Hierro (elemento): características, estructura química, usos
El hierro es un metal de transición que pertenece al grupo 8 o VIIIB de la tabla periódica y se representa con el símbolo químico Fe. Es un metal grisáceo, dúctil, maleable y de gran tenacidad, empleado en numerosas aplicaciones de gran utilidad para el hombre y la sociedad.
Constituye el 5% de la corteza terrestre, y es además el segundo metal más abundante después del aluminio. Asimismo, su abundancia es superada por el oxígeno y silicio. Sin embargo, respecto al núcleo terrestre, un 35% del mismo está compuesto de hierro metálico y líquido.
Fuera del núcleo terrestre, el hierro no se encuentra en forma metálica, ya que es oxidado rápidamente al ser expuesto al aire húmedo. Se localiza en rocas basálticas, sedimentos carboníferos y en meteoritos; generalmente en aleación con el níquel, como en el mineral kamacita.
Los principales minerales de hierro usados para su explotación minera son los siguientes: hematita (óxido ferrico, Fe2O3), la magnetita (óxido ferrosoférrico, Fe3O4), la limonita (hidróxido de óxido ferroso hidratado, [FeO(OH)·nH2O]), y la siderita (carbonato de hierro, FeCO3).
En promedio, el hombre tiene un contenido de 4,5 g de hierro, de los cuales un 65 % se encuentra bajo la forma de hemoglobina. Esta proteína interviene en el transporte del oxígeno en la sangre y en su distribución a los diferentes tejidos, para su posterior captación por la mioglobina y neuroglobina.
A pesar de los numerosos beneficios del hierro para el ser humano, el metal en exceso puede tener acciones tóxicas muy graves, especialmente sobre el hígado, el sistema cardiovascular y el páncreas; tal es el caso de la enfermedad hereditaria hemocromatosia.
El hierro es sinónimo de construcción, fortaleza y guerras. Por otro lado, a raíz de su abundancia siempre es una alternativa a considerar cuando se trata del desarrollo de nuevos materiales, catalizadores, fármacos o polímeros; y a pesar del color rojo de sus herrumbres, es un metal ambientalmente verde.
Índice del artículo
- 1 Historia
- 2 Propiedades
- 2.1 Apariencia
- 2.2 Peso atómico
- 2.3 Número atómico (Z)
- 2.4 Punto de fusión
- 2.5 Punto de ebullición
- 2.6 Densidad
- 2.7 Calor de fusión
- 2.8 Calor de vaporización
- 2.9 Capacidad calórica molar
- 2.10 Energía de ionización
- 2.11 Electronegatividad
- 2.12 Radio atómico
- 2.13 Conductividad térmica
- 2.14 Resistividad eléctrica
- 2.15 Punto de Curie
- 2.16 Isótopos
- 3 Estructura y configuración electronica
- 4 ¿Cómo se obtiene?
- 5 Usos
- 6 Alimentos con hierro
- 7 Papel biológico
- 8 Riesgos
- 9 Referencias
El hierro fue procesado desde hace milenios. Sin embargo, es difícil hallar objetos de hierro de edades tan antiguas debido a su susceptibilidad a corroerse, lo cual provoca su destrucción. Los objetos de hierro más antiguos conocidos fueron elaborados con el encontrado dentro de los meteoritos.
Tal es caso de una especie de cuentas elaboradas en el año 3500 a.c., halladas en Gerzah, Egipto, y una daga encontrada en la tumba de Tutankhamun. Los meteoritos de hierro se caracterizan por un alto contenido de níquel, por lo que se pudo identificar su procedencia en estos objetos.
Se encontraron evidencias asimismo de hierro fundido en Asmar, Mesopotamia, y Tail Chagar Bazaar, en Siria, entre los años 3000 a 2700 a.c. Aunque la fundición del hierro comenzó en la Edad del Bronce, tardó siglos en que pudiese desplazar al bronce.
Además, se encontró artefactos de hierro fundido en la India, 1800 a 1200 a.c. y en el Levante, cerca de 1500 a.c. Se piensa que la Edad del Hierro comenzó en el año 1000 a.c., al lograrse disminuir el costo de su producción.
