Hierro
Definición
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| Propiedades generales | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Apariencia | lustroso metálico con un tinte grisáceo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Peso atómico estándar ( A r, estándar) | 55.845 (2) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Hierro en la tabla periódica | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Número atómico ( Z ) | 26 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo | grupo 8 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Período | período 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Categoría de elemento | metal de transición | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Bloquear | d-block | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuración electronica | [Ar] 3d 4s | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrones por caparazón | 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 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| cuando es líquido (en mp ) | 6.98 g / cm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de fusión | 13.81 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de vaporización | 340 kJ / mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidad de calor molar | 25.10 J / (mol • K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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| Propiedades atómicas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estados de oxidación | -4, -2, -1, +1, +2 , +3 , +4, +5, +6 , +7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegatividad | Escala de Pauling: 1.83 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energías de ionización |
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| Radio atómico | empírico: 126 p. m. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio covalente | Bajo giro: 132 ± 3 pm Alto giro: 152 ± 6 p. M. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Miscelánea | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | centrado en el cuerpo cúbico (bcc) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | centrado en la cara cúbico (fcc) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Velocidad de la varilla delgada de sonido | 5120 m / s (a temperatura ambiente ) (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 de Curie | 1043 K | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ordenamiento 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 de 5000 aC | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Principales isótopos de hierro | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El hierro es un elemento químico con el símbolo Fe (del latín: Ferrum ) y el número atómico 26. Es un metal en la primera serie de transición. Es en masa el elemento más común en la Tierra, formando gran parte del núcleo externo e interno de la Tierra. Es el cuarto elemento más común en la corteza terrestre. Su abundancia en planetas rocosos como la Tierra se debe a su abundante producción por fusión en estrellas de gran masa, donde es el último elemento que se produce con liberación de energía antes del colapso violento de una supernova, que dispersa el hierro en el espacio.
Al igual que los otros elementos del grupo 8, rutenio y osmio, el hierro existe en una amplia gama de estados de oxidación, de -2 a +7, aunque +2 y +3 son los más comunes. El hierro elemental se produce en meteoroides y otros ambientes con poco oxígeno, pero reacciona al oxígeno y al agua. Las superficies de hierro fresco aparecen brillantes de color gris plateado, pero se oxidan en el aire normal para dar óxidos de hierro hidratados, conocidos comúnmente como óxido. A diferencia de los metales que forman las capas de óxido de pasivación, los óxidos de hierro ocupan más volumen que el metal y, por lo tanto, se desprenden, exponiendo las superficies frescas a la corrosión.
El hierro metal se ha utilizado desde la antigüedad, aunque las aleaciones de cobre, que tienen temperaturas de fusión más bajas, se utilizaron incluso antes en la historia de la humanidad. El hierro puro es relativamente blando, pero no se puede obtener mediante la fundición, ya que está significativamente endurecido y reforzado por las impurezas, en particular el carbono, del proceso de fundición. Una cierta proporción de carbono (entre 0.002% y 2.1%) produce acero, que puede ser hasta 1000 veces más duro que el hierro puro. El metal de hierro crudo se produce en altos hornos, donde el mineral se reduce en coque a arrabio, que tiene un alto contenido de carbono. Un refinamiento adicional con oxígeno reduce el contenido de carbono a la proporción correcta para fabricar acero.
Los compuestos químicos de hierro tienen muchos usos. El óxido de hierro mezclado con polvo de aluminio se puede encender para crear una reacción de termita, que se usa para soldar y purificar minerales. El hierro forma compuestos binarios con los halógenos y los calcógenos. Entre sus compuestos organometálicos se encuentra el ferroceno, el primer compuesto sándwich descubierto.
El hierro juega un papel importante en la biología, formando complejos con el oxígeno molecular en la hemoglobina y la mioglobina; estos dos compuestos son proteínas de transporte de oxígeno comunes en vertebrados. El hierro es también 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. En los machos humanos adultos hay unos 3,8 gramos de hierro y 2,3 gramos en las hembras, para quienes el hierro se distribuye en la hemoglobina y en todo el cuerpo. El hierro es un elemento crítico en el metabolismo de cientos de proteínas y enzimas involucradas en diversas funciones corporales, como el transporte de oxígeno, la síntesis de ADN y el crecimiento celular.
Características
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 se pueden evaluar utilizando una variedad de pruebas, que incluyen la prueba Brinell, la prueba Rockwell y la prueba de dureza Vickers. Los datos sobre hierro son tan consistentes que a menudo se usan para calibrar mediciones o comparar pruebas. Sin embargo, las propiedades mecánicas del hierro se ven significativamente afectadas por la pureza de la muestra: los cristales puros solos de hierro son en realidad más suaves que el aluminio y los más puros hierro producido industrialmente (99.99%) tiene una dureza de 20-30 Brinell. Un aumento en el contenido de carbono causará un aumento significativo en la dureza y la resistencia a la tracción del hierro. Dureza máxima de 65 R
c se logra con un contenido de carbono del 0,6%, aunque la aleación tiene una baja resistencia a la tracción. Debido a la suavidad del hierro, es mucho más fácil trabajar con él que sus congéneres más pesados, el rutenio y el osmio.
c se logra con un contenido de carbono del 0,6%, aunque la aleación tiene una baja resistencia a la tracción. Debido a la suavidad del hierro, es mucho más fácil trabajar con él que sus congéneres más pesados, el rutenio y el osmio.
Debido a su importancia para los núcleos planetarios, las propiedades físicas del hierro a altas presiones y temperaturas también se han estudiado ampliamente. La forma de hierro que es estable en condiciones estándar puede someterse a presiones de hasta aprox. 15 GPa antes de transformarse en una forma de alta presión, como se describe en la siguiente sección.
Diagrama de fase y alotropos
El hierro representa un ejemplo de alotropía en un metal. Al menos cuatro formas alotrópicas de hierro se conocen como α, γ, δ, y ε; a presiones y temperaturas muy altas, existe cierta evidencia experimental controvertida para una fase β estable.
A medida que el hierro fundido se enfría pasando su punto de congelación de 1538 ° C, se cristaliza en su alótropo δ, que tiene una estructura cristalina cúbica (cco) centrada en el cuerpo. Cuando se enfría más a 1394 ° C, cambia a su alótropo de hierro y, una estructura cristalina cúbica (fcc) centrada en la cara o austenita. A 912 ° C e inferior, la estructura cristalina se convierte de nuevo en el alótropo bcc \ alpha - hierro. Finalmente, a 770 ° C (el punto Curie, T c) el orden magnético del hierro cambia de paramagnético a ferromagnético. A medida que pasa a través de la temperatura de Curie, el hierro no cambia su estructura, pero aparecen "dominios magnéticos", donde cada dominio contiene átomos de hierro con un giro electrónico particular. En el hierro no magnetizado, todos los giros electrónicos de los átomos dentro de un dominio tienen la misma orientación del eje; sin embargo, los electrones de los dominios vecinos tienen otras orientaciones con el resultado de cancelación mutua y ningún campo magnético. En el hierro magnetizado, los giros electrónicos de los dominios están alineados y los efectos magnéticos están reforzados. Aunque cada dominio contiene miles de millones de átomos, son muy pequeños, alrededor de 10 micrómetros de diámetro.y orbitales, que no apuntan directamente a los vecinos más cercanos en la red cúbica centrada en el cuerpo y, por lo tanto, no participan en enlaces metálicos; por lo tanto, pueden interactuar magnéticamente entre sí para que sus giros se alineen.
A presiones superiores a aproximadamente 10 GPa y temperaturas de unos pocos cientos de Kelvin o menos, el hierro α cambia a una estructura hexagonal compacta (hcp), que también se conoce como ε-hierro; la fase γ de mayor temperatura también cambia a ε-hierro, pero lo hace a mayor presión. La fase β, si existe, aparecerá a presiones de al menos 50 GPa y temperaturas de al menos 1500 K y tendrá una estructura ortorrómbica o una doble hcp. Estas fases de alta presión de hierro son importantes como modelos de miembros finales para las partes sólidas de los núcleos planetarios. Generalmente, se presume que el núcleo interno de la Tierra es un hierro-nickelalloy con estructura ε (o β). De manera algo confusa, el término "β-hierro" también se usa a veces para referirse al hierro α por encima de su punto de Curie, cuando pasa de ser ferromagnético a ser paramagnético.
