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| Hierro | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Apariencia | metálico brillante con un tinte grisáceo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Peso atómico estándar A r, estándar (Fe) | 55.845 (2) [1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Hierro en la tabla periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Número atómico ( Z ) | 26 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo | grupo 8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Período | período 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Cuadra | bloque d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuración electronica | [ Ar ] 3d 6 4s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electrones por capa | 2, 8, 14, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fase en STP | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de fusion | 1811 K (1538 ° C, 2800 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de ebullición | 3134 K (2862 ° C, 5182 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Densidad (cerca de rt ) | 7.874 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| cuando es líquido (a mp ) | 6,98 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de fusión | 13,81 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de vaporización | 340 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidad calorífica molar | 25,10 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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| Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estados de oxidación | −4, −2, −1, 0, +1, [2] +2 , +3 , +4, +5, [3] +6 , +7 [4] (un óxido anfótero ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,83 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energías de ionización |
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| Radio atómico | empírico: 126 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio covalente | Centrifugado bajo: 132 ± 3 pm Centrifugado alto: 152 ± 6 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de hierro | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Otras propiedades | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | centrada en el cuerpo cúbico (BCC) a = 286,65 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | cara cúbica centrada (fcc) entre 1185-1667 K; a = 364.680 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Velocidad de sonido varilla fina | 5120 m / s (a rt ) (electrolítico) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Expansión térmica | 11,8 µm / (m · K) (a 25 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductividad térmica | 80,4 W / (m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Resistividad electrica | 96,1 nΩ · m (a 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto curie | 1043 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Orden magnético | ferromagnético | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| El módulo de Young | 211 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Módulo de corte | 82 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Módulo de volumen | 170 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Relación de Poisson | 0,29 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureza de Mohs | 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureza Vickers | 608 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureza Brinell | 200-1180 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Número CAS | 7439-89-6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Historia | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Descubrimiento | antes del 5000 a. C. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Principales isótopos de hierro | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Categoría: HierroHierro ( / aɪ ər n / ) es un elemento químico con símbolo Fe (de América : ferrum ) y número atómico 26. Es un metal de que pertenece a la primera serie de transición y grupo 8 de la tabla periódica . Es en masa el elemento más común en la Tierra , justo enfrente del oxígeno (32,1% y 30,1%, respectivamente), formando gran parte del núcleo exterior e interior de la Tierra.. Es el cuarto elemento más común en la corteza terrestre .
En su estado metálico, el hierro es raro en la corteza terrestre , limitado principalmente a la deposición de meteoritos . Los minerales de hierro , por el contrario, se encuentran entre los más abundantes en la corteza terrestre, aunque extraer metal utilizable de ellos requiere hornos o hornos capaces de alcanzar los 1.500 ° C (2.730 ° F) o más, unos 500 ° C (900 ° F) más altos. que el requerido para fundir el cobre . Los seres humanos comenzaron a dominar ese proceso en Eurasia alrededor del año 2000 a. C., [ no verificado en el cuerpo ] y el uso de herramientas y armas de hierro comenzó a desplazar las aleaciones de cobre., en algunas regiones, solo 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 inox , el hierro fundido y los aceros especiales son, con mucho, los metales industriales más comunes, debido a sus propiedades mecánicas y bajo costo.
Las superficies de hierro puro, impecables y lisas, son de un gris plateado como un espejo. Sin embargo, el hierro reacciona fácilmente con el oxígeno y el agua para dar 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 las superficies frescas a la corrosión.
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 juegan un papel esencial en el metabolismo de los vertebrados , respectivamente, 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. [5]
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 , rutenio y osmio . El hierro forma compuestos en una amplia gama de estados de oxidación , de -2 a +7. El hierro también forma muchos compuestos de coordinación ; algunos de ellos, como el ferroceno , ferrioxalato y azul de Prusia , tienen importantes aplicaciones industriales, médicas o de investigación.
Caracteristicas
Alótropos
Se conocen al menos cuatro alótropos de hierro (diferentes disposiciones de átomos en el sólido), denominadas convencionalmente α, γ, δ y ε.
Las primeras tres 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 más a 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 se convierte de nuevo en el alótropo bcc α-hierro. [6]
Las propiedades físicas del hierro a presiones y temperaturas muy altas también se han estudiado ampliamente [7] [8] 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 temperatura más alta también cambia a hierro ε, pero lo hace a una presión más alta.
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 hcp ortorrómbica o doble. [9] (Confusamente, el término "β-hierro" a veces también se usa para referirse al α-hierro por encima de su punto de Curie, cuando cambia de ser ferromagnético a paramagnético, aunque su estructura cristalina no ha cambiado. [6] )
El núcleo interno de la Tierra generalmente se presume que consistir en un hierro de níquel de la aleación con la estructura ε (o β). [10]
Puntos de fusión y ebullición.
Los puntos de fusión y ebullición del hierro, junto con su entalpía de atomización , son más bajos que los de los elementos 3d anteriores del escandio al cromo , lo que muestra la menor contribución de los electrones 3d al enlace metálico a medida que son atraídos cada vez más hacia el inerte. núcleo por núcleo; [11] sin embargo, son más altos que los valores del 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. [12]
El punto de fusión del hierro está bien definido experimentalmente para presiones inferiores a 50 GPa. Para mayores presiones, los datos publicados (a partir de 2007) todavía varían en decenas de gigapascales y más de mil kelvin. [13]
Propiedades magnéticas
Por debajo de su punto Curie de 770 ° C, el hierro α cambia de paramagnético a ferromagnético : los espines de los dos electrones desapareados en cada átomo generalmente se alinean con los espines de sus vecinos, creando un campo magnético general . [15] Esto sucede porque los orbitales de esos dos electrones (d z 2 y d x 2 - y 2 ) no apuntan hacia los átomos vecinos en la red y, por lo tanto, no están involucrados en enlaces metálicos. [6]
En ausencia de una fuente externa de campo magnético, los átomos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos , de unos 10 micrómetros de diámetro, [16] de modo que los átomos de cada dominio tienen espines paralelos, pero algunos dominios tienen otras orientaciones. Por lo 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 aprovecha en dispositivos que necesitan canalizar campos magnéticos, como transformadores eléctricos , cabezales de grabación magnéticos y motores eléctricos . Las impurezas, los defectos de la red o los límites de grano 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) . [15]
Algunos compuestos de hierro muestran un comportamiento similar, como las ferritas y el mineral magnetita , una forma cristalina de la mezcla de óxido de hierro (II, III) Fe
3O
4(aunque el mecanismo de escala atómica, el ferrimagnetismo , es algo diferente). Los pedazos de magnetita con magnetización permanente natural ( piedras imán ) 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 reemplazados por materiales a base de cobalto .