Aparece en la China entre los años 700 y 500 a.c., probablemente transportado a través de Asia Central. Los primeros objetos de hierro fueron hallados en Luhe Jiangsu, China.
El hierro forjado fue producido en Europa mediante la utilización de llamadas forjas de gala. Para el proceso se requería del uso del carbón como combustible.
Los altos hornos medievales eran de 3,0 m de altura, estaban hechos de ladrillos ignífugos y el aire era suministrado por fuelles manuales. En 1709, Abraham Darby estableció un alto horno de coque para producir hierro fundido, reemplazando al carbón vegetal.
La disponibilidad de hierro barato fue uno de los factores que llevaron a la Revolución Industrial. En este período comenzó la refinación del hierro de arrabio en hierro forjado, el cual se usó para construir puentes, barcos, depósitos, etc.
El acero usa una concentración de carbono mayor que el hierro forjado. Se produjo acero en Luristán, Persia, en el año 1000 a.c. En la Revolución Industrial se idearon métodos nuevos para producir barras de hierro sin carbón, que luego se utilizaron para producir acero.
A finales de la década de 1850, Henry Bessemer ideó soplar aire al arrabio fundido para producir acero dulce, lo que hizo la producción del acero más económica. Esto trajo como consecuencia una disminución en la producción del hierro forjado.
Lustre metálico con un tinte grisáceo.
55,845 u.
26
1.533 ºC
2.862 ºC
-Temperatura ambiente: 7,874 g/mL.
-Punto de fusión (líquido): 6,980 g/mL.
13,81 kJ/mol
340 kJ/mol
25,10 J/(mol·K)
-Primer nivel de ionización: 762,5 kJ/mol (Fe+ gaseoso)
-Segundo nivel de ionización: 1.561,9 kJ/mol (Fe2+ gaseoso)
-Tercer nivel ionización: 2.957, kJ/mol (Fe3+ gaseoso)
1,83 en la escala de Pauling
Empírico 126 pm
80,4 W/(m·K)
96,1 Ω·m (a 20 ºC)
770 °C, aproximadamente. A esta temperatura el hierro deja de ser ferromagnético.
Isótopos estables: 54Fe, con una abundancia del 5,85%; 56Fe, con una abundancia del 91,75%; 57Fe, con una abundancia del 2,12%; y 57Fe, con una abundancia del 0,28%. Al ser el 56Fe el isótopo más estable y abundante, no se extraña que el peso atómico del hierro esté muy cercano a las 56 u.
Mientras que los isótopos radiactivos son: 55Fe, 59Fe y 60Fe.
El hierro a temperatura ambiente cristaliza en la estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), a la cual también se le conoce como α-Fe o ferrita (dentro de la jerga metalúrgica). Dado que puede adoptar diferentes estructuras cristalinas en función de la temperatura y la presión, se dice que el hierro es un metal alotrópico.
El alótropo bcc es el hierro común (ferromagnético), el que tanto conoce la gente y es atraído por los imanes. Cuando se calienta por encima de los 771 ºC, se vuelve paramagnético, y aunque su cristal solamente se dilata, antes consideraban a esta “nueva fase” como β-Fe. Los demás alótropos de hierro también son paramagnéticos.
Entre 910 ºC y 1394 ºC, el hierro se halla como el alótropo austenita o γ-Fe, cuya estructura es cúbica centrada en las caras, fcc. La conversión entre la austenita y la ferrita tiene un impacto importante en la fabricación del acero; ya que, los átomos de carbono son más solubles en la austenita que en la ferrita.
Y luego, por encima de los 1394 ºC hasta su punto de fusión (1538 ºC), el hierro vuelve a adoptar la estructura bcc, δ-Fe; pero a diferencia de la ferrita, este alótropo es paramagnético.
Hierro épsilon
Al aumentar la presión a 10 GPa, a una temperatura de pocos centenares de grados centígrados, el alótropo α o ferrita evoluciona al alótropo ε, épsilon, caracterizado por cristalizar en una estructura hexagonal compacta; es decir, con los átomos Fe más compactados. Esta es la cuarta forma alotrópica del hierro.
Algunos estudios teorizan sobre la posible existencia de otros alótropos de hierro bajo tales presiones, pero a temperaturas todavía más altas.