El punto de fusión del hierro está experimentalmente bien definido para presiones inferiores a 50 GPa. Para presiones mayores, los estudios colocan el punto triple γ-ε-líquido a presiones que difieren en decenas de gigapascales y 1000 K en el punto de fusión. En términos generales, las simulaciones informáticas de dinámica molecular de fusión de hierro y experimentos de ondas de choque sugieren mayores puntos de fusión y una pendiente mucho más pronunciada de la curva de fusión que los experimentos estáticos llevados a cabo en las células de yunque de diamante. 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, mostrando la contribución disminuida de los electrones 3d al enlace metálico a medida que se atraen cada vez más hacia el inerte núcleo por el núcleo; sin embargo, son más altos que los valores del elemento anterior manganeso porque ese elemento tiene una subcapa 3d a medio llenar y, en consecuencia, sus electrones d no se deslocalizan fácilmente. Esta misma tendencia aparece para el rutenio pero no para el osmio.
Isótopos
El hierro natural consta de cuatro isótopos estables: 5.845% de Fe, 91.754% de Fe, 2.119% de Fe y 0.282% de Fe. De estos isótopos estables, solo Fe tiene un espín nuclear (- / 2 ). El núclido de Fe teóricamente puede someterse a la captura doble de electrones a Cr, pero el proceso nunca se ha observado y solo se ha establecido un límite inferior en la vida media de 3,1 × 10 años.
Fe es un radionucleido extinto de larga vida media (2,6 millones de años). No se encuentra en la Tierra, pero su producto final de descomposición es su nieta, el nucleido estable Ni. Gran parte del trabajo anterior sobre la composición isotópica del hierro se ha centrado en la nucleosíntesis de Fe a través de estudios de meteoritos y la formación de mineral. En la última década, los avances en la espectrometría de masas han permitido la detección y cuantificación de variaciones diminutas, de origen natural, en las proporciones de los isótopos estables del hierro. Gran parte de este trabajo está impulsado por la Tierra y las comunidades de ciencia planetarias, aunque están surgiendo aplicaciones para los sistemas biológicos e industriales.
En las fases de los meteoritos Semarkona y Chervony Kut, una correlación entre la concentración de Ni, la nieta de Fe, y la abundancia de los isótopos de hierro estables proporcionaron evidencia de la existencia de Fe en el momento de la formación del Sistema Solar. Posiblemente la energía liberada por la descomposición de Fe, junto con la liberada por Al, contribuyó a la refundición y diferenciación de los asteroides después de su formación hace 4.600 millones de años. La abundancia de Ni presente en el material extraterrestre puede aportar una mayor comprensión del origen y la historia temprana del Sistema Solar.
El isótopo de hierro más abundante Fe es de particular interés para los científicos nucleares porque representa el punto final más común de la nucleosíntesis. Dado que el Ni (14 partículas alfa) se produce fácilmente a partir de núcleos más ligeros en el proceso alfa en reacciones nucleares en supernovas (ver proceso de combustión de silicio), es el punto final de las cadenas de fusión dentro de estrellas extremadamente masivas, ya que Zn, requiere mucha más energía. Este Ni, que tiene una vida media de aproximadamente 6 días, se crea en cantidad en estas estrellas, pero pronto se descompone por dos emisiones de positrones sucesivas dentro de los productos de descomposición de la supernova en la nube de gas remanente de la supernova, primero en Co radioactivo y luego en estable Fe. Como tal, el hierro es el elemento más abundante en el núcleo de los gigantes rojos, y es el metal más abundante en los meteoritos de hierro y en los densos núcleos metálicos de planetas como la Tierra. También es muy común en el universo, en relación con otros metales estables de aproximadamente el mismo peso atómico. El hierro es el sexto elemento más abundante en el Universo y el elemento refractario más común.
Aunque se puede extraer una pequeña ganancia de energía mediante la síntesis de Ni, que tiene una energía de enlace ligeramente más alta que el 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 mucho al hierro sobre el níquel, y en cualquier caso, el Fe todavía tiene una masa más baja por nucleón que el Ni debido a su mayor fracción de protones más ligeros. Por lo tanto, los elementos más pesados que el hierro requieren una supernova para su formación, que implica la captura rápida de neutrones iniciando los núcleos de Fe.
En el futuro lejano del universo, suponiendo que no se produzca la descomposición del protón, la fusión en frío que se produce a través del túnel cuántico provocaría que los núcleos ligeros de la materia ordinaria se fusionen en núcleos de Fe. La fisión y la emisión de partículas alfa harían que los núcleos pesados se descompusieran en hierro, convirtiendo todos los objetos de masa estelar en esferas frías de hierro puro.
Ocurrencia
El hierro metálico o nativo raramente se encuentra en la superficie de la Tierra porque tiende a oxidarse, pero sus óxidos son omnipresentes y representan los minerales primarios. Si bien representa aproximadamente el 5% de la corteza terrestre, se cree que tanto el núcleo interno como el externo de la Tierra consisten principalmente en una aleación de hierro y níquel que constituye el 35% de la masa de la Tierra en su conjunto. El hierro es, en consecuencia, el elemento más abundante en la Tierra, pero solo el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, después del oxígeno, el silicio y el aluminio. La mayor parte del hierro en la corteza se encuentra combinado con oxígeno como minerales de óxido de hierro como hematita (Fe 2O 3 ), magnetita (Fe 3 O 4 ) y siderita (FeCO 3).) Muchas rocas ígneas también contienen minerales de sulfuro, pirrotita y pentlandita.
Ferropericlase (Mg, Fe) O, una solución sólida de periclasa (MgO) y wüstite (FeO), representa aproximadamente el 20% del volumen del manto inferior de la Tierra, lo que lo convierte en la segunda fase mineral más abundante en esa región después de perovskita de silicato (Mg, Fe) SiO 3 ; también es el principal huésped del hierro en el manto inferior. 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 γ-olivino en una mezcla de perovskita y ferropericlase y viceversa. En la literatura, esta fase mineral del manto inferior también a menudo se llama magnesiowüstite. La perovskita de silicato puede formar hasta el 93% del manto inferior, y la forma de hierro de magnesio, (Mg, Fe) SiO 3, se considera que es el mineral más abundante en la Tierra, que representa el 38% de su volumen.
Grandes depósitos de hierro se encuentran en formaciones de hierro con bandas. Estas formaciones geológicas son un tipo de roca que consiste en capas delgadas repetidas de óxidos de hierro que se alternan con bandas de esquisto y cuarzo pobres en hierro. Las formaciones de hierro con bandas se establecieron en el tiempo entre hace 3.700 millones de años y hace 1.800 millones de años .
Los compuestos de hierro mencionados se han usado como pigmentos (compare con ocre) desde tiempos históricos y también contribuyen al color de diversas formaciones geológicas, por ejemplo, el Buntsandstein (British Bunter, sandstein coloreado). En el caso del Eisensandstein (una "piedra arenisca de hierro" jurásica, por ejemplo, de Donzdorf) en Alemania y Bath stone en el Reino Unido, los pigmentos de hierro contribuyen al color amarillento de grandes cantidades de edificios históricos y esculturas. El color rojo proverbial de la superficie de Marte se deriva de un regolito rico en óxido de hierro.
Se producen cantidades significativas de hierro en la pirita mineral de sulfuro de hierro (FeS 2 ), pero es difícil extraer hierro de ella y, por lo tanto, no se usa. De hecho, el hierro es tan común que la producción generalmente se concentra solo en minerales con cantidades muy altas de esta. Durante la intemperie, el hierro tiende a lixiviarse a partir de depósitos de sulfuro como el sulfato y de depósitos de silicato como el bicarbonato. Ambos se oxidan en solución acuosa y precipitan en un pH incluso ligeramente elevado como óxido de hierro (III).
Aproximadamente 1 de cada 20 meteoritos consiste en los minerales de hierro-níquel taenita (35-80% de hierro) y kamacita (90-95% de hierro). Aunque raro, los meteoritos de hierro son la principal forma de hierro metálico natural en la superficie de la Tierra. De acuerdo con el informe de Metal Stocks in Society del Panel de Recursos Internacionales, el stock mundial de hierro en uso en la sociedad es de 2200 kg per cápita. Los países más desarrollados difieren a este respecto de los países menos desarrollados (7000-14000 frente a 2000 kg per cápita).