Isótopos
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 20-30 isótopos artificiales. De estos isótopos estables, sólo el 57 Fe tiene un espín nuclear (- 1 / 2 ). El nucleido 54 Fe teóricamente puede sufrir una captura de electrones doble a 54 Cr, pero el proceso nunca se ha observado y solo se ha establecido un límite inferior en la vida media de 3,1 × 10 22 años. [17]
El 60 Fe es un radionúclido extinto de vida media prolongada (2,6 millones de años). [18] No se encuentra en la Tierra, pero su producto de descomposición final es su nieta, el nucleido estable 60 Ni . [17] 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 de hierro. Gran parte de este trabajo está impulsado porComunidades científicas terrestres y planetarias , aunque están surgiendo aplicaciones a sistemas biológicos e industriales. [19]
En las fases de los meteoritos Semarkona y Chervony Kut, una correlación entre la concentración de 60 Ni, la nieta de 60 Fe, y la abundancia de isótopos de hierro estables proporcionó evidencia de la existencia de 60 Fe en el momento de la formación del Sistema Solar. . Posiblemente, la energía liberada por la desintegración de 60 Fe, junto con la liberada por 26 Al , contribuyó a la refundición y diferenciación de los asteroides después de su formación hace 4.600 millones de años. La abundancia de 60 Ni presente en extraterrestresEl material puede aportar más información sobre el origen y la historia temprana del Sistema Solar . [20]
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 . [21] Dado que 56 Ni (14 partículas alfa ) se producen 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 , desde la adición de otro alfa La partícula, que da como resultado 60 Zn, requiere mucha más energía. Este 56El Ni, que tiene una vida media de aproximadamente 6 días, se crea en cantidad en estas estrellas, pero pronto se desintegra por dos emisiones sucesivas de positrones dentro de los productos de desintegración de supernova en la nube de gas remanente de supernova , primero a 56 Co radiactivo y luego a 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 . [22] También es muy común en el universo, en relación con otros metales estables de aproximadamente el mismo peso atómico . [22] [23]El hierro es el sexto elemento más abundante en el universo y el elemento refractario más común . [24]
Aunque podría obtenerse una ganancia de energía más pequeña sintetizando 62 Ni , que tiene una energía de enlace marginalmente más alta que el 56 Fe, las condiciones en las estrellas no son adecuadas para este proceso. La producción de elementos en las supernovas y la distribución en la Tierra favorecen 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. [25] 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 56 núcleos de Fe. [22]
En el futuro lejano del universo, suponiendo que no se produzca la desintegración de protones , la fusión fría que se produce a través de un túnel cuántico haría que los núcleos ligeros de la materia ordinaria se fusionen en núcleos de 56 Fe. La fisión y la emisión de partículas alfa harían que los núcleos pesados se desintegraran en hierro, convirtiendo todos los objetos de masa estelar en esferas frías de hierro puro. [26]
Origen y ocurrencia en la naturaleza
Cosmogénesis
La abundancia de hierro en planetas rocosos como la Tierra se debe a su abundante producción durante la fusión descontrolada y explosión de supernovas de tipo Ia , que dispersan el hierro en el espacio. [27] [28]
Hierro metalico
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 externo de la Tierra , que representan el 35% de la masa de toda la Tierra, están compuestos principalmente de 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 otros planetas terrestres ( Mercurio , Venus y Marte ), así como la Luna, tienen un núcleo metálico que consiste principalmente en hierro. Los asteroides de tipo M también se cree que 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. Se han encontrado artículos hechos de hierro meteorítico trabajado en frío en varios sitios arqueológicos que datan de una época en que aún no se había desarrollado la fundición de hierro; y se ha informado que los inuit de Groenlandia utilizan el hierro del meteorito del Cabo York para herramientas y armas de caza. [29] Aproximadamente 1 de cada 20 meteoritos consiste en los minerales únicos de hierro y níquel taenita (35 a 80% de hierro) y kamacita (90 a 95% de hierro). [30]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 de 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 Groenlandia occidental, Yakutia en Rusia y Bühl en Alemania. [31]
Minerales del manto
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 anfitrión de hierro en el manto inferior. [32] En la parte inferior de la zona de transición del manto, la reacción γ- (Mg, Fe)
2[SiO
4] ↔ (Mg, Fe) [SiO
3] + (Mg, Fe) O transforma la γ-olivina en una mezcla de perovskita de silicato y ferropericlasa y viceversa. En la literatura, esta fase mineral del manto inferior también se denomina a menudo magnesiowüstita. [33] La perovskita de silicato puede formar hasta el 93% del manto inferior, [34] y la forma de hierro magnesio, (Mg, Fe) SiO
3, se considera el mineral más abundante de la Tierra, representando el 38% de su volumen. [35]
la corteza terrestre
Si bien el hierro es el elemento más abundante en la Tierra, la mayor parte de este hierro se concentra en los núcleos internos y externos . [36] [37] La fracción de hierro que se encuentra en la corteza terrestre solo equivale aproximadamente al 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 ). [38]
La mayor parte del hierro de la corteza 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 los minerales de sulfuro pirrotita y pentlandita . [39] [40] Durante la intemperie, el hierro tiende a filtrarse de los depósitos de sulfuro como el sulfato y de los depósitos de silicato como el bicarbonato. Ambos se oxidan en solución acuosa y precipitan incluso a un pH levemente elevado como óxido de hierro (III) . [41]
Los grandes depósitos de hierro son formaciones de hierro en bandas , un tipo de roca que consta de capas delgadas y repetidas de óxidos de hierro que se alternan con bandas de esquisto y pedernal pobres en hierro . Las formaciones de hierro en bandas se establecieron en el tiempo entre hace 3.700 millones de años y hace 1.800 millones de años . [42] [43]
Los materiales que contienen hierro finamente molido óxidos de (III) o de óxido-hidróxidos, tales como ocre , se han utilizado como amarillo, rojo, marrón y pigmentos desde los tiempos pre-histórico. Contribuyen también al color de varias rocas y arcillas , incluidas formaciones geológicas enteras como Painted Hills en Oregon y Buntsandstein ("arenisca coloreada", British Bunter ). [44] A través de Eisensandstein (una 'arenisca de hierro' jurásica , por ejemplo, de Donzdorf en Alemania) [45] y piedra de Bathen el Reino Unido, los compuestos de hierro son responsables del color amarillento de muchos edificios históricos y esculturas. [46] El proverbial color rojo de la superficie de Marte se deriva de un regolito rico en óxido de hierro . [47]
En el mineral pirita de sulfuro de hierro (FeS 2 ) se encuentran cantidades significativas de hierro , pero es difícil extraerlo y, por lo tanto, no se explota. De hecho, el hierro es tan común que la producción generalmente se enfoca solo en minerales con cantidades muy altas.