Independientemente de cuál sea el alótropo de hierro y la temperatura que “agita” sus átomos Fe, o la presión que los compacta, estos interaccionan unos con otros con los mismos electrones de valencia; estos son, los que se muestran en su configuración electrónica:
[Ar] 3d6 4s2
Por lo tanto, hay ocho electrones que participan en el enlace metálico, ya fuera si se debilita o fortalece durante las transiciones alotrópicas. Asimismo, son estos ocho electrones los que definen las propiedades del hierro tales como su conductividad térmica o eléctrica.
Los números de oxidación más importantes (y comunes) del hierro son el +2 (Fe2+) y el +3 (Fe3+). De hecho, la nomenclatura convencional considera solo estos dos números o estados. Sin embargo, hay compuestos donde el hierro puede ganar o perder otra cantidad de electrones; es decir, se asume la existencia de otros cationes.
Por ejemplo, el hierro también puede llegar a tener números de oxidación de +1 (Fe+), +4 (Fe4+), +5 (Fe5+), +6 (Fe6+) y +7 (Fe7+). La especie aniónica ferrato, FeO42-, posee el hierro con un número de oxidación de +6, ya que los cuatro átomos de oxígeno lo han oxidado a tal extremo.
Asimismo, el hierro puede tener números de oxidación negativos; tales como: -4 (Fe4-), -2 (Fe2-) y -1 (Fe–). No obstante, son muy raros los compuestos que poseen centros de hierro con estas ganancias de electrones. Es por eso que, si bien supera al manganeso en este aspecto, este último forma compuestos mucho más estables con su abanico de estados de oxidación.
El resultado, para fines prácticos basta con considerar el Fe2+ o Fe3+; los demás cationes se reservan para iones o compuestos un tanto específicos.
Debe procederse a la localización de las menas de los minerales más apropiados para la explotación minera del hierro. Los minerales más utilizados para su obtención son los siguientes: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4) limonita (FeO·OH·nH2O) y siderita (FeCO3).
Luego, el primer paso en la extracción es recolectar las rocas con las menas de mineral de hierro. Estas rocas son trituradas para fragmentarlas en trozos de pequeños tamaños. Posteriormente, hay una fase de selección de los fragmentos de las rocas con mineral de hierro.
En la selección se siguen dos estrategias: uso de un campo magnético y sedimentación en agua. Los fragmentos de rocas son sometidos a un campo magnético y los fragmentos con minerales se orientan en él, pudiendo así ser separados.
En el segundo método, los fragmentos rocosos son vertidos en el agua y aquellos que contienen hierro por ser más pesados se sedimentan en el fondo del agua, quedando en la parte superior de esta la ganga por ser de menor peso.
Los minerales de hierro son transportados a los altos hornos, donde son vertidos junto con carbón de coque que tiene el papel de combustible y suministrador de carbono. Además, se añade piedra calcárea o caliza, la cual cumple con la función de fundente.
Al alto horno, con la mezcla anterior, se le inyecta aire caliente a una temperatura de 1.000 ºC. El hierro se funde por la combustión del carbón que lleva la temperatura a 1.800 ºC. Una vez líquido recibe el nombre de arrabio, el cual se acumula en el fondo del horno.
El arrabio se extrae del horno y se vierte en recipientes para ser transportado para una nueva fundición; mientras la escoria, impureza ubicada en la superficie del arrabio, se desecha.
El arrabio se vierte mediante el uso de cucharas de coladas en un horno convertidor, junto con piedra calcárea como fundente, y se introduce oxígeno a altas temperatura. Así, se reduce el contenido de carbono, afinando el arrabio para convertirlo en acero.
Posteriormente, el acero es pasado por hornos eléctricos para la producción de aceros especiales.
Por ser un metal de bajo costo de producción, maleable, dúctil y convertido en resistente a la corrosión, se ha logrado que sea el metal más útil para el hombre, bajo sus diferentes formas: forjado, fundido y acero de diferentes tipos.