Química y compuestos
Estado de oxidación | Compuesto representativo |
|---|---|
| -2 (d) | Tetracarbonilferrato disódico (reactivo de Collman) |
| -1 (d) | Fe 2 (CO)2- 8 |
| 0 (d) | Pentacarbonilo de hierro |
| 1 (d) | Dímero de dicarbonilo de ciclopentadieniliron ("Fp 2 ") |
| 2 (d) | Sulfato ferroso, ferroceno |
| 3 (d) | Cloruro férrico, tetrafluoroborato de ferrocenio |
| 4 (d) | Fe (diars) 2 Cl2+ 2 |
| 5 (d) | FeO 3- 4 |
| 6 (d) | Ferrato de potasio |
| 7 (d) | [FeO 4 ] (aislamiento de matriz, 4K) |
El hierro muestra las propiedades químicas características de los metales de transición, es decir, 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, ferroceno, que revolucionó el último campo en la década de 1950. El hierro a veces se considera como un prototipo para 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. Sus 26 electrones están dispuestos en la configuración [Ar] 3d4s, de la cual los electrones 3d y 4s son relativamente cercanos en energía, y así pueden perder un número variable de electrones y no hay un punto claro donde la ionización adicional se vuelva no rentable.
El hierro forma compuestos principalmente en los estados de oxidación +2 y +3. Tradicionalmente, los compuestos de hierro (II) se llaman ferrosos, y los compuestos de hierro (III) son férricos. El hierro también se produce en estados de oxidación superiores, por ejemplo, el ferrato de potasio púrpura (K 2 FeO 4 ), que contiene hierro en su estado de oxidación +6. Aunque se ha reivindicado el óxido de hierro (VIII) (FeO 4 ), el informe no pudo ser reproducido y se ha descubierto que tal especie (al menos con hierro en su estado de oxidación +8) es improbable computacionalmente. Sin embargo, una forma de aniónico [FeO 4 ] con hierro en su estado de oxidación +7, junto con un isómero de hierro (V) -peroxo, se ha detectado por espectroscopía infrarroja a 4 K después de la condensación de átomos de Fe ablacionados por láser con una mezcla de O 2/Arkansas. El hierro (IV) es un intermediario común en muchas reacciones de oxidación bioquímica. Numerosos compuestos organoiron contienen estados formales de oxidación de +1, 0, -1 o incluso -2. Los estados de oxidación y otras propiedades de unión a menudo se evalúan usando la técnica de espectroscopia Mössbauer. Muchos compuestos mixtos de valencia contienen centros de hierro (II) e hierro (III), como magnetita y azul de Prusia (Fe 4 [Fe [CN] 6 ) 3 ). Este último se usa como el "azul" tradicional en los planos.
El hierro es el primero de los metales de transición que no puede alcanzar su estado de oxidación grupal de +8, aunque sus congéneres más pesados, el rutenio y el osmio, pueden tener el rutenio más dificultad que el osmio. El rutenio exhibe una química catiónica acuosa en sus bajos estados de oxidación similar a la del hierro, pero el osmio no, lo que favorece los altos estados de oxidación en los que forma complejos aniónicos. En la segunda mitad de la serie de transición 3d, las similitudes verticales de los grupos compiten con las similitudes horizontales de 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 de hierro.
Los compuestos de hierro producido en la mayor escala en la industria son sulfato de hierro (II) (FeSO 4 • 7H
2 O) y (III) cloruro de hierro (FeCl 3 ). El primero es una de las fuentes más disponibles de hierro (II), pero es menos estable a la oxidación aérea que la sal de Mohr ((NH 4 ) 2 Fe (SO 4 ) 2 • 6H 2 O). Los compuestos de hierro (II) tienden a oxidarse a compuestos de hierro (III) en el aire.
2 O) y (III) cloruro de hierro (FeCl 3 ). El primero es una de las fuentes más disponibles de hierro (II), pero es menos estable a la oxidación aérea que la sal de Mohr ((NH 4 ) 2 Fe (SO 4 ) 2 • 6H 2 O). Los compuestos de hierro (II) tienden a oxidarse a compuestos de hierro (III) en el aire.
A diferencia de muchos otros metales, el hierro no forma amalgamas con mercurio. Como resultado, el mercurio se comercializa en frascos estandarizados de 76 libras (34 kg) hechos de hierro.
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. Sin embargo, no reacciona con ácido nítrico concentrado y otros ácidos oxidantes debido a la formación de una capa de óxido impermeable, que sin embargo puede reaccionar con ácido clorhídrico.
Compuestos binarios
El hierro reacciona con el oxígeno en el aire para formar diversos compuestos de óxido e hidróxido; los más comunes son óxido de hierro (II, III) (Fe 3 O 4 ) y óxido de hierro (III) (Fe 2 O 3 ). El óxido de hierro (II) también existe, aunque es inestable a temperatura ambiente. A pesar de sus nombres, en realidad son todos compuestos no estequiométricos cuyas composiciones pueden variar. Estos óxidos son los principales minerales para la producción de hierro (véase el florecimiento y el alto horno). También se usan en la producción de ferritas, medios de almacenamiento magnético útiles en computadoras y pigmentos. El sulfuro más conocido es la pirita de hierro (FeS 2), también conocido como el oro de los tontos debido a su brillo dorado. No es un compuesto de hierro (IV), sino que es en realidad un polisulfuro de hierro (II) que contiene iones Fe y S 2-
2 en una estructura de cloruro de sodio distorsionada.
2 en una estructura de cloruro de sodio distorsionada.
Los haluros binarios ferrosos y férricos son bien conocidos, con la excepción del yoduro férrico. Los haluros ferrosos se derivan típicamente del tratamiento del metal de hierro con el ácido hidrácido correspondiente para dar las correspondientes sales hidratadas.
- 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.
- 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 y al alto poder reductor de I:
- 2 I + 2 Fe → I 2 + 2 Fe (E = +0.23 V)
Sin embargo, cantidades de miligramos de yoduro férrico, un sólido negro, aún pueden prepararse mediante la reacción de pentacarbonilo de hierro con yodo y monóxido de carbono en presencia de hexano y luz a la temperatura de -20 ° C, asegurándose de que el sistema esté bien sellado del aire y agua.
Química de solución
Los potenciales de reducción estándar en solución acuosa ácida para algunos iones de hierro comunes se dan a continuación:
| Fe + 2 e | ⇌ Fe | E = -0.447 V |
| Fe + 3 e | ⇌ Fe | E = -0.037 V |
| FeO 2- 4 + 8 H + 3 e | ⇌ Fe + 4 H 2 O | E = +2.20 V |
El anión tetraédrico rojo-violeta de ferrato (VI) 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:
- 4 FeO 2- 4 + 10 H2 O → 4 Fe3+ + 20 OH - + 3 O 2
El ion Fe tiene una gran química catiónica simple, aunque el ion hexaquo de color violeta pálido [Fe (H 2 O) 6 ] se hidroliza fácilmente cuando el pH aumenta por encima de 0 de la siguiente manera:
| [Fe (H 2 O) 6 ] | ⇌ [Fe (H 2 O) 5 (OH)] + H | K = 10 mol dm |
| [Fe (H 2 O) 5 (OH)] | ⇌ [Fe (H 2 O) 4 (OH) 2 ] + H | K = 10 mol dm |
| 2 [Fe (H 2 O) 6 ] | ⇌ [Fe (H 2 O) 4 (OH)]4+ 2 + 2 H + 2 H 2 O | K = 10 mol dm |
A medida que el pH aumenta por encima de 0, se forman las especies hidrolizadas amarillas anteriores y, a medida que aumenta por encima de 2-3, precipita el óxido de hierro (III) de color marrón rojizo fuera de la solución. Aunque Fe tiene una configuración d, su espectro de absorción no es similar al de Mn con sus débiles bandas d-d spin-prohibidas, porque el Fe tiene una carga positiva más alta y es más polarizante, reduciendo la energía de su transferencia de carga de ligando a metal absorciones Por lo tanto, todos los complejos anteriores están bastante coloreados, con la única excepción del ion hexaquo, e incluso eso tiene un espectro dominado por la transferencia de carga en la región ultravioleta cercana. Por otro lado, el hierro verde pálido (II) ion hexaquo [Fe (H 2 O) 6] no sufre una hidrólisis apreciable. El dióxido de carbono no se desarrolla cuando se agregan aniones de carbonato, lo que en cambio da como resultado la precipitación del carbonato de hierro blanco (II). En exceso de dióxido de carbono, esto forma el bicarbonato ligeramente soluble, que se produce comúnmente en las aguas subterráneas, pero se oxida rápidamente en el aire para formar óxido de hierro (III) que da cuenta de los depósitos marrones presentes en un número considerable de corrientes.