De acuerdo con el Panel Internacional de Recursos 's existencias de metales en el informe de la Sociedad , la población mundial de hierro en uso en la sociedad es de 2.200 kg per cápita. Los países más desarrollados difieren a este respecto de los países menos desarrollados (7.000-14.000 frente a 2.000 kg per cápita). [48]
Química y compuestos
Estado de oxidación | Compuesto representativo |
|---|---|
| −2 (d 10 ) | Tetracarbonilferrato de disodio (reactivo de Collman) |
| −1 (d 9 ) | Fe 2(CO)2− 8 |
| 0 (d 8 ) | Pentacarbonilo de hierro |
| 1 (d 7 ) | Dímero de ciclopentadieniliron dicarbonilo ("Fp 2 ") |
| 2 (d 6 ) | Sulfato ferroso , ferroceno |
| 3 (d 5 ) | Cloruro férrico , tetrafluoroborato de ferrocenio |
| 4 (d 4 ) | Fe (diars) 2Cl2+ 2 |
| 5 (d 3 ) | FeO3− 4 |
| 6 (d 2 ) | Ferrato de potasio |
| 7 (d 1 ) | [FeO 4 ] - (aislamiento de matriz, 4K) |
El hierro muestra las propiedades químicas características de los metales de transición , a saber, la capacidad de formar estados de oxidación variables que difieren en pasos de uno y una gran coordinación y química organometálica: de hecho, fue el descubrimiento de un compuesto de hierro, el ferroceno , lo que revolucionó este último. campo en la década de 1950. [49] El hierro a veces se considera 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. [50] Sus 26 electrones están dispuestos en la configuración [Ar] 3d 6 4s 2, de los cuales los electrones 3d y 4s tienen una energía relativamente cercana y, por lo tanto, puede perder un número variable de electrones y no hay un punto claro en el que una mayor ionización no sea rentable. [12]
El hierro forma compuestos principalmente en los estados de oxidación +2 ( hierro (II) , "ferroso") y +3 ( hierro (III) , "férrico"). El hierro también se encuentra en estados de oxidación más altos , por ejemplo, el ferrato de potasio púrpura (K 2 FeO 4 ), que contiene hierro en su estado de oxidación +6. Aunque se ha reclamado óxido de hierro (VIII) (FeO 4 ), el informe no pudo reproducirse y tal especie de la eliminación de todos los electrones del elemento más allá de la configuración de gas inerte anterior (al menos con hierro en su estado de oxidación +8 ) se ha encontrado que es improbable computacionalmente. [51] Sin embargo, una forma de [FeO 4 ] aniónico- con hierro en su estado de oxidación +7, junto con un isómero de hierro (V) -peroxo, se ha detectado mediante espectroscopía infrarroja a 4 K después de la cocondensación de átomos de Fe sometidos a ablación con láser con una mezcla de O 2 / Ar. [52] El hierro (IV) es un intermediario común en muchas reacciones de oxidación bioquímica. [53] [54] 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 utilizando la técnica de espectroscopía de Mössbauer . [55] Muchos compuestos de valencia mixta contienen centros de hierro (II) y hierro (III), como magnetita yAzul de Prusia ( Fe
4(Fe [CN]
6)
3). [54] Este último se utiliza como el tradicional "azul" en los planos . [56]
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, pueden hacerlo, y el rutenio tiene más dificultad que el osmio. [6] El rutenio exhibe una química catiónica acuosa en sus bajos estados de oxidación similar a la del hierro, pero el osmio no, favoreciendo estados de alta oxidación en los que forma complejos aniónicos. [6] En la segunda mitad de la serie de transición 3d, las similitudes verticales hacia abajo de 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 . [50]
A diferencia de muchos otros metales, el hierro no forma amalgamas con el mercurio . Como resultado, el mercurio se comercializa en frascos estandarizados de 76 libras (34 kg) hechos de hierro. [57]
El hierro es, con mucho, 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, no obstante, puede reaccionar con el ácido clorhídrico . [6]
Compuestos binarios
Óxidos e hidróxidos
2O
3
3O
4
El hierro forma varios 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 son compuestos no estequiométricos cuyas composiciones pueden variar. [58] Estos óxidos son los principales minerales para la producción de hierro (ver bloomery y alto horno). También se utilizan en la producción de ferritas , útil almacenamiento magnético.medios 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. [54] No es un compuesto de hierro (IV), pero en realidad es un polisulfuro de hierro (II) que contiene Fe 2+ y S2−
2iones en una estructura distorsionada de cloruro de sodio . [58]
Haluros
Los haluros binarios ferrosos y férricos son bien conocidos. Los haluros ferrosos surgen típicamente del tratamiento del hierro metálico con el correspondiente ácido halohídrico para dar las correspondientes sales hidratadas. [54]
- Fe + 2 HX → FeX 2 + H 2 (X = F, Cl, Br, I)
El hierro reacciona con flúor, cloro y bromo para dar los correspondientes haluros férricos, siendo el cloruro férrico el más común. [59]
- 2 Fe + 3 X 2 → 2 FeX 3 (X = F, Cl, Br)
El yoduro férrico es una excepción, ya que es termodinámicamente inestable debido al poder oxidante del Fe 3+ y al alto poder reductor del I - : [59]
- 2 I - + 2 Fe 3+ → I 2 + 2 Fe 2+ (E 0 = +0,23 V)
El yoduro férrico, un sólido negro, no es estable en condiciones normales, pero se puede preparar 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. . [59]
Química de la solución
Los potenciales de reducción estándar en solución acuosa ácida para algunos iones de hierro comunes se dan a continuación: [6]
| Fe 2+ + 2 e - | ⇌ Fe | E 0 = −0,447 V |
| Fe 3+ + 3 e - | ⇌ Fe | E 0 = −0,037 V |
| FeO2− 4+ 8 H + + 3 e - | ⇌ Fe 3+ + 4 H 2 O | E 0 = +2,20 V |
El anión tetraédrico ferrato (VI) rojo púrpura es un agente oxidante tan fuerte que oxida el nitrógeno y el amoníaco a temperatura ambiente, e incluso el agua misma en soluciones ácidas o neutras: [59]
- 4 FeO2−
4+ 10 H
2O → 4 Fe3+
+ 20 OH-
+ 3 O 2
El ion Fe 3+ tiene una gran química catiónica simple, aunque el ion hexaquo violeta pálido [Fe (H
2O)
6] 3+ se hidroliza muy fácilmente cuando el pH aumenta por encima de 0 de la siguiente manera: [60]
| [Fe (H 2O) 6] 3+ | ⇌ [Fe (H 2O) 5(OH)] 2+ + H + | K = 10 −3.05 mol dm −3 |
| [Fe (H 2O) 5(OH)] 2+ | ⇌ [Fe (H 2O) 4(OH) 2] + + H + | K = 10 −3,26 mol dm −3 |
| 2 [Fe (H 2O) 6] 3+ | ⇌ [Fe (H 2O) 4(OH)]4+ 2+ 2H + + 2H 2O | K = 10 −2,91 mol dm −3 |
A medida que el pH aumenta por encima de 0, se forman las especies hidrolizadas amarillas mencionadas anteriormente y, a medida que aumenta por encima de 2–3, el óxido de hierro (III) hidratado de color marrón rojizo precipita de la solución. Aunque el Fe 3+ tiene una configuración d 5 , su espectro de absorción no es como el de Mn 2+ con sus bandas d – d débiles con espín prohibido, porque el Fe 3+ tiene una carga positiva más alta y es más polarizante, lo que reduce la energía de sus absorciones de transferencia de carga de ligando a metal . Por lo tanto, todos los complejos anteriores tienen un color bastante fuerte, con la única excepción del ión hexaquo, e incluso ese tiene un espectro dominado por la transferencia de carga en la región del ultravioleta cercano. [60]Por otro lado, el hierro verde pálido (II) hexaquo ion [Fe (H
2O)
6] 2+ no sufre una hidrólisis apreciable. El dióxido de carbono no se desprende cuando se añaden aniones de carbonato , lo que en cambio da como resultado la precipitación de carbonato de hierro blanco (II) . En exceso de dióxido de carbono, se forma el 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 explica los depósitos marrones presentes en un número considerable de corrientes. [61]
Compuestos de coordinación
Debido a su estructura electrónica, el hierro tiene una gran coordinación y química organometálica.
