor debido a la pérdida regular de sangre durante la menstruación [48] [49] .

La Academia Nacional de Medicina distingue entre el requerimiento promedio de hierro y la ingesta de hierro recomendada, esta última diseñada para proporcionar un requerimiento promedio para al menos el 97% de cada población. El cálculo del requerimiento promedio de hierro depende de la absorción de hierro, la siguiente tabla se basa en la suposición de 10% de hierro de productos animales (absorción promedio 25%) y 90% de hierro de alimentos vegetales (absorción promedio 16.8%), para una absorción total del 18%. Dado que la dieta de los niños menores de un año es muy diferente a la de un adulto, la norma para ellos se basa en una digestibilidad estimada del 10% [50] .

El hierro ingresa al cuerpo de los animales y humanos con los alimentos. El hígado y la carne son los más ricos en ellos , en menor medida los huevos , las legumbres ( lentejas , frijoles ), las semillas de calabaza y sésamo , los cereales integrales ( trigo sarraceno ), así como algunos tipos de verduras: tomillo , perejil , lechuga de campo [51] . Durante mucho tiempo, la lista de alimentos que contienen hierro estuvo encabezada por la espinaca , ingresada erróneamente debido a un error tipográfico en los resultados del análisis (cero después de que se perdió el punto decimal).

El hierro en la dieta se divide en hemo o gema (de la carne y otras fuentes animales) y no hemo (de alimentos vegetales). En las proteínas que contienen hemo, el hierro se encuentra en el hemo . En las proteínas que no contienen hierro hemo, el hierro se une directamente a la proteína. Estas proteínas incluyen transferrina , ferritina , enzimas oxidativas ribonucleótido reductasa y xantina oxidasa , flavoproteínas de hierro NADH deshidrogenasa y succinato deshidrogenasa [46] . Las proteínas descritas que contienen hierro no hemo pertenecen a la clase de las ferredoxinas , las más estudiadas se encuentran en los cloroplastos de las plantas verdes y se oxidan durante la transferencia de electrones durante la fotosíntesis, así como las ferredoxinas bacterianas (por ejemplo, la bacteria anaerobia Clostridium pasteurianum ) involucrado en la transferencia de electrones aeróbica o anaeróbica. La ferredoxina-1 humana participa en la hidroxilación y descomposición de las hormonas esteroides y el colesterol en el sistema de enzimas del citocromo P450 microsomal (retículo endoplásmico de los hepatocitos) , así como en la síntesis de hormonas tiroideas. El núcleo de la ferredoxina consiste en moléculas de azufre di- o tetravalente y hierro tetravalente y tiene una fórmula general de la forma (por ejemplo ), está conectado a los esqueletos de las proteínas a través del aminoácido cisteína [52] [53] . el hierro se absorbe más eficientemente (del 15 al 35 %). Numerosos factores influyen en la absorción de hierro no hemo (incluso en alimentos para animales es de alrededor del 60 % [54] ) [55] . El ácido ascórbico o la proteína de la carne consumida junto con los alimentos mejora significativamente la absorción de hierro [56] . Los huevos , el calcio interfieren con la absorción de hierro , pero principalmente los antinutrientes  : ácido fítico , oxalatos , taninos y cafeína [57] .

Por ejemplo, debido al alto nivel de compuestos fíticos, la absorción de hierro de las legumbres es del orden del 0,84-0,91 % [50] . Según un estudio estadounidense, el consumo de té rico en taninos con alimentos que contienen hierro reduce la absorción del oligoelemento en un 62 %, el café  en un 35 % y el consumo de jugo de naranja (alto en ácido ascórbico) la aumenta en un 85 %. % [58] . Al mismo tiempo, los datos de China indican que incluso una ingesta muy alta de té generalmente no afecta los niveles de hierro en la sangre [59] .

Deficiencia de hierro

Con una dieta equilibrada, el hierro de los alimentos suele ser suficiente. En el cuerpo, el equilibrio entre la ingesta y la excreción de hierro se restablece fácilmente y su deficiencia temporal se repone fácilmente a expensas de las reservas disponibles. Y, sin embargo, la deficiencia de hierro es común en los países en desarrollo con una disponibilidad limitada de productos cárnicos. Es el trastorno alimentario más común en la Tierra y afecta a hasta 2 mil millones de personas en todo el mundo [60] .

En algunos casos especiales ( anemia , así como la donación de sangre ) es necesario utilizar preparados que contengan hierro y suplementos nutricionales ( Hematogen , Ferroplex ). La necesidad de hierro aumenta significativamente en la anemia causada, por ejemplo, por invasiones parasitarias como la malaria y la anquilostomiasis , que están muy extendidas en los países tropicales.

Se aconseja a los vegetarianos que tomen alrededor de 1,8 veces más hierro que a los no vegetarianos [61] . En los países occidentales, los alimentos dirigidos a los veganos suelen estar fortificados con hierro, aunque la absorción de sales de hierro (preparados que contienen hierro) suele ser problemática y no se ha demostrado el beneficio de tomar dichos suplementos en personas sanas [62] . Se sabe que el cuerpo de los vegetarianos se adapta a la dieta y retiene las reservas de hierro disponibles de manera más eficiente [63] .