Compuestos de coordinación
Se conocen muchos compuestos de coordinación de hierro. Un anión de seis coordenadas típico es hexacloroferrato (III), [FeCl 6 ], que se encuentra en el cloruro de tetrakis (metilamonio) hexacloroferrato (III) de sal mixta. Los complejos con múltiples ligandos bidentados tienen isómeros geométricos. Por ejemplo, el complejo trans- clorohidridobis (bis-1,2- (difenilfosfino) etano) hierro (II) se usa como material de partida para compuestos con el resto Fe (dppe) 2 . El ion ferrioxalado con tres ligandos de oxalato (mostrado a la derecha) muestra quiralidad helicoidal con sus dos geometrías no superponibles etiquetadas Λ (lambda) para el eje del tornillo izquierdo y Δ (delta) para el eje del tornillo derecho, en línea con las convenciones IUPAC. El ferrioxalato de potasio se usa en actinometría química y junto con su sal de sodio se somete a fotoreducción aplicada en procesos fotográficos antiguos. El dihidrato de oxalato de hierro (II) tiene una estructura polimérica con iones de oxalato coplanares que se unen entre los centros de hierro con el agua de cristalización situada formando las tapas de cada octaedro, como se ilustra a continuación.
El azul de Prusia, Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 , es el más famoso de los complejos de cianuro de hierro. Su formación se puede utilizar como una simple prueba de química húmeda para distinguir entre soluciones acuosas de Fe y Fe ya que reaccionan (respectivamente) con ferricianuro de potasio y ferrocianuro de potasio para formar azul de Prusia.
Los complejos de hierro (III) son bastante similares a los del cromo (III) con la excepción de la preferencia del hierro (III) por el donador de O enlugar de los ligandos de donador de N. Los últimos tienden a ser bastante más inestables que los complejos de hierro (II) y a menudo se disocian en el agua. Muchos complejos de Fe-O muestran colores intensos y se usan como pruebas para fenoles o enol. Por ejemplo, en la prueba de cloruro férrico, utilizada para determinar la presencia de fenoles, el cloruro de hierro (III) reacciona con un fenol para formar un complejo violeta profundo:
- 3 ArOH + FeCl 3 → Fe (OAr) 3 + 3 HCl (Ar = arilo)
Entre los complejos de haluro y pseudohaluro, los complejos fluoro de hierro (III) son los más estables, siendo el [FeF 5 (H 2 O)] incoloro 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 ]. Al igual que el manganeso (II), la mayoría de los complejos de hierro (III) son de alto spin, con la excepción de aquellos con ligandos que son altos en las series de espectroquímicos como el cianuro. Un ejemplo de un complejo de bajo spin de hierro (III) es [Fe (CN) 6] Los ligandos de cianuro pueden separarse fácilmente en [Fe (CN) 6 ], y por lo tanto este complejo es venenoso, a diferencia del complejo de hierro [II (Fe (CN) 6 ] que se encuentra en azul de Prusia, que no libera cianuro de hidrógeno excepto cuando se agregan ácidos diluidos. El hierro muestra una gran variedad de estados electrónicos de espín, incluyendo cada valor de número cuántico de espín posible para un elemento de bloque d de 0 (diamagnético) a / 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 espín bajo y aquellos con cuatro o cinco se consideran espín alto.
Hierro (II) son menos estables que el hierro (III), pero la preferencia por O ligandos -donor es menos marcada, de modo que, por ejemplo, [Fe (NH 3 ) 6 ] se conoce, mientras que [Fe (NH 3 ) 6 ] es no. Tienen una tendencia a oxidarse a hierro (III), pero esto puede ser moderado por un pH bajo y los ligandos específicos utilizados.
Compuestos organometálicos
Los complejos de cianuro son técnicamente organometálicos, pero más importantes son los complejos de carbonilo y los compuestos de sándwich y medio sándwich. El principal compuesto de hierro (0) es el pentacarbonilo de hierro, Fe (CO) 5 , que se usa para producir carbonil hierro en polvo, una forma altamente reactiva de hierro metálico. La termólisis del pentacarbonilo de hierro da el grupo trinuclear, triiron dodecacarbonilo. El reactivo de Collman, tetracarbonilferrato disódico, es un reactivo útil para la química orgánica; contiene hierro en el estado de oxidación -2. El dímero de dicarbonilo de ciclopentadieniliron contiene hierro en el raro estado de oxidación +1.
El ferroceno fue un compuesto extremadamente importante en la historia temprana de la rama de la química organometálica, y hasta el día de hoy el hierro sigue siendo uno de los metales más importantes en este campo. Se sintetizó por primera vez en 1951 durante un intento de preparar fulvalene (C 10 H 8 ) mediante dimerización oxidativa de ciclopentadieno; el producto resultante se encontró que tenía fórmula molecular C 10 H 10Fe y reportó exhibir "notable estabilidad". El descubrimiento despertó un interés sustancial en el campo de la química organometálica, en parte porque la estructura propuesta por Pauson y Kealy (mostrada a la derecha) era inconsistente con los modelos de unión existentes en ese momento y no explicaba su estabilidad inesperada. En consecuencia, el desafío inicial fue determinar definitivamente la estructura del ferroceno con la esperanza de que su unión y sus propiedades se comprendieran. La sorprendentemente nueva estructura de sándwich, [Fe (η-C 5 H 5 ) 2], se dedujo e informó de forma independiente por tres grupos en 1952: Robert Burns Woodward y Geoffrey Wilkinson investigaron la reactividad para determinar la estructura y demostraron que el ferroceno experimenta reacciones similares a una molécula aromática típica (como el benceno), dedujo Ernst Otto Fischer la estructura sándwich y también comenzó a sintetizar otros metalocenos incluyendo cobaltoceno; Eiland y Pepinsky proporcionaron una confirmación cristalográfica de rayos X de la estructura del sándwich.
Aplicando la teoría del enlace de valencia al ferroceno considerando un centro de Fe y dos aniones de ciclopentadienuro (C 5 H 5 ), que son conocidos por ser aromáticos según la regla de Hückel y por lo tanto altamente estables, permitieron la predicción correcta de la geometría de la molécula. Una vez que la teoría de la órbita molecular se aplicó con éxito y se propuso el modelo Dewar-Chatt-Duncanson, las razones de la notable estabilidad del ferroceno se hicieron evidentes. El ferroceno no fue el primer compuesto organometálico conocido: sal de Zeise, K [PtCl 3 (C 2 H 4 )] • Se informó sobre H 2 O en 1831 y el descubrimiento de Mond de Ni (CO) 4 ocurrió en 1888, pero fue el descubrimiento del ferroceno que comenzó la química organometálica como un área separada de la química. Era tan importante que Wilkinson y Fischer compartieron el Premio Nobel de Química de 1973 "por su trabajo pionero, realizado de forma independiente, sobre la química de los compuestos organometálicos, llamados sándwich". El ferroceno en sí mismo puede usarse como la cadena principal de un ligando, por ejemplo, 1,1'-bis (difenilfosfino) ferroceno (dppf). El ferroceno puede ser oxidado al catión ferrocenio (Fc); el par de ferroceno / ferrocenio se usa a menudo como referencia en electroquímica.
Los metalocenos como el ferroceno se pueden preparar por reacción de ciclopentadieno recién craqueado con cloruro y base de hierro (II). Es una sustancia aromática y se somete a reacciones de sustitución en lugar de reacciones de adición en los ligandos de ciclopentadienilo. Por ejemplo, la acilación Friedel-Crafts de ferroceno con anhídrido acético produce acetylferrocene así como la acilación de benceno produce acetofenona en condiciones similares.
Las especies organometálicas centradas en hierro se usan como catalizadores. El complejo Knölker, por ejemplo, es un catalizador de hidrogenación de transferencia para cetonas.