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 tetraquis (metilamonio) hexacloroferrato (III) . [62] [63] 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 Fe ( dppe )
2 mitad . [64] [65] El ion ferrioxalato con tres ligandos de oxalato (que se muestra a la derecha) muestra quiralidad helicoidal con sus dos geometrías no superponibles etiquetadas Λ (lambda) para el eje del tornillo zurdo y Δ (delta) para el eje derecho eje de tornillo, de acuerdo con las convenciones de la IUPAC. [60] El ferrioxalato de potasio se utiliza en actinometría química y, junto con su sal de sodio, se somete a fotorreducción aplicada en procesos fotográficos de estilo antiguo. El dihidrato de oxalato de hierro (II) tiene un polímeroestructura con iones de oxalato coplanar puente entre los centros de hierro con el agua de cristalización ubicado formando las tapas de cada octaedro, como se ilustra a continuación. [66]
Los complejos de hierro (III) son bastante similares a los del cromo (III) con la excepción de la preferencia del hierro (III) por los ligandos O- donadores en lugar de N -donadores. Estos últimos tienden a ser bastante más inestables que los complejos de hierro (II) y a menudo se disocian en agua. Muchos complejos de Fe-O muestran colores intensos y se utilizan como pruebas de fenoles o enoles . Por ejemplo, en la prueba del cloruro férrico , que se utiliza para determinar la presencia de fenoles, el cloruro de hierro (III) reacciona con un fenol para formar un complejo violeta intenso: [60]
- 3 ArOH + FeCl 3 → Fe (OAr) 3 + 3 HCl (Ar = arilo )
Entre los complejos de haluro y pseudohaluro, los complejos de flúor 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 la presencia de hierro (III), ya que forma el rojo sangre [Fe (SCN) (H 2 O) 5 ] 2+. Al igual que el manganeso (II), la mayoría de los complejos de hierro (III) son de alto espín, con la excepción de aquellos con ligandos que son altos en la serie espectroquímica , como el cianuro . Un ejemplo de un complejo de hierro (III) de bajo espín es [Fe (CN) 6 ] 3− . Los ligandos de cianuro pueden desprenderse fácilmente en [Fe (CN) 6 ] 3− y, por lo tanto, este complejo es venenoso, a diferencia del complejo de hierro (II) [Fe (CN) 6 ] 4− que se encuentra en el azul de Prusia, [60] que no libera cianuro de hidrógeno excepto cuando se agregan ácidos diluidos. [61] El hierro muestra una gran variedad de estados de giro electrónicos., Incluyendo cada posible valor del número cuántico de spin para un elemento de bloque d de 0 (diamagnética) a 5 / 2 (5 electrones desapareados). Este valor es siempre la mitad del número de electrones desapareados. Los complejos con cero a dos electrones desapareados se consideran de bajo espín y aquellos con cuatro o cinco se consideran de alto espín. [58]
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, [Fe (NH
3)
6] 2+ se conoce mientras que [Fe (NH
3)
6] 3+ no lo es. Tienen tendencia a oxidarse a hierro (III) pero esto puede ser moderado por un pH bajo y los ligandos específicos usados. [61]
Compuestos organometálicos
carbonilo
La química del organohierro es el estudio de los compuestos organometálicos del hierro, donde los átomos de carbono están unidos covalentemente al átomo metálico. Son muchos y variados, incluidos complejos de cianuro , complejos de carbonilo , compuestos sándwich y semi sándwich .
El azul de Prusia o "ferrocianuro férrico", Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 , es un complejo de hierro-cianuro antiguo y conocido, ampliamente utilizado como pigmento y en varias otras aplicaciones. Su formación se puede utilizar como una prueba química húmeda simple para distinguir entre soluciones acuosas de Fe 2+ y Fe 3+ cuando reaccionan (respectivamente) con ferricianuro de potasio y ferrocianuro de potasio para formar azul de Prusia. [54]
Otro ejemplo antiguo 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 usar para hacer polvo de carbonil hierro , una forma altamente reactiva de hierro metálico. La termólisis del pentacarbonilo de hierro da trihierro dodecacarbonilo , Fe
3(CO)
12, a con un grupo de tres átomos de hierro en su núcleo. El reactivo de Collman, tetracarbonilferrato de disodio , 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. [67]
Un hito en este campo fue el descubrimiento en 1951 del compuesto sándwich extraordinariamente estable ferroceno Fe (C
5H
5)
2, por Paulson y Kealy [68] e independientemente por Miller y otros, [69] cuya sorprendente estructura molecular fue determinada sólo un año después por Woodward y Wilkinson [70] y Fischer . [71] El
ferroceno sigue siendo una de las herramientas y modelos más importantes de esta clase. [72]
Las especies organometálicas centradas en hierro se utilizan como catalizadores . El complejo de Knölker , por ejemplo, es un catalizador de hidrogenación de transferencia para cetonas . [73]
Usos industriales
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)
2Fe (TAN
4)
2· 6H 2 O ). Los compuestos de hierro (II) tienden a oxidarse a compuestos de hierro (III) en el aire. [54]
Etimología
Como el hierro se ha utilizado durante tanto tiempo, tiene muchos nombres. La fuente de su símbolo químico Fe es la palabra latina ferrum , y sus descendientes son los nombres del elemento en las lenguas románicas (por ejemplo, francés fer , español hierro e italiano y portugués ferro ). [74] La palabra ferrum en sí misma posiblemente proviene de las lenguas semíticas , vía etrusca , de una raíz que también dio lugar al inglés antiguo bræs " brass ". [75]La palabra inglesa iron deriva en última instancia del proto-germánico * isarnan , que también es la fuente del nombre alemán Eisen . Lo más probable es que se haya tomado prestado de Celtic * isarnon , que en última instancia proviene del protoindoeuropeo * is- (e) ro- "poderoso, santo" y finalmente * eis "fuerte", haciendo referencia a la fuerza del hierro como metal. [76] Kluge relaciona * isarnon con el ilírico y latino ira , 'ira'). [ cita requerida ] Los nombres balto-eslavos para el hierro (por ejemplo, ruso железо [Zhelezo ], polaco Żelazo , Lituania geležis ) son los únicos que vienen directamente de la proto-indoeuropeo * g h ELG h - "hierro". [77] En muchos de estos idiomas, la palabra hierro también puede usarse para designar otros objetos hechos de hierro o acero, o en sentido figurado debido a la dureza y resistencia del metal. [78] El chino tiě ( tradicional鐵; simplificado铁) deriva del proto-sino-tibetano * hliek , [79] y fue tomado prestado al japonéscomo 鉄tetsu , que también tiene la lectura nativa kurogane "black metal" (similar a cómo se hace referencia al hierro en la palabra inglesa herrero ). [80]
Historia
Desarrollo de la metalurgia del hierro
El hierro es uno de los elementos indudablemente conocidos en el mundo antiguo. [81] Se ha trabajado, o labrado , durante milenios. Sin embargo, los objetos de hierro de gran antigüedad son mucho más raros que los objetos de oro o plata debido a la facilidad con la que el hierro se corroe. [82] La tecnología se desarrolló lentamente, e incluso después del descubrimiento de la fundición, el hierro tardó muchos siglos en reemplazar al bronce como el metal preferido para herramientas y armas.
Hierro meteorito
Cuentas hechas de hierro meteórico en 3500 a. C. o antes fueron encontradas en Gerzah, Egipto por GA Wainwright. [83] Las perlas contienen 7,5% de níquel, que 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. [83] Por ejemplo, se encontró una daga hecha de hierro meteórico en la tumba de Tutankamón , que contenía proporciones similares de hierro, cobalto y níquel a un meteorito descubierto en el área, depositado por una antigua lluvia de meteoritos. [84] [85] [86] Los artículos que probablemente fueron hechos de hierro por los egipcios datan del 3000 al 2500 a. C. [82]
El hierro meteorítico es comparablemente blando y dúctil y se forja fácilmente en frío, pero puede volverse quebradizo cuando se calienta debido al contenido de níquel . [87]
Hierro forjado
La primera producción de hierro comenzó en la Edad del Bronce Medio , pero pasaron varios siglos antes de que el hierro desplazara al bronce. Las muestras de hierro fundido de Asmar , Mesopotamia y Tall Chagar Bazaar en el norte de Siria se hicieron en algún momento entre 3000 y 2700 a. C. [88] 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 la tienen en alta estima en su sociedad. [89] 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. C. [88]El período posterior se llama Edad de Hierro .