El hierro se utiliza para la construcción de:
-Puentes
-Bases para las edificaciones
-Puertas y ventanas
-Cascos de los barcos
-Diferentes herramientas
-Tuberías para el agua potable
-Tubos para la recolección de las aguas residuales
-Muebles para los jardines
-Rejas para la seguridad de los hogares
También se emplea en la elaboración de utensilios del hogar, como ollas, sartenes, cuchillos, tenedores. Además, se usa en la fabricación de neveras, cocinas, lavadoras, lavaplatos, licuadoras, hornos, tostadoras.
En resumen, el hierro está presente en todos los objetos que rodean al hombre.
Nanopartículas
El hierro metálico también prepararse como nanopartículas, las cuales son muy reactivas y conservan las propiedades magnéticas del sólido macroscópico.
Estas esferas de Fe (y sus múltiples morfologías adicionales) se utilizan para depurar aguas de compuestos organoclorados, y como soportes de drogas conducidas a regiones selectas del cuerpo mediante la aplicación de un campo magnético.
Asimismo, pueden servir como soportes catalíticos en reacciones donde se rompan enlaces de carbono, C-C.
Óxidos
El óxido ferroso, FeO, se emplea como pigmento para cristales. El óxido férrico, Fe2O3, es la base para una serie de pigmentos que van desde el amarillo al rojo, conocido como rojo Veneciano. La forma roja, llamada rouge, es usada para pulir los metales preciosos y los diamantes.
El óxido ferrosoférrico, Fe3O4, se emplea en las ferritas, sustancias con altas accesibilidad magnética y resistividad eléctrica, utilizables en ciertas memorias de computadoras y en el recubrimiento de cintas magnéticas. También se ha empleado como pigmento y agente de pulido.
Sulfatos
El sulfato ferroso heptahidrato, FeSO4·7H2O, es la forma más común del sulfato ferroso, conocido como vitriolo verde o coppera. Se usa como agente reductor y en la fabricación de tintas, fertilizantes y pesticidas. Asimismo, encuentra uso en la galvanoplastia del hierro.
El sulfato férrico, Fe2(SO4)3, se utiliza para la obtención del alumbre de hierro y otros compuestos férricos. Sirve como coagulante en la purificación de las aguas residuales, y como mordiente en el teñido de textiles.
Cloruros
El cloruro ferroso, FeCl2, se utiliza como mordiente y agente reductor. Mientras, el cloruro férrico, FeCl3, se emplea como agente de cloración de metales (plata y cobre) y algunos compuestos orgánicos.
El tratamiento de Fe3+ con el ion hexocianoferrato [Fe(CN)6]-4 produce un precipitado azul, llamado azul de Prusia, utilizado en pinturas y lacas.
En general, se recomienda una ingesta de 18 mg/día de hierro. Entre los alimentos que lo aportan en la dieta diaria están los siguientes:
Los mariscos aportan hierro en forma hemínica, por lo cual no hay inhibición en la absorción intestinal del mismo. La almeja aporta hasta 28 mg de hierro por 100 g de ella; por lo tanto, esta cantidad de almeja bastaría para suplir el requerimiento diario de hierro.
La espinaca contiene 3,6 mg de hierro por 100 g. La carne de órganos de vacunos, por ejemplo el hígado de ternera, contiene 6,5 mg de hierro por 100 g. Es probable que el aporte de la morcilla sea algo superior. La morcilla consiste de porciones del intestino delgado, rellenas de sangre de res.
Las legumbres, como la lenteja, contienen 6,6 mg de hierro por 198 g. La carne roja contiene 2,7 mg de hierro por 100 g. Las semillas de calabaza contienen 4,2 mg por 28 g. La quinua contiene 2,8 mg de hierro por 185 g. La carne oscura del pavo contiene 2,3 mg por 100 g. El brócoli contiene 2,3 mg por 156 mg.
El tofu contiene 3,6 mg por 126 g. Mientras, el chocolate negro contiene 3,3 mg por 28 g.
Las funciones que cumple el hierro, especialmente en los seres vivos vertebrados, son innumerables. Se estima que más de 300 enzimas requieren del hierro para su funcionamiento. Entre las enzimas y proteínas que lo utilizan se nombran las siguientes:
-Proteínas que poseen el grupo hemo y no tienen actividad enzimática: hemoglobina, mioglobina y neuroglobina.