Etimología
Como el hierro ha estado en uso durante tanto tiempo, tiene muchos nombres diferentes en diferentes idiomas. La fuente de su símbolo químico Fe es la palabra latina ferrum , y sus descendientes son los nombres del elemento en las lenguas romances (por ejemplo, francés fer , español hierro y italiano y portugués ferro ). La palabra ferrum en sí misma proviene posiblemente de las lenguas semíticas, a través de Etrusco, de una raíz que también dio origen al antiguo inglés bræs "latón". La palabra inglesa iron deriva en última instancia de Proto-Germanic * isarnan , que también es la fuente del nombre alemán Eisen. Lo más probable es que haya sido prestado de Celtic * isarnon , que en última instancia proviene de Proto-indoeuropeo * is- (e) ro- "poderoso, santo" y finalmente * eis "fuerte", haciendo referencia a la fuerza del hierro como un metal. Kluge relaciona * isarnon con Illyric y Latin ira , 'ira'). Los nombres baltoeslava de hierro (por ejemplo, Rusia железо [ Zhelezo ], polaco Zelazo , Lituania geležis ) son los únicos que vienen directamente de la proto-indoeuropeo * gelg- "de hierro". En muchos de estos idiomas, la palabra para hierro también se puede usar para designar otros objetos hechos de hierro o acero, o figurativamente debido a la dureza y la resistencia del metal. El chino lazo (鐵tradicional; simplificado铁) deriva del proto-sinotibetana * hliek , y fue prestado al japonés como鉄 Tetsu , que también tiene la lectura nativa Kurogane "metal negro" (similar a como se hace referencia hierro en el Inglés palabra herrero).
History
Hierro forjado
El hierro es uno de los elementos indudablemente conocidos en el mundo antiguo. Ha sido trabajado o forjado por milenios. Sin embargo, los objetos de hierro de la edad avanzada son mucho más raros que los objetos hechos de oro o plata debido a la facilidad con la que se corroe el hierro.
Las perlas hechas de hierro meteórico en 3500 aC o antes fueron encontradas en Gerzah, Egipto por GA Wainwright. Las cuentas 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 impurezas minúsculas 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. Por ejemplo, se encontró una daga hecha de hierro meteórico en la tumba de Tutankamón, que contiene proporciones similares de hierro, cobalto y níquel para un meteorito descubierto en el área, depositado por una lluvia de meteoritos antiguos. Los artículos que probablemente fueron hechos de hierro por los egipcios datan de 3000 a 2500 aC. El hierro meteorítico es comparablemente blando y dúctil y se forja fácilmente por el trabajo en frío, pero puede volverse frágil cuando se calienta debido al contenido de níquel.
La primera producción de hierro comenzó en la Edad del Bronce Medio, pero tardó varios siglos antes de que el hierro se desplazara al bronce. Las muestras de hierro fundido de Asmar, Mesopotamia y Tall Chagar Bazaar en el norte de Siria se realizaron en algún momento entre 3000 y 2700 aC. Los hititas establecieron un imperio en el norte de Anatolia central alrededor de 1600 aC Parecen ser los primeros en comprender la producción de hierro de sus minerales y lo consideran altamente en su sociedad. Los hititas comenzaron a fundir hierro entre 1500 y 1200 aC y la práctica se extendió al resto del Cercano Oriente después de que su imperio cayera en 1180 aC. El período posterior se llama la Edad de Hierro.
Los artefactos de hierro fundido se encuentran en la India que data de 1800 a 1200 aC, y en el Levante desde aproximadamente 1500 aC (lo que sugiere la fundición en Anatoliaor el Cáucaso). Las supuestas referencias (comparar la historia de la metalurgia en el sur de Asia) con el hierro en los Vedas hindúes se han usado para reclamar un uso muy temprano del hierro en la India, respectivamente, hasta la fecha de 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 primero en el Atharvaveda post-rigvedico.
Algunas evidencias arqueológicas sugieren que el hierro se fundió en Zimbabwe y el sudeste de África ya en el siglo VIII a. El trabajo con hierro se introdujo en Grecia a fines del siglo XI aC, y se extendió rápidamente por toda Europa.
La expansión de la forja 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. La producción anual de hierro del Imperio Romano se estima en 84750 t, mientras que Han China, de población similar y contemporánea, produjo alrededor de 5000 t. En China, el hierro solo aparece alrededor del 700-500 aC La fundición de hierro pudo haber sido introducida en China a través de Asia Central. La evidencia más temprana del uso de un alto horno en China data del siglo I d. C. y los hornos de cúpula se utilizaron ya en el período de los Estados Combatientes (403-221 aC). El uso de la explosión y el horno de cúpula se mantuvo generalizado durante las dinastías Song y Tang.
Durante la Revolución Industrial en Gran Bretaña, Henry Cort comenzó a refinar hierro de arrabio a hierro forjado (o barra de hierro) utilizando sistemas de producción innovadores. En 1783 patentó el proceso de pudding para refinar el mineral de hierro. Más tarde fue mejorado por otros, incluido Joseph Hall.
Hierro fundido
El hierro fundido se produjo por primera vez en China durante el siglo V a. C., pero apenas en Europa hasta la época medieval. Los primeros artefactos de hierro fundido fueron descubiertos por los arqueólogos en lo que hoy es el moderno condado de Luhe, Jiangsu en China. El hierro fundido se utilizó en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. Durante la época medieval, se encontraron medios en Europa de producir hierro forjado a partir de hierro fundido (en este contexto conocido como arrabio) con forjas. Para todos estos procesos, se requirió carbón como combustible.
Los altos hornos medievales tenían alrededor de 10 pies (3.0 m) de altura y estaban hechos de ladrillo ignífugo; el aire forzado solía ser provisto por fuelles manuales. Los altos hornos modernos han crecido mucho más, con hogares de catorce metros de diámetro que les permiten producir miles de toneladas de hierro al día, pero esencialmente funcionan de forma muy similar a como lo hacían durante el día. tiempos medievales.
En 1709, Abraham Darby I estableció un alto horno de coque para producir hierro fundido, reemplazando el carbón, aunque continuaba usando altos hornos. La consiguiente disponibilidad de hierro barato fue uno de los factores que llevaron a la Revolución Industrial. Hacia el final del siglo XVIII, el hierro fundido comenzó a reemplazar el hierro forjado para ciertos propósitos, 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.
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 siendo hoy un monumento al papel que el hierro jugó en la Revolución Industrial. Después de esto, el hierro se usó en rieles, barcos, barcos, acueductos y edificios, así como en cilindros de hierro en las máquinas de vapor. Los ferrocarriles han sido fundamentales para la formación de la modernidad y las ideas de progreso y varios idiomas (por ejemplo, francés, español, italiano y alemán) se refieren a los ferrocarriles como carreteras de hierro .
Acero
El acero (con un contenido de carbono más pequeño que el arrabio pero más que el hierro forjado) se produjo por primera vez en la antigüedad mediante el uso de una flor. Los herreros de Luristán, en el oeste de Persia, fabricaban un buen acero en el año 1000 antes de Cristo. Luego se desarrollaron versiones mejoradas, acero Wootz de India y acero de Damasco alrededor del año 300 aC y 500 dC respectivamente. Estos métodos fueron especializados, por lo que el acero no se convirtió en un producto principal hasta la década de 1850.
En el siglo XVII se idearon nuevos métodos para producirlo mediante la cementación de barras de hierro en el proceso de cementación. En la Revolución Industrial, se idearon nuevos métodos para producir hierro en barra sin carbón y estos se aplicaron posteriormente para producir acero. A fines de la década de 1850, Henry Bessemer inventó un nuevo proceso de fabricación de acero, que implicaba el soplado de aire a través del arrabio fundido, para producir acero dulce. Esto hizo que el acero fuera mucho más económico, por lo que el hierro forjado ya no se produce en grandes cantidades.
Fundamentos de la química moderna
En 1774, Antoine Lavoisier usó la reacción del 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.
Papel simbólico
El hierro juega un cierto papel en la mitología y ha encontrado varios usos como metáfora y en el folclore. Las obras y los días del poeta griego Hesíodo (líneas 109-201) enumeran diferentes edades del hombre que llevan el nombre de metales como el oro, la plata, el bronce y el hierro para explicar las sucesivas edades de la humanidad. La edad de hierro estaba estrechamente relacionada con Roma, y en las Metamorfosis de Ovidio
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. La joyería de hierro de Berlín alcanzó su producción máxima entre 1813 y 1815, cuando la familia real prusiana instó a los ciudadanos a donar joyas de oro y plata para obtener fondos militares. La inscripción Gold gab ich für Eisen (di oro por hierro) se usó también en los esfuerzos de guerra posteriores.
Producción de hierro metálico
Rutas industriales
La producción de hierro o acero es un proceso que consta de dos etapas principales. En la primera etapa, el arrabio se produce en un alto horno. Alternativamente, puede reducirse directamente. En la segunda etapa, el arrabio se convierte en hierro forjado, acero o hierro fundido.