En la India se encuentran artefactos de hierro fundido que datan de 1800 a 1200 aC, [90] y en el Levante desde aproximadamente 1500 aC (lo que sugiere la fundición en Anatolia o el Cáucaso ). [91] [92] Las supuestas referencias (comparar la historia de la metalurgia en el sur de Asia ) al hierro en los Vedas indios se han utilizado para reclamos de un uso muy temprano del hierro en la India, respectivamente, para fechar los textos como tales. El término rigveda ayas (metal) probablemente se refiere al cobre y al bronce, mientras que el hierro o śyāma ayas , literalmente "metal negro", se menciona por primera vez en el post-rigvedicAtharvaveda . [93]
Alguna evidencia arqueológica sugiere que el hierro se fundió en Zimbabwe y el sureste de África ya en el siglo VIII a. C. [94] El trabajo del hierro se introdujo en Grecia a finales del siglo XI a. C., desde donde se extendió rápidamente por toda Europa. [95]
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 . [83] La producción anual de hierro del Imperio Romano se estima en 84750 t , [96] mientras que la China Han, igualmente poblada y contemporánea, produjo alrededor de 5000 t. [97] En China, el hierro solo aparece 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 utilizaron ya en el período de los Reinos Combatientes (403-221 a. C.). [101] El uso de altos hornos y hornos de cúpula siguió siendo generalizado durante las dinastías Song y Tang . [102]
Durante la Revolución Industrial en Gran Bretaña, Henry Cort comenzó a refinar hierro desde arrabio hasta hierro forjado (o hierro en barra) utilizando sistemas de producción innovadores. En 1783 patentó el proceso de encharcamiento para refinar el mineral de hierro. Más tarde fue mejorado por otros, incluido Joseph Hall . [103]
Hierro fundido
El hierro fundido se produjo por primera vez en China durante el siglo V aC, [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 usaba en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. [107] Durante el período medieval , se encontraron medios en Europa para producir hierro forjado a partir de hierro fundido (en este contexto conocido como arrabio ) utilizando forjas de adorno . Para todos estos procesos, el carbónse requería como combustible. [108]
Los altos hornos medievales tenían unos 10 pies (3,0 m) de altura y estaban hechos de ladrillo ignífugo; el aire forzado solía ser proporcionado por fuelles manuales. [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 establecido un coque -fired alto horno para hierro fundido productos, en sustitución de carbón, a pesar de continuar el uso de altos hornos. La consiguiente disponibilidad de hierro barato fue uno de los factores que llevaron a la Revolución Industrial . Hacia fines del siglo XVIII, el hierro fundido comenzó a reemplazar al hierro forjado para ciertos fines, porque era más barato. El contenido de carbono en el hierro no estuvo implicado como la razón de las diferencias en las propiedades del hierro forjado, el hierro fundido y el acero hasta el siglo XVIII. [88]
Dado que el hierro se estaba volviendo más barato y más abundante, también se convirtió en un material estructural importante después de la construcción del primer puente de hierro innovador 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 (por ejemplo, francés, español, italiano y alemán) se refieren a los ferrocarriles como vía férrea .
Acero
El acero (con menor contenido de carbono que el arrabio pero más que el hierro forjado) se produjo por primera vez en la antigüedad mediante el uso de un bloomery . Los herreros de Luristán, en el oeste de Persia, estaban fabricando buen acero en el año 1000 a. C. [88] Luego, las versiones mejoradas, el acero Wootz de la India y el acero de Damasco se desarrollaron alrededor del año 300 a. Estos métodos eran especializados, por lo que el acero no se convirtió en un producto básico hasta la década de 1850. [110]
En el siglo XVII se idearon nuevos métodos para producirlo mediante la carburación 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 luego se aplicaron 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 ya no se produjera hierro forjado en grandes cantidades. [111]
Fundamentos de la química moderna
En 1774, Antoine Lavoisier utilizó la reacción de vapor de agua con hierro metálico dentro de un tubo de hierro incandescente para producir hidrógeno en sus experimentos que llevaron a la demostración de la conservación de la masa , que fue fundamental para cambiar la química de una ciencia cualitativa a una cuantitativa. [112]
Rol simbólico
El hierro juega un papel determinado en la mitología y ha encontrado diversos usos como metáfora y en el folclore . El griego poeta Hesíodo 's trabajos y los días (líneas 109-201) enumera diferentes edades del hombre lleva el nombre de metales como oro, plata, bronce y hierro para dar cuenta de las edades sucesivas de la humanidad. [113] La Edad del Hierro estaba 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 sigs.
Un ejemplo de la importancia del papel simbólico del hierro se puede encontrar en la Campaña alemana de 1813 . Federico Guillermo III encargó entonces la primera Cruz de Hierro como decoración militar. Las joyas de hierro de Berlín alcanzaron su máxima producción entre 1813 y 1815, cuando la familia real prusiana instó a los ciudadanos a donar joyas de oro y plata para financiación militar. La inscripción Gold gab ich für Eisen (di oro por hierro) también se usó en esfuerzos bélicos posteriores. [114]
Producción de hierro metálico
Rutas de laboratorio
Para algunos propósitos 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. . [41] Otro método es la electrólisis de cloruro ferroso en un cátodo de hierro. [115]
Ruta industrial principal
| País | Mineral de hierro | Arrabio | Plancha directa | Acero |
|---|---|---|---|---|
| porcelana | 1.114,9 | 549,4 | 573,6 | |
| Australia | 393,9 | 4.4 | 5.2 | |
| Brasil | 305.0 | 25,1 | 0,011 | 26,5 |
| Japón | 66,9 | 87,5 | ||
| India | 257,4 | 38,2 | 23,4 | 63,5 |
| Rusia | 92,1 | 43,9 | 4,7 | 60,0 |
| Ucrania | 65,8 | 25,7 | 29,9 | |
| Corea del Sur | 0,1 | 27,3 | 48,6 | |
| Alemania | 0.4 | 20,1 | 0,38 | 32,7 |
| Mundo | 1.594,9 | 914.0 | 64,5 | 1.232,4 |
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 brutas, como los minerales de silicato . Esta etapa produce una aleación, arrabio , que contiene cantidades relativamente grandes de carbono. En la segunda etapa, la cantidad de carbono en el arrabio se reduce por oxidación para producir hierro forjado, acero o hierro fundido. [117] En esta etapa se pueden agregar otros metales para formar aceros aleados .