-Enzimas con el grupo hemo que intervienen en el transporte de electrones: citocromos a, b, y f, y citocromo oxidasas y/o actividad oxidasa; sulfito oxidasa, citocromo P450 oxidasa, mieloperoxidasa, peroxidasa, catalasa, etc.
-Proteínas que contiene hierro-azufre, relacionadas con actividades de oxirreductasas, involucradas en la producción de energía: succinato deshidrogenasa, isocitrato deshidrogenasa y aconitasa, o enzimas involucradas con la replicación y reparación de DNA: DNA-polimerasa y DNA-heliclasas.
-Enzimas no hemo que utilizan el hierro como un cofactor para su actividad catalítica: la fenilalanina hidrolasa, la tirosina hidrolasa, la triptófano hidrolasa y la lisina hidrolasa.
-Proteínas no hemo responsables del transporte y almacenamiento del hierro: ferritina, transferrina, haptoglobina, etc.
Los riesgos de una exposición a un exceso de hierro pueden ser agudos o crónicos. Una causa para una intoxicación aguda de hierro puede ser la ingesta excesiva de tabletas de hierro, bajo la forma de gluconato, fumarato, etc.
El hierro puede provocar una irritación de la mucosa intestinal, cuyo malestar se manifiesta inmediatamente después de la ingesta y desaparece a las 6 a 12 horas. El hierro absorbido se deposita en diferentes órganos. Esta acumulación puede provocar alteraciones metabólicas.
Si la cantidad de hierro ingerido es tóxica, puede producir perforación intestinal con peritonitis.
En el sistema cardiovascular produce una hipovolemia que puede ser causada por una hemorragia gastrointestinal, y la liberación por el hierro de sustancias vasoactivas, como la serotonina y la histamina. Puede producirse en última instancia, necrosis masiva del hígado y un fallo hepático.
La hemocromatosia es una enfermedad hereditaria que presenta una alteración en el mecanismo de regulación del hierro corporal, lo que se manifiesta en un incremento en la concentración sanguínea del hierro y su acumulación en diferentes órganos; entre ellos el hígado, el corazón y el páncreas.
Los síntomas iniciales de la enfermedad son los siguientes: dolor articular, dolor abdominal, fatiga y debilidad. Con los siguientes síntomas y signos posteriores de la enfermedad: diabetes, pérdida del deseo sexual, impotencia, insuficiencia cardíaca y fallo hepático.
La hemosiderosis se caracteriza, como lo indica su nombre, por la acumulación de hemosiderina en los tejidos. Esta no provoca daño tisular, pero sí puede evolucionar a daños semejantes a los observados en la hemocromatosia.
La hemosiderosis puede ser producida por las causas siguientes: aumento en la absorción del hierro de la dieta, anemia hemolítica que libera hierro de los eritrocitos, y transfusiones sanguíneas excesivas.
La hemosiderosis y la hemocromatosia podrían ser debidas a un funcionamiento inadecuado de la hormona hepcidina, hormona secretada por el hígado que interviene en la regulación del hierro corporal.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgánica. (Cuarta edición). Mc Graw Hill.
- Foist L. (2019). Allotropes of Iron: Types, Density, Uses & Facts. Study. Recuperado de: study.com
- Jayanti S. (s.f.). Allotropy of Iron: Thermodynamics and Crystal Structures. Metallurgy. Recuperado de: engineeringenotes.com
- Nanoshel. (2018). Iron nano poder. Recuperado de: nanoshel.com
- Wikipedia. (2019). Iron. Recuperado de: en.wikipedia.org
- Shropshire History. (s.f.). Iron properties. Recuperado de: shropshirehistory.com
- Dr. Dough Stewart. (2019). Iron element facts. Recuperado de: chemicool.com
- Franziska Spritzler. (18 de julio de 2018). 11 alimentos saludables ricos en hierro. Recuperado de: healthline.com
- Lenntech. (2019). Periodic table: Iron. Recuperado de: lenntech.com
- The Editors of Encyclopaedia Britannica. (13 de junio de 2019). Iron. Encyclopædia Britannica. Recuperado de: britannica.com