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 y forme polvo de hierro puro. . Otro método es la electrólisis de cloruro ferroso sobre un cátodo de hierro.
Procesamiento de alto horno
La producción industrial de hierro comienza con minerales de hierro, principalmente hematita, que tiene una fórmula nominal Fe 2 O 3 , y magnetita, con la fórmula Fe 3 O 4 . Estos minerales se reducen al metal en una reacción carbotérmica, es decir, mediante tratamiento con carbono. La conversión se lleva a cabo típicamente en un alto horno a temperaturas de aproximadamente 2000 ° C. El carbono se proporciona en forma de coque. El proceso también contiene un flujo como la piedra caliza, que se utiliza para eliminar minerales de silicato en el mineral, que de otro modo obstruirían el horno. El coque y la piedra caliza se alimentan en la parte superior del horno, mientras que una ráfaga masiva de aire calentado a 900 ° C, aproximadamente 4 toneladas por tonelada de hierro, se introduce en el horno en la parte inferior.
En el horno, el coque reacciona con oxígeno en el chorro de aire para producir monóxido de carbono:
- 2 C + O 2 → 2 CO
El monóxido de carbono reduce el mineral de hierro (en la ecuación química siguiente, hematita) al hierro fundido, convirtiéndose en dióxido de carbono en el proceso:
- Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2
Algo de hierro en la zona inferior de alta temperatura del horno reacciona directamente con el coque:
- 2 Fe 2 O 3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO 2
El flujo presente para fundir impurezas en el mineral es principalmente caliza (carbonato de calcio) y dolomita (carbonato de calcio y magnesio). Se utilizan otros flujos especializados según los detalles del mineral. En el calor del horno, el flujo de piedra caliza se descompone en óxido de calcio (también conocido como cal viva):
- CaCO 3 → CaO + CO 2
Luego el óxido de calcio se combina con el dióxido de silicio para formar una escoria líquida.
- CaO + SiO 2 → CaSiO 3
La escoria se derrite en el calor del horno. En el fondo del horno, la escoria fundida flota sobre el hierro fundido más denso, y las aberturas en el costado del horno se abren para que salgan por separado de la plancha y la escoria. El hierro, una vez enfriado, se llama arrabio, mientras que la escoria se puede utilizar como material en la construcción de carreteras o para mejorar los suelos pobres en minerales para la agricultura.
Reducción directa de hierro
Debido a preocupaciones ambientales, se han desarrollado métodos alternativos de procesamiento del hierro. La "reducción directa de hierro" reduce el mineral de hierro a un bulto ferroso llamado hierro "esponja" o hierro "directo" que es adecuado para la fabricación de acero. Dos reacciones principales comprenden el proceso de reducción directa:
El gas natural está parcialmente oxidado (con calor y un catalizador):
- 2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2
Estos gases se tratan luego con mineral de hierro en un horno, produciendo hierro esponjoso sólido:
- Fe 2 O 3 + CO + 2 H 2 → 2 Fe + CO 2 + 2 H 2 O
La sílice se elimina mediante la adición de un flujo de piedra caliza como se describe anteriormente.
Termita
El hierro es un subproducto de la quema de una mezcla de polvo de aluminio y polvo de óxido.
- Fe 2 O 3 + 2 Al → 2 Fe + Al 2 O 3
Procesos adicionales
El arrabio no es hierro puro, pero tiene 4-5% de carbono disuelto en él con pequeñas cantidades de otras impurezas como azufre, magnesio, fósforo y manganeso. Como el carbono es la principal impureza, el hierro (arrabio) se vuelve frágil y duro. La eliminación de otras impurezas da como resultado el hierro fundido, que se utiliza para fundir artículos en fundiciones como estufas, tuberías, radiadores, postes de luz y rieles.
Alternativamente, el arrabio se puede hacer en acero (con hasta aproximadamente 2% de carbono) o hierro forjado (hierro comercialmente puro). Se han utilizado varios procesos para esto, incluyendo forjas de finos, hornos de pudding, convertidores Bessemer, hornos de solera abierta, hornos de oxígeno básicos 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 hacer aceros aleados.
El recocido implica calentar un trozo de acero a 700-800 ° C durante varias horas y luego enfriarlo gradualmente. Hace que el acero sea más suave y más viable.
Aplicaciones
Metalúrgico
El hierro es el más utilizado de todos los metales, representa más del 90% de la producción mundial de metales. Su bajo costo y alta resistencia lo hacen indispensable en aplicaciones de ingeniería tales como la construcción de maquinaria y máquinas herramientas, automóviles, cascos de barcos grandes y componentes estructurales para edificios. Como el hierro puro es bastante suave, se combina comúnmente con elementos de aleación para fabricar acero.
El α-hierro es un metal bastante blando que puede disolver solo una pequeña concentración de carbono (no más de 0,021% en masa a 910 ° C). La austenita (γ-hierro) es similarmente suave y metálica, pero puede disolver considerablemente más carbono (tanto como 2.04% en masa a 1146 ° C). Esta forma de hierro se usa en el tipo de acero inoxidable que se usa para fabricar cubiertos, y en equipos de hospital y de servicio de alimentos.
El hierro disponible comercialmente se clasifica en función de la pureza y la abundancia de aditivos. El arrabio tiene 3.5-4.5% de carbono y contiene cantidades variables de contaminantes como azufre, silicio y fósforo. El arrabio no es un producto vendible, sino más bien un paso intermedio en la producción de hierro fundido y acero. La reducción de contaminantes en el arrabio que afecta negativamente las propiedades del material, como el azufre y el fósforo, produce hierro fundido que contiene 2-4% de carbono, 1-6% de silicio y pequeñas cantidades de manganeso. 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 en fundirse cuando el carbón y el hierro se calientan juntos. Sus propiedades mecánicas varían mucho y dependen de la forma que tome el carbono en la aleación.
Los hierros fundidos "blancos" contienen su carbono en forma de cementita o carburo de hierro (Fe 3)DO). Este compuesto duro y quebradizo domina las propiedades mecánicas de los hierros blancos, haciéndolos duros, pero no resistentes a los golpes. La superficie quebrada de un hierro fundido blanco está llena de finas facetas del carburo de hierro roto, un material muy pálido, plateado y brillante, de ahí su denominación. Enfriando una mezcla de hierro con 0,8% de carbono lentamente por debajo de 723 ° C a temperatura ambiente, se obtienen capas alternadas de cementita y hierro-a, que es suave y maleable y recibe el nombre de perlita por su apariencia. El enfriamiento rápido, por otro lado, no deja tiempo para esta separación y crea una martensita dura y quebradiza. El acero se puede templar volviendo a calentar 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 pearlite-αFe, y la de más de 0.
En el hierro gris, el carbono existe como escamas finas y separadas de grafito, y también hace que el material se vuelva frágil debido a las escamas de grafito de bordes afilados que producen sitios de concentración de tensión dentro del material. Una variante más nueva de hierro gris, conocida como hierro dúctil, se trata especialmente con pequeñas cantidades de magnesio para alterar la forma del grafito a esferoides o nódulos, reduciendo las concentraciones de tensiones y aumentando enormemente la tenacidad y la resistencia del material.
El hierro forjado contiene menos de 0,25% de carbono pero grandes cantidades de escoria que le dan una característica fibrosa. Es un producto duro y maleable, pero no tan fusible como el arrabio. Si se afila a un borde, lo pierde rápidamente. El hierro forjado se caracteriza por la presencia de fibras finas 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.
| País | Mineral de hierro | Arrabio | Hierro directo | Acero |
|---|---|---|---|---|
| China | 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 |
El acero suave se corroe más fácilmente que el hierro forjado, pero es más barato y está más ampliamente disponible. El acero al carbono contiene un 2,0% de carbono o menos, con pequeñas cantidades de manganeso, azufre, fósforo y silicio. Los aceros aleados contienen cantidades variables de carbono y otros metales, como cromo, vanadio, molibdeno, níquel, tungsteno, etc. Su contenido de aleación aumenta su costo, por lo que generalmente solo se emplean para usos especializados. Un acero de aleación común, sin embargo, es acero inoxidable. Los recientes desarrollos en 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, dureza espectacular a un costo mínimo.