Procesamiento de alto horno
El alto horno se carga con minerales de hierro, generalmente hematita Fe
2O
3o magnetita Fe
3O
4, junto con el coque ( carbón que se ha horneado por separado para eliminar los componentes volátiles). Se sopla aire precalentado a 900 ° C a través de la mezcla, en cantidad suficiente para convertir el carbono en monóxido de carbono : [117]
- 2 C + O 2 → 2 CO
Esta reacción eleva la temperatura a unos 2000 ° C. El monóxido de carbono reduce el mineral de hierro a hierro metálico [117]
- Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2
Algo de hierro en la región inferior de alta temperatura del horno reacciona directamente con el coque: [117]
- 2 Fe 2 O 3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO 2
También se agrega un fundente como piedra caliza ( carbonato de calcio ) o dolomita (carbonato de calcio y magnesio) a la carga del horno. Su propósito es eliminar 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 cualquier exceso de sílice para formar una escoria compuesta de silicato de calcio CaSiO
3u otros productos. A la temperatura del horno, el metal y la escoria se funden. Se acumulan en la parte inferior como dos capas líquidas inmiscibles (con la escoria en la parte superior), 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]
Acería
En general, el arrabio producido por el proceso de alto horno contiene hasta 4-5% de carbono, con pequeñas cantidades de otras impurezas como azufre, magnesio, fósforo y manganeso. El alto nivel de carbono lo hace relativamente débil y quebradizo. Reducir la cantidad de carbono al 0,002–2,1% en masa produce acero , que puede ser hasta 1000 veces más duro que el hierro puro. Se puede fabricar una gran variedad de artículos de acero mediante trabajo en frío , laminado en caliente , forjado , mecanizado , etc. La eliminación de las otras impurezas, en cambio, da como resultado hierro fundido, que se utiliza para fundir artículos en fundiciones ; por ejemplo estufas, tuberías, radiadores, farolas y rieles. [117]
Los productos de acero a menudo se someten a varios tratamientos térmicos después de que se forjan 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 suave y manejable. [119]
Reducción directa de hierro
Debido a preocupaciones ambientales, se han desarrollado métodos alternativos para procesar el hierro. La " reducción directa de 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]
- 2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2
Luego, el mineral de hierro se trata con estos gases en un horno, produciendo hierro esponjoso sólido: [106]
- Fe 2 O 3 + CO + 2 H 2 → 2 Fe + CO 2 + 2 H 2 O
La sílice se elimina agregando un fundente de piedra caliza como se describe anteriormente. [106]
Proceso de termita
La ignición de una mezcla de polvo de aluminio y óxido de hierro produce hierro metálico a través de la reacción de la termita :
- Fe 2 O 3 + 2 Al → 2 Fe + Al 2 O 3
Alternativamente, el arrabio se puede convertir en acero (con hasta aproximadamente un 2% de carbono) o hierro forjado (hierro comercialmente puro). Varios procesos han sido utilizados para esto, incluyendo ferrería , puddling hornos, 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 agregar otros metales para fabricar aceros aleados. [108]
Aplicaciones
Como material estructural
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 de elección para resistir tensiones o transmitir fuerzas, como la construcción de maquinaria y máquinas herramientas , rieles , automóviles , cascos de barcos , barras de refuerzo de hormigón y la estructura de transporte de carga de edificios. . Dado que el hierro puro es bastante blando, se suele combinar con elementos de aleación para fabricar acero. [120]
Propiedades mecánicas
| Material | TS (MPa) | BH ( Brinell ) |
|---|---|---|
| Bigotes de hierro | 11000 | |
| Ausformed (endurecida) de acero | 2930 | 850–1200 |
| Acero martensítico | 2070 | 600 |
| Acero bainítico | 1380 | 400 |
| Acero perlítico | 1200 | 350 |
| Hierro trabajado en frío | 690 | 200 |
| Hierro de grano pequeño | 340 | 100 |
| Hierro que contiene carbono | 140 | 40 |
| Hierro puro monocristalino | 10 | 3 |
Las propiedades mecánicas del hierro y sus aleaciones son extremadamente relevantes para sus aplicaciones estructurales. Esas propiedades se pueden evaluar de varias formas, incluida la prueba de Brinell , la prueba de Rockwell y la prueba de dureza de Vickers .
Las propiedades del hierro puro se utilizan a menudo para calibrar mediciones o comparar pruebas. [122] [123] 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, [121] y el hierro más puro producido industrialmente (99,99%) tiene una dureza de 20-30 Brinell. [124]
Un aumento en el contenido de carbono provocará un aumento significativo en la dureza y resistencia a la tracción del hierro. Se consigue una dureza máxima de 65 R c con un contenido de carbono del 0,6%, aunque la aleación tiene una baja resistencia a la tracción. [125] Debido a la suavidad del hierro, es mucho más fácil trabajar con él que sus congéneres más pesados rutenio y osmio . [12]
Tipos de aceros y aleaciones
El α-hierro es un metal bastante blando que puede disolver solo una pequeña concentración de carbono (no más del 0,021% en masa a 910 ° C). [126] 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 la fabricación de cubiertos y equipos para hospitales y servicios de alimentos. [dieciséis]
El hierro disponible comercialmente se clasifica según su pureza y abundancia de aditivos. El arrabio tiene 3,5–4,5% de carbono [127] y contiene cantidades variables de contaminantes como azufre , silicio y fósforo . El arrabio no es un producto vendible, sino un paso intermedio en la producción de hierro fundido y acero. La reducción de contaminantes en el arrabio que afectan negativamente las propiedades del material, como azufre y fósforo, produce hierro fundido que contiene 2 a 4% de carbono, 1 a 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 derrite cuando el carbón y el hierro se calientan juntos. [6] Sus propiedades mecánicas varían mucho y dependen de la forma que adopte el carbono en la aleación. [12]
Los hierros colados "blancos" contienen su carbono en forma de cementita o carburo de hierro (Fe 3 C). [12] Este compuesto duro y quebradizo domina las propiedades mecánicas de los hierros fundidos blancos, haciéndolos duros, pero no resistentes a los golpes. La superficie rota de un hierro fundido blanco está llena de finas facetas del carburo de hierro roto, un material muy pálido, plateado y brillante, de ahí la denominación. El enfriamiento lento de una mezcla de hierro con 0.8% de carbono por debajo de 723 ° C a temperatura ambiente da como resultado capas alternas separadas de cementita y α-hierro, que es suave 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 recalentando a una temperatura intermedia, cambiando las proporciones de perlita y martensita. El producto final por debajo del 0,8% de contenido de carbono es una mezcla de perlita-αFe, y el contenido por encima del 0,8% de carbono es una mezcla de perlita-cementita. [12]
En el hierro gris, el carbono existe como escamas finas y separadas de grafito , y también hace que el material sea frágil debido a las escamas de grafito con bordes afilados que producen sitios de concentración de tensión dentro del material. [128] 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. . [128]
El hierro forjado contiene menos del 0,25% de carbono pero grandes cantidades de escoria que le confieren una característica fibrosa. [127] Es un producto resistente y maleable, pero no tan fusible como el arrabio. Si se afila hasta un 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 reemplazado casi por completo por acero dulce para productos tradicionales de "hierro forjado" y 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, [129] con pequeñas cantidades de manganeso , azufre , fósforo y silicio. Los aceros aleados contienen cantidades variables de carbono, así como otros metales, como cromo , vanadio , molibdeno , níquel, tungsteno , etc. Su contenido de aleación eleva su costo, por lo que generalmente solo se emplean para usos especializados. Sin embargo, un acero de aleación común es el acero inoxidable.. Los desarrollos recientes en la metalurgia ferrosa han producido una gama creciente de aceros microaleados, también denominados ' HSLA ' o aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen pequeñas adiciones para producir altas resistencias y, a menudo, una dureza espectacular a un costo mínimo. [129] [130] [131]
Además de las aplicaciones tradicionales, el hierro también se utiliza para la protección contra las radiaciones ionizantes. Aunque es más ligero que otro material de protección tradicional, el plomo , es mucho más resistente mecánicamente. La atenuación de la radiación en función de la energía se muestra en el gráfico. [132]
La principal desventaja del hierro y el acero es que el hierro puro, y la mayoría de sus aleaciones, sufren mucho de óxido si no se protegen de alguna manera, un costo que asciende a más del 1% de la economía mundial. [133] La pintura , la galvanización , la pasivación , el revestimiento de 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: [133]
- Cátodo: 3 O 2 + 6 H 2 O + 12 e - → 12 OH -
- Ánodo: 4 Fe → 4 Fe 2+ + 8 e - ; 4 Fe 2+ → 4 Fe 3+ + 4 e -
- Total: 4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O → 4 Fe 3+ + 12 OH - → 4 Fe (OH) 3 o 4 FeO (OH) + 4 H 2 O
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. [133]
Compuestos de hierro
Aunque el uso dominante del hierro es en la metalurgia, los compuestos de hierro también son omnipresentes en la industria. Los catalizadores de hierro se utilizan tradicionalmente en el proceso Haber-Bosch para la producción de amoníaco y el proceso Fischer-Tropsch para la conversión de monóxido de carbono en hidrocarburos para combustibles y lubricantes. [134] Se utilizó hierro en polvo en un disolvente ácido en la reducción de Bechamp, la reducción de nitrobenceno a anilina . [135]
El óxido de hierro (III) mezclado con polvo de aluminio se puede encender para crear una reacción de termita , que se utiliza para soldar grandes piezas de hierro (como rieles ) y purificar minerales. El óxido y el oxihidróxido de hierro (III) se utilizan como pigmentos rojizos y ocres .