Según los resultados de una serie de estudios, durante la cocción en utensilios de hierro y hierro fundido , el contenido de hierro en los alimentos aumenta de 1,2 a 21 veces [64] [65] [66] . Sin embargo, el contenido de hierro aumenta más en salsas o alimentos cocinados en salsa (por ejemplo, chile). A aquellos que tienen deficiencia de hierro incluso se les ofrece poner figuras especiales hechas de hierro fundido en los platos donde se cocinan los alimentos .

Si bien algunos investigadores creen que la lactancia materna conduce a la deficiencia de hierro, hay muchos estudios que muestran que este no es el caso y que los bebés amamantados absorben mucho mejor el hierro.

Demasiado hierro

El exceso de hierro puede entrar en el cuerpo de un habitante de la ciudad junto con el agua del grifo oxidada (a través de tuberías de hierro fundido). Asimismo, el uso de utensilios de hierro y fundición en la cocina aumenta el contenido de hierro en la misma [64] .

El contenido de hierro en el agua superior a 1-2 mg/l deteriora significativamente sus propiedades organolépticas, dándole un sabor astringente desagradable, y hace que el agua no sea apta para su uso, provocando reacciones alérgicas en humanos. puede causar enfermedades de la sangre y del hígado: hemocromatosis . El límite máximo de concentración de hierro en agua es de 0,3 mg/l.

La acumulación excesiva de hierro en el cuerpo tiene un efecto tóxico. Una sobredosis de hierro estimula la producción de radicales libres , inhibe el sistema antioxidante del cuerpo y probablemente contribuye al desarrollo de la aterosclerosis [67] , por lo que no se recomienda la suplementación con hierro para personas sanas.

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Enlaces

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• Enfermedades causadas por deficiencia y exceso de hierro en el cuerpo humano .

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En catálogos bibliográficos BNE : XX524497 BNF : 11975665r TIERRA : 4014002-7 J9U : 987007560416405171 LCCN : sh85068131 NDL : 00572915 NKC : ph127955

Sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev

una 2                             3 cuatro 5 6 7 ocho 9 diez once 12 13 catorce quince dieciséis 17 Dieciocho una H   Él 2 li Ser   B C norte O F Nordeste 3 N / A miligramos   Alabama Si PAGS S cl Arkansas cuatro k California   Carolina del Sur ti V cr Minnesota Fe co Ni cobre zinc Georgia ge Como Se hermano kr 5 Rb señor   Y Zr Nótese bien Mes tc ru Rh PD Agricultura CD En sn Sb Te yo Xe 6 cs Licenciado en Letras La Ce PR Dakota del Norte Pm SM UE Di-s Tuberculosis dy Ho Eh Tm Yb Lu h.f. Ejército de reserva W Re Os ir punto Au hg Tl Pb Bi Correos A Rn 7 fr Real academia de bellas artes C.A. el Pensilvania tu Notario público PU Soy cm bk cf ES FM Maryland no yo RF DB sg bh hora Monte Ds Rg cn Nueva Hampshire Florida Mc Lv ts og   Metales alcalinos metales alcalinotérreos lantánidos actínidos metales de transición metales ligeros semimetales no metales halógenos Gases nobles

Serie de actividad electroquímica de los metales.
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , Th , Np , U , Hf , Be , Al , Ti , Zr , Yb , Mn , V , Nb , Pa , Cr , Zn , Ga , Fe , Cd , In , Tl , Co , Ni , Te , Mo , Sn , Pb , H 2 , W , Sb , Bi , Ge , Re , Cu , Tc , Te , Rh , Po , Hg , Ag , Pd , Os , Ir , Pt , Au

moneda de metales
Rieles	Aluminio (Al) Hierro (Fe) Oro (Au) Cobre (Cu) Níquel (Ni) Niobio (Nb) Estaño (Sn) Paladio (Pd) platino (pt) Plata (AG) Plomo (Pb) Tantalio (Ta) Cromo (Cr) Cinc (Zn)
Aleaciones	amonital Bronce al aluminio (CuAl) Bronce (CuSn) ducado de oro Cobre Kolyvan (CuAuAg) Latón (CuZn) Cobre Níquel (CuNi) Melchor (CuNiFeMn) Neusilber, Neusilber (CuZnNi) Acero inoxidable (FeCrNi) Níquel Bronce (CuSnNi) Aleación de níquel-hierro (NiFe) Aleación de níquel-zinc (NiZn) Potín Oro del norte (CuAlZnSn) Acero (Fe) Libra esterlina (AgCu) Tompac (CuZn) Acero cromado (FeCr) Hierro fundido (Fe) Electro, electrón, electrum (AuAg)
Grupos de monedas	Bimetálico billón bronce Cobre planchar Dorado Paladio Platino Plata Zinc Aluminio
Grupos de metales	Grupo de monedas (subgrupo de cobre) metales nobles Grupo Platino
ver también	Papel moneda dinero polimero papel moneda rublos de cuero Sellos-dinero moneda Notgeld monedas de porcelana Símbolos de metales nobles