Además de las aplicaciones tradicionales, el hierro también se usa para proteger contra la radiación ionizante. Aunque es más ligero que otro material de protección tradicional, el plomo, es mucho más resistente mecánicamente. La atenuación de la radiación como una función de la energía se muestra en el gráfico.
La principal desventaja del hierro y el acero es que el hierro puro, y la mayoría de sus aleaciones, sufren mucho por la herrumbre si no se protegen de alguna manera, un costo que representa más del 1% de la economía mundial. La pintura, la galvanización, la pasivación, el revestimiento de plástico y el azulado se utilizan para proteger el hierro del óxido al excluir el agua y el oxígeno o la protección catódica. El mecanismo de oxidación del hierro es el siguiente:
- Cátodo: 3 O 2 + 6 H 2 O + 12 e → 12 OH
- Ánodo: 4 Fe → 4 Fe + 8 e; 4 Fe → 4 Fe + 4 e
- En general: 4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O → 4 Fe + 12 OH → 4 Fe (OH) 3 o 4 FeO (OH) + 4 H 2 O
El electrolito es generalmente sulfato de hierro (II) en áreas urbanas (formado cuando el dióxido de azufre atmosférico ataca al hierro) y partículas de sal en la atmósfera en áreas costeras.
Compuestos de hierro
Aunque el uso dominante del hierro está en la metalurgia, los compuestos de hierro también están presentes en la industria. Los catalizadores de hierro se usan tradicionalmente en el proceso de Haber-Bosch para la producción de amoniaco y en el proceso de Fischer-Tropsch para la conversión de monóxido de carbono en hidrocarburos para combustibles y lubricantes. Se usó hierro en polvo en un disolvente ácido en la reducción de Bechamp, la reducción de nitrobenceno a anilina.
El cloruro de hierro (III) encuentra uso en la purificación del agua y el tratamiento de aguas residuales, en el teñido de telas, como agente colorante en pinturas, como un aditivo en la alimentación animal y como un grabador para el cobre en la fabricación de placas de circuitos impresos. También se puede disolver en alcohol para formar una tintura de hierro, que se usa como medicamento para detener el sangrado en los canarios.
El sulfato de hierro (II) se usa como precursor de otros compuestos de hierro. También se usa para reducir el cromato en el cemento. Se usa para fortificar alimentos y tratar la anemia por deficiencia de hierro. El sulfato de hierro (III) se usa para depositar pequeñas partículas de aguas residuales en el agua del tanque. El cloruro de hierro (II) se usa como un agente floculante reductor, en la formación de complejos de hierro y óxidos de hierro magnéticos, y como un agente reductor en la síntesis orgánica.
Papel biológico y patológico
Se requiere hierro para la vida. Los cúmulos de hierro y azufre son omnipresentes e incluyen nitrogenasa, las enzimas responsables de la fijación biológica del nitrógeno. Las proteínas que contienen hierro participan en el transporte, el almacenamiento y el uso de oxígeno. Las proteínas de hierro están involucradas en la transferencia de electrones.
Entre los ejemplos de proteínas que contienen hierro en organismos superiores se incluyen la hemoglobina, el citocromo (ver hierro de alta valencia) y la catalasa. El humano adulto promedio contiene aproximadamente 0.005% de hierro, o aproximadamente cuatro gramos, de los cuales tres cuartas partes están en hemoglobina, un nivel que permanece constante a pesar de que se absorbe aproximadamente un miligramo de hierro cada día, porque el cuerpo humano recicla su hemoglobina para el contenido de hierro.
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 hierro como complejos, a veces tomando hierro ferroso antes de oxidarlo de nuevo a hierro férrico. En particular, las bacterias han desarrollado agentes secuestrantes de muy alta afinidad llamados sideróforos.
Después de la absorción en las células humanas, el almacenamiento de hierro se regula con precisión. Un componente principal de esta regulación es la proteína transferrina, que se une a los iones de hierro absorbidos desde el duodeno y lo lleva a las células en la sangre. La transferrina contiene Fe en medio de un octaedro distorsionado, unido a un nitrógeno, tres oxígenos y un anión carbonato quelante que atrapa el ion Fe: tiene una constante de estabilidad tan alta que es muy efectivo para absorber iones Fe incluso de la mayoría complejos estables. En la médula ósea, la transferrina se reduce de Fe y Fe y se almacena como ferritina para ser incorporada a la hemoglobina.
Los compuestos de hierro bioinorgánicos más comúnmente conocidos y estudiados (moléculas de hierro biológicas) son las proteínas hemo: ejemplos son la hemoglobina, la mioglobina y el citocromo P450. Estos compuestos participan en el transporte de gases, la construcción de enzimas y la transferencia de electrones. Las metaloproteínas son un grupo de proteínas con cofactores de iones metálicos. Algunos ejemplos de metaloproteínas de hierro son ferritina y rubredoxina. Muchas enzimas vitales para la vida contienen hierro, como catalasa, lipoxigenasas e IRE-BP.
La hemoglobina es un transportador de oxígeno que se produce en los glóbulos rojos y contribuye con su color, transportando oxígeno a las arterias desde los pulmones hasta los músculos donde se transfiere a la mioglobina, que lo almacena hasta que se necesita para la oxidación metabólica de la glucosa, generando energía . Aquí la hemoglobina se une al dióxido de carbono, producido cuando se oxida la glucosa, que es transportado a través de las venas por la hemoglobina (predominantemente como aniones de bicarbonato) de regreso a los pulmones donde se exhala. En la hemoglobina, el hierro está en uno de cuatro grupos de hemo y tiene seis posibles sitios de coordinación; cuatro están ocupados por átomos de nitrógeno en un anillo de porfirina, el quinto por un nitrógeno de imidazol en un residuo de histidina de una de las cadenas proteicas unidas al grupo hemo, y el sexto está reservado para la molécula de oxígeno a la que se puede unir reversiblemente. Cuando la hemoglobina no está unida al oxígeno (y luego se llama deoxihemoglobina), la Feion en el centro del grupo hemo (en el interior de la proteína hidrofóbica) está en una configuración de alto spin. Por lo tanto, es demasiado grande para caber dentro del anillo de porfirina, que se dobla en lugar de una cúpula con el ion Fe a unos 55 picómetros por encima. En esta configuración, el sexto sitio de coordinación reservado para el oxígeno está bloqueado por otro residuo de histidina.
Cuando la desoxihemoglobina capta 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 Fe ion cambie a una configuración de bajo spin, lo que resulta en una disminución del 20% en el radio iónico, de modo que ahora puede caber en el anillo de porfirina, que se vuelve plano. (Además, este enlace de hidrógeno da como resultado la inclinación de la molécula de oxígeno, dando como resultado 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 conducirían a la transferencia de electrones, la oxidación de Fe a Fe y la destrucción de la hemoglobina.) Esto da como resultado un movimiento de todas las cadenas de proteínas que conduce a las otras subunidades de la hemoglobina cambiando la forma a una forma con oxígeno más grande afinidad. Por lo tanto, cuando la desoxihemoglobina absorbe oxígeno, aumenta su afinidad por más oxígeno y viceversa. La mioglobina, por otro lado, contiene solo un grupo hemo y, por lo tanto, este efecto cooperativo no puede ocurrir. Por lo tanto, mientras 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 en el tejido muscular. Según lo descrito por el efecto de Bohr (nombrado después de Christian Bohr, el padre de Niels Bohr),
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 ser transportado 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 su interferencia con el correcto funcionamiento de la proteína transportadora de electrones citocromo a. Las proteínas del citocromo también involucran grupos hemo y están involucradas en la oxidación metabólica de la glucosa por oxígeno. El sexto sitio de coordinación está ocupado por otro nitrógeno de imidazol o un azufre de metionina, de modo que estas proteínas son en gran medida inertes para el oxígeno, con la excepción del citocromo a, que se une directamente al oxígeno y, por lo tanto, es fácilmente envenenado por el cianuro. Aquí, la transferencia de electrones tiene lugar ya que el hierro permanece en baja rotación 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, puede almacenarse en trifosfato de adenosina. El citocromo a es ligeramente distinto, ya que se produce en la membrana mitocondrial, se une directamente al oxígeno y transporta protones y electrones de la siguiente manera:
- 4 Cytc + O 2 + 8H + dentro → 4 Cytc + 2 H 2 O + 4H + fuera
Aunque las proteínas hemo son la clase más importante de proteínas que contienen hierro, las proteínas hierro-azufre también son muy importantes, involucrándose en la transferencia de electrones, lo que es posible ya que el hierro puede existir establemente en los estados de oxidación +2 o +3. Estos tienen uno, dos, cuatro u ocho átomos de hierro que están coordinados cada uno aproximadamente tetraédricamente con cuatro átomos de azufre; debido a esta coordinación tetraédrica, siempre tienen hierro de alto spin. El más simple de tales compuestos es rubredoxina, que tiene un solo átomo de hierro coordinado a cuatro átomos de azufre a partir de residuos de cisteína en las cadenas peptídicas circundantes. Otra clase importante de proteínas de hierro y azufre son las ferredoxinas, que tienen múltiples átomos de hierro. Transferrin no pertenece a ninguna de estas clases.