El cloruro de hierro (III) se utiliza en la purificación de agua y el tratamiento de aguas residuales , en el teñido de telas, como colorante en pinturas, como aditivo en la alimentación animal y como grabador de cobre en la fabricación de placas de circuito impreso . [136] También se puede disolver en alcohol para formar tintura de hierro, que se utiliza como medicamento para detener el sangrado en canarios . [137]
El sulfato de hierro (II) se utiliza como precursor de otros compuestos de hierro. También se utiliza para reducir el cromato en cemento. Se utiliza para fortificar los alimentos y tratar la anemia ferropénica . El sulfato de hierro (III) se utiliza para depositar partículas diminutas de aguas residuales en el agua del tanque. 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. [136]
Papel biológico y patológico
El hierro es necesario de por vida. [5] [138] [139] Los grupos de hierro-azufre son omnipresentes e incluyen nitrogenasa , las enzimas responsables de la fijación biológica del nitrógeno . Las proteínas que contienen hierro participan en el transporte, almacenamiento y uso de oxígeno. [5] Las proteínas de hierro están involucradas en la transferencia de electrones . [140]
Ejemplos de proteínas que contienen hierro en organismos superiores incluyen hemoglobina, citocromo (ver hierro de valencia alta ) y catalasa . [5] [141] El ser humano adulto promedio contiene aproximadamente 0.005% del peso corporal de hierro, o aproximadamente cuatro gramos, de los cuales tres cuartas partes están en hemoglobina, un nivel que permanece constante a pesar de que solo se absorbe aproximadamente un miligramo de hierro por día, [ 140] porque el cuerpo humano recicla su hemoglobina por el contenido de hierro. [142]
El crecimiento microbiano puede verse favorecido por la oxidación del hierro (II) o por la reducción del hierro (III). [143]
Bioquímica
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 tomando hierro ferroso antes de oxidarlo de nuevo a hierro férrico. [5] En particular, las bacterias han desarrollado agentes secuestrantes de muy alta afinidad llamados sideróforos . [144] [145] [146]
Después de la absorción en las células humanas , el almacenamiento de hierro se regula con precisión. [5] [147] Un componente importante de esta regulación es la proteína transferrina , que se une a los iones de hierro absorbidos del duodeno y los transporta en la sangre a las células. [5] [148] La transferrina contiene Fe 3+ en medio de un octaedro distorsionado, unido a un nitrógeno, tres oxígenos y un anión de carbonato quelante que atrapa el ion Fe 3+ : tiene una constante de estabilidad tan alta que es muy eficaz para absorber Fe 3+iones 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. [140]
Los compuestos de hierro bioinorgánicos más comúnmente conocidos y estudiados (moléculas de hierro biológicas) son las proteínas hemo : algunos ejemplos son la hemoglobina , la mioglobina y el citocromo P450 . [5] Estos compuestos participan en el transporte de gases, la construcción de enzimas y la transferencia de electrones . [140] Las metaloproteínas son un grupo de proteínas con cofactores de iones metálicos . Algunos ejemplos de metaloproteínas de hierro son la ferritina y la rubredoxina . [140] Muchas enzimas vitales para la vida contienen hierro, como la catalasa., [149] lipoxigenasas , [150] e IRE-BP . [151]
La hemoglobina es un transportador de oxígeno que se da en los glóbulos rojos y aporta su color, transportando oxígeno en las arterias desde los pulmones hasta los músculos donde se transfiere a la mioglobina , que la almacena hasta que es necesaria para la oxidación metabólica de la glucosa , generando energía. . [5] Aquí la hemoglobina se une al dióxido de carbono , que se produce cuando se oxida la glucosa, que es transportada a través de las venas por la hemoglobina (predominantemente como aniones bicarbonato ) de regreso a los pulmones donde se exhala. [140] En la hemoglobina, el hierro se encuentra en uno de los cuatro hemogrupos 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 forma reversible. [140] Cuando la hemoglobina no está unida al oxígeno (y luego 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 se dobla en su lugar en una cúpula con el Fe 2+ion unos 55 picómetros por encima de él. En esta configuración, el sexto sitio de coordinación reservado para el oxígeno está bloqueado por otro residuo de histidina. [140]
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 da como resultado una disminución del 20% en el radio iónico, de modo que ahora puede encajar en el anillo de porfirina, que se vuelve plano. [140] (Además, este enlace de hidrógeno da como resultado la inclinación de la molécula de oxígeno, resultando en un ángulo de enlace Fe-O-O de alrededor de 120 ° que evita la formación de Fe-O-Fe o Fe-O 2 -FE puentes que conduciría a la transferencia de electrones, la oxidación de Fe 2+ a Fe 3+y la destrucción de la hemoglobina). Esto da como resultado un movimiento de todas las cadenas de proteínas que conduce a que las otras subunidades de la hemoglobina cambien de forma a una forma con mayor afinidad por el oxígeno. Por lo tanto, cuando la desoxihemoglobina absorbe oxígeno, aumenta su afinidad por más oxígeno y viceversa. [140] 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. [140] Según lo descrito por el efecto Bohr (llamado así por Christian Bohr , el padre deNiels Bohr ), la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina disminuye en presencia de dióxido de carbono. [140]
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, por lo 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 mucho, su interferencia con el funcionamiento adecuado de la proteína transportadora de electrones citocromo a. [140] 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 está ocupado por otro nitrógeno de imidazol o una metioninaazufre, por lo 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 el cianuro. [140] Aquí, la transferencia de electrones tiene lugar cuando el hierro permanece en bajo giro 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 lo tanto, se puede almacenar en trifosfato de adenosina . El citocromo a es ligeramente distinto, ya que se encuentra en la membrana mitocondrial, se une directamente al oxígeno y transporta tanto protones como electrones, de la siguiente manera: [140]
- 4 Cytc 2+ + O 2 + 8H+
adentro→ 4 Cytc 3+ + 2 H 2 O + 4H+
afuera
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 que 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 que están coordinados aproximadamente tetraédricamente a cuatro átomos de azufre; debido a esta coordinación tetraédrica, siempre tienen hierro de alto giro. El más simple de estos compuestos es la rubredoxina , que tiene solo 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 de hierro-azufre son las ferredoxinas., que tienen múltiples átomos de hierro. La transferrina no pertenece a ninguna de estas clases. [140]
La capacidad de los mejillones de mar para mantener su agarre sobre las rocas en el océano se ve facilitada por el uso de enlaces organometálicos a base de hierro en sus cutículas ricas en proteínas . Basado en réplicas sintéticas, la presencia de hierro en estas estructuras aumentó el módulo de elasticidad 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. [153]
Nutrición
Dieta
El hierro es omnipresente, pero las fuentes particularmente ricas de hierro en la dieta incluyen carnes rojas , ostras , lentejas , frijoles , aves de corral , pescado , verduras de hoja , berros , tofu , garbanzos , guisantes de ojo negro y melaza de blackstrap . [5] El pan y los cereales para el desayuno a veces se fortifican específicamente con hierro. [5] [154]
El hierro proporcionado por los suplementos dietéticos se encuentra a menudo en forma de fumarato de hierro (II) , aunque el sulfato de hierro (II) es más barato y se absorbe igualmente bien. [136] El hierro elemental, o hierro reducido, a pesar de ser absorbido a solo un tercio o dos tercios de la eficiencia (en relación con el sulfato de hierro), [155] a menudo se agrega a alimentos como cereales para el desayuno o harina de trigo enriquecida. El hierro está más disponible para el cuerpo cuando se quela a los aminoácidos [156] y también está disponible para su uso como un suplemento de hierro común . La glicina , el aminoácido menos costoso, se usa con mayor frecuencia para producir suplementos de glicinato de hierro. [157]