La capacidad de los mejillones de mar para mantener su control 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. Sobre la base de réplicas sintéticas, la presencia de hierro en estas estructuras aumentó el módulo elástico 770 veces, la resistencia a la tracción 58 veces y la tenacidad 92 veces. La cantidad de estrés requerido para dañarlos permanentemente aumentó 76 veces.
Salud y dieta
El hierro es generalizado, pero las fuentes particularmente ricas en hierro de la dieta incluyen la carne roja, ostras, lentejas, frijoles, aves de corral, pescado, vegetales de hoja, berro, tofu, garbanzos, guisantes de ojo negro y melaza de blackstrap. Los cereales para el pan y el desayuno a veces están específicamente fortificados con hierro.
El hierro proporcionado por suplementos dietéticos a menudo se encuentra como fumarato de hierro (II), aunque el sulfato de hierro (II) es más barato y se absorbe igualmente bien. Hierro elemental, o hierro reducido, a pesar de ser absorbido solo entre un tercio y dos tercios, la eficacia (en relación con el sulfato de hierro) se agrega a menudo a alimentos como los cereales para el desayuno o la harina de trigo enriquecida. El hierro está más disponible para el cuerpo cuando se quela a aminoácidos y también está disponible para su uso como un suplemento de hierro común. La glicina, el aminoácido más barato y más común, se usa con mayor frecuencia para producir suplementos de glicinato de hierro.
Recomendaciones dietéticas
El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM) actualizó los requisitos promedio estimados (EAR) y las dietas recomendadas (RDA) para el hierro en 2001. El EAR actual para el hierro para mujeres entre 14 y 18 años es de 7,9 mg / día, 8,1 para edades entre 19 y 50 y 5.0 a partir de entonces (post menopausia). Para los hombres, el EAR es de 6.0 mg / día para mayores de 19 años. La dosis diaria recomendada es de 15.0 mg / día para mujeres de 15-18 años, 18.0 para 19-50 y 8.0 a partir de entonces. Para hombres, 8.0 mg / día para mayores de 19 años. Las RDA son más altas que las EAR para identificar cantidades que cubrirán a personas con requisitos superiores a la media. RDA para el embarazo es de 27 mg / día y, para la lactancia, 9 mg / día. Para niños de 1 a 3 años, 7 mg / día, 10 para las edades de 4 a 8 y 8 para las edades de 9 a 13 años. En cuanto a la seguridad, el IOM también establece niveles de ingesta máxima tolerable (UL) de vitaminas y minerales cuando la evidencia es suficiente. En el caso del hierro, la UL se establece en 45 mg / día.
La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) se refiere al conjunto colectivo de información como valores de referencia dietéticos, con ingesta de referencia de población (PRI) en lugar de RDA, y el 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 entre las edades de 15-17 años, 16 mg / día para las 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 de 15 años en adelante. Para niños de 1 a 14 años, el PRI aumenta de 7 a 11 mg / día. Los PRI son más altos que los RDA de EE. UU., Con la excepción del embarazo. La EFSA revisó la misma pregunta de seguridad y no estableció una UL.
Los bebés pueden requerir suplementos de hierro si son leche de vaca alimentada con biberón. Los donantes de sangre frecuentes corren el riesgo de tener niveles bajos de hierro y, a menudo, se les aconseja complementar su ingesta de hierro.
Para fines de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos de los Estados Unidos, la cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del Valor Diario (% DV). Para fines de etiquetado con hierro, el 100% del valor diario fue de 18 mg y, a partir del 27 de mayo de 2016, se mantuvo sin cambios a 18 mg. Se proporciona una tabla de todos los valores diarios de adultos antiguos y nuevos en la Ingesta diaria de referencia. El plazo original para cumplirlo fue el 28 de julio de 2018, pero el 29 de septiembre de 2017, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. Publicó una regla propuesta que extendía el plazo hasta el 1 de enero de 2020 para grandes empresas y el 1 de enero de 2021 para pequeñas empresas.
Deficiencia
La deficiencia de hierro es la deficiencia nutricional más común en el mundo. Cuando la ingesta adecuada de hierro no compensa adecuadamente la pérdida de hierro, se produce un estado latente de deficiencia de hierro, que con el tiempo conduce a una anemia ferropénica si no se trata, que se caracteriza por una cantidad insuficiente de glóbulos rojos y una cantidad insuficiente de la hemoglobina. Los niños, las mujeres premenopáusicas (mujeres en edad fértil) y las personas con una dieta deficiente son más susceptibles a la enfermedad. La mayoría de los casos de anemia por deficiencia de hierro son leves, pero si no se tratan pueden causar problemas como latidos cardíacos rápidos o irregulares, complicaciones durante el embarazo y retraso en el crecimiento de bebés y niños.
Exceso
| Diamante de fuego NFPA 704 |
|---|
 1 1 0 |
Signo de peligro de diamante de fuego para hierro metálico
La absorción de hierro está estrechamente regulada por el cuerpo humano, que no tiene medios fisiológicos regulados para excretar el hierro. Solo pequeñas cantidades de hierro se pierden diariamente debido a la descamación de las células epiteliales de la mucosa y la piel, por lo que el control de los niveles de hierro se logra principalmente regulando la absorción. 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. mamíferos. En estas personas, la ingesta excesiva de hierro puede provocar trastornos de sobrecarga de hierro, conocidos médicamente como hemocromatosis. Muchas personas tienen una susceptibilidad genética no diagnosticada a la sobrecarga de hierro y no están al tanto de 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.
La sobredosis de hierro ingerido puede causar niveles excesivos de hierro libre en la sangre. Los altos niveles de hierro ferroso libre en la sangre reaccionan con los peróxidos para producir radicales libres altamente reactivos que pueden dañar el ADN, las proteínas, los lípidos y otros componentes celulares. La toxicidad del hierro ocurre cuando la célula contiene hierro libre, que generalmente ocurre cuando los niveles de hierro exceden la disponibilidad de transferrina para unir el 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 en los niveles sanguíneos. El hierro típicamente daña las células del corazón, el hígado y 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. Los humanos experimentan toxicidad por hierro cuando el hierro excede 20 miligramos por cada kilogramo de masa corporal; 60 miligramos por kilogramo se considera una dosis letal. El consumo excesivo de hierro, a menudo el resultado de que los niños consumen grandes cantidades de tabletas de sulfato ferroso destinadas al consumo en la adultez, es una de las causas toxicológicas más comunes de muerte en niños menores de seis años. La ingesta dietética de referencia (DRI, por sus siglas en inglés) establece el nivel máximo de ingesta tolerable (UL) para adultos a 45 mg / día. Para niños menores de catorce años, la UL es de 40 mg / día. La ingesta dietética de referencia (DRI, por sus siglas en inglés) establece el nivel máximo de ingesta tolerable (UL) para adultos a 45 mg / día. Para niños menores de catorce años, la UL es de 40 mg / día. La ingesta dietética de referencia (DRI, por sus siglas en inglés) establece el nivel máximo de ingesta tolerable (UL) para adultos a 45 mg / día. Para niños menores de catorce años, la UL es de 40 mg / día.
El tratamiento médico de la toxicidad del hierro es complicado y puede incluir el uso de un agente quelante específico llamado deferoxamina para unir y expulsar el exceso de hierro del cuerpo.
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 procesos no patológicos. Las personas que reciben quimioterapia pueden desarrollar deficiencia de hierro y anemia, para lo cual se usa la terapia con hierro por vía intravenosa para restaurar los niveles de hierro. La sobrecarga de hierro, que puede ocurrir por el alto consumo de carnes rojas, puede iniciar el crecimiento tumoral y aumentar la susceptibilidad al inicio del cáncer, particularmente para el cáncer colorrectal.
Obtenido de: https://en.wikipedia.org/wiki/Iron