Recomendaciones dietéticas
El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM) actualizó los requisitos promedio estimados (EAR) y las cantidades diarias recomendadas (RDA) de hierro en 2001. [5] El EAR actual para el 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 TAE es de 6,0 mg / día para las edades de 19 años en adelante. La dosis diaria recomendada es de 15,0 mg / día para mujeres de 15 a 18 años, 18,0 para las de 19 a 50 y 8,0 a partir de entonces. Para los hombres, 8.0 mg / día para mayores de 19 años. Las RDA son más altas que las EAR para identificar los montos que cubrirán a las personas con requisitos superiores al promedio. La dosis diaria recomendada para el embarazo es de 27 mg / día y, para la lactancia, de 9 mg / día. [5] Para niños de 1 a 3 años de edad, 7 mg / día, 10 de 4 a 8 años y 8 de 9 a 13 años. En cuanto a la seguridad, el IOM también establece niveles máximos de ingesta tolerables(UL) para vitaminas y minerales cuando la evidencia sea suficiente. En el caso del hierro, el UL se fija en 45 mg / día. En conjunto, las EAR, RDA y UL se denominan ingestas dietéticas de referencia . [158]
La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como Valores de Referencia Dietéticos, con Ingesta de Referencia de la Población (PRI) en lugar de RDA, y Requisito Promedio en lugar de EAR. AI y UL definieron lo mismo que en Estados Unidos. Para las mujeres, el PRI es de 13 mg / día de 15 a 17 años, 16 mg / día para mujeres de 18 años en adelante que son premenopáusicas y 11 mg / día posmenopáusicas. Para el embarazo y la lactancia, 16 mg / día. Para los hombres, el PRI es de 11 mg / día a partir de los 15 años. Para los niños de 1 a 14 años, el PRI aumenta de 7 a 11 mg / día. Los PRI son más altos que las RDA de EE. UU., Con la excepción del embarazo. [159] La EFSA examinó la misma cuestión de seguridad y no estableció un UL. [160]
Los bebés pueden requerir suplementos de hierro si se alimentan con biberón con leche de vaca. [161] 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. [162]
Para propósitos de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en EE. UU., La cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% DV). Para fines de etiquetado de hierro, el 100% del valor diario fue de 18 mg, y al 27 de mayo de 2016 se [actualizar]mantuvo sin cambios en 18 mg. [163] [164] El 1 de enero de 2020 exigía el cumplimiento de las reglamentaciones de etiquetado actualizadas para los fabricantes con ventas anuales de alimentos por valor de 10 millones de dólares EE.UU. o más, y el 1 de enero de 2021 para los fabricantes con ventas de alimentos de menor volumen. [165] [166] Se proporciona una tabla de los valores diarios de adultos nuevos y antiguos en Ingesta diaria de referencia .
Deficiencia
La deficiencia de hierro es la deficiencia nutricional más común en el mundo. [5] [167] [168] [169] 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. [170] Niños, premenopáusicoslas mujeres (mujeres en edad fértil) y las personas con una dieta deficiente son las 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 en bebés y niños. [171]
Exceso
La absorción de hierro está estrictamente regulada por el cuerpo humano, que no tiene medios fisiológicos regulados para excretar hierro. Solo se pierden pequeñas cantidades de hierro diariamente debido al desprendimiento de células epiteliales de la piel y de la mucosa, por lo que el control de los niveles de hierro se logra principalmente regulando la absorción. [172] 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. [173] En estas personas, la ingesta excesiva de hierro puede provocar trastornos por sobrecarga de hierro , conocidos médicamente como hemocromatosis.. [5] Muchas personas tienen una susceptibilidad genética no diagnosticada a la sobrecarga de hierro y no conocen los antecedentes familiares del problema. Por esta razón, las personas no deben tomar suplementos de hierro a menos que sufran de 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. [174]
Las sobredosis de hierro ingerido pueden causar niveles excesivos de hierro libre en la sangre. Los niveles elevados 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 por 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 evitar que regulen la absorción de hierro, lo que lleva a un mayor aumento de los niveles en sangre. El hierro normalmente daña las células del corazón e hígado.y en otros lugares, causando efectos adversos que incluyen coma , acidosis metabólica , shock , insuficiencia hepática , coagulopatía , síndrome de dificultad respiratoria del adulto , daño orgánico a largo plazo e incluso la muerte. [175] 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 . [176] 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.[176] La ingesta dietética de referencia (DRI) establece el nivel máximo de ingesta tolerable (UL) para adultos en 45 mg / día. Para los niños menores de catorce años, la UL es de 40 mg / día. [177]
El tratamiento médico de la toxicidad por 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. [175] [178] [179]
Cáncer
El papel del hierro en la defensa contra el cáncer puede describirse como un "arma de doble filo" debido a su presencia generalizada en los procesos no patológicos. [180] Las personas que reciben quimioterapia pueden desarrollar deficiencia de hierro y anemia , para lo cual se usa la terapia con hierro intravenoso para restaurar los niveles de hierro. [181] La sobrecarga de hierro, que puede ocurrir por el consumo elevado de carne roja, [5] puede iniciar el crecimiento tumoral y aumentar la susceptibilidad a la aparición del cáncer, [181] en particular para el cáncer colorrectal . [5]
Sistemas marinos
El hierro juega un papel esencial en los sistemas marinos y puede actuar como un nutriente limitante para la actividad planctónica. [182] Debido a esto, una disminución excesiva del hierro puede conducir a una disminución en las tasas de crecimiento de organismos fitoplanctónicos como las diatomeas. [183] El hierro también puede ser oxidado por microbios marinos en condiciones altas en hierro y bajas en oxígeno. [184]
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, se puede distribuir por toda la columna de agua a través de la mezcla del océano y mediante el reciclaje a nivel celular. [185] En el Ártico, el hielo marino juega un papel importante en el almacenamiento y distribución de hierro en el océano, agotando el hierro oceánico cuando se congela en el invierno y devolviéndolo al agua cuando se descongela en el verano. [186] El ciclo del hierro puede hacer fluctuar las formas de hierro de forma acuosa a forma de partículas, alterando la disponibilidad de hierro para los productores primarios. [187] El aumento de la luz y el calor aumenta la cantidad de hierro que se encuentra en formas que pueden utilizar los productores primarios. [188]
Ver también
- El Mutún en Bolivia, donde se encuentra el 10% del mineral de hierro accesible del mundo
- Nanopartícula de hierro
- Nanopartícula de hierro-platino
- Fertilización con hierro: fertilización propuesta de los océanos para estimular el crecimiento del fitoplancton
- Bacterias oxidantes de hierro
- Lista de países por producción de hierro
- Pelletización - proceso de creación de pellets de mineral de hierro
- Hierro inoxidable
- Acero
- Ciclo de hierro
Referencias
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- RF Tylecote, Historia de la Metalurgia (Instituto de Materiales, Londres 1992).
- RF Tylecote, "Iron in the Industrial Revolution" en J. Day y RF Tylecote, The Industrial Revolution in Metals (Instituto de Materiales 1991), 200–60.
enlaces externos
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 | Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el hierro . |
 | Wikisource tiene el texto del artículo " Hierro " de la Nueva Enciclopedia Internacional de 1905 . |
- Es elemental - Hierro
- Hierro en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)
- Metalurgia para el no metalúrgico
- Hierro de JB Calvert