El Hierro:

El Hierro:

El hierro es un elemento qumico de nmero atmico 26 situado en el grupo 8 de la tabla peridica de los elementos. Se simboliza como Fe.

Este metal de transicin es el cuarto elemento ms abundante en la corteza terrestre, representando un 5%. Igualmente es uno de los elementos ms importantes del Universo, y el ncleo de la Tierra est formado principalmente por hierro y nquel, generando al moverse un campo magntico. Ha sido histricamente muy importante, y un perodo de la Historia recibe el nombre de "Edad de Hierro".

Caractersticas principales

Es un metal maleable, tenaz, de color gris plateado y presenta propiedades magnticas; es ferromagntico a temperatura ambiente.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos xidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los xidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de afino para eliminar las impurezas presentes.

Fundamentalmente se emplea en la produccin de aceros, consistentes en aleaciones de hierro con otros elementos, tanto metlicos como no metlicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleacin de hierro es acero si contiene menos de un 2% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundicin.

Es el elemento ms pesado que se produce exotrmicamente por fusin, y el ms ligero que se produce a travs de una fisin, debido a que su ncleo tiene la ms alta energa de enlace por nuclen (energa necesaria para separar del ncleo un neutrn o un protn); por lo tanto, el ncleo ms estable es el del hierro-56.

Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura:

Hierro : Es la que se encuentra a temperatura ambiente; hasta los 788 C. El sistema cristalino es una red cbica centrada en el cuerpo y es ferromagntico.

Hierro : 788 C - 910 C; tiene el mismo sistema cristalino que la , pero la temperatura de Curie es de 770 C, y pasa a ser paramagntico.

Hierro : 910 C - 1400 C; presenta una red cbica centrada en las caras.

Hierro : 1400 C - 1539 C; vuelve a presentar una red cbica centrada en el cuerpo.

Aplicaciones

El hierro es el metal ms usado, con el 95% en peso de la produccin mundial de metal. Es indispensable debido a su bajo precio y dureza, especialmente en automviles, barcos y componentes estructurales de edificios. El acero es la aleacin de hierro ms conocida, siendo ste su uso ms frecuente. Las aleaciones frreas presentan una gran variedad de propiedades mecnicas dependiendo de su composicin o el tratamiento que se haya llevado a cabo.

Los aceros son aleaciones de hierro y carbono, as como otros elementos. Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en:

Acero bajo en carbono. Menos del 0.25% de C en peso. Son blandos pero dctiles. Se utilizan en vehculos, tuberas, elementos estructurales, etctera. Tambin existen los aceros de alta resistencia y baja aleacin, que contienen otros elementos aleados hasta un 10% en peso; tienen una mayor resistencia mecnica y pueden ser trabajados fcilmente.

Acero medio en carbono. Entre un 0.25% y un 0.6% de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados trmicamente. Son ms resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dctiles; se emplean en piezas de ingeniera que requieren una alta resistencia mecnica y al desgaste.

Acero alto en carbono. Entre un 0.60% y un 1.4% de C en peso. Son an ms resistentes, pero tambin menos dctiles. Se aaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas.

Uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad. Hay una serie de aceros a los que se les aaden otros elementos aleantes (principalmente cromo) para que sean ms resistentes a la corrosin, se llaman aceros inoxidables.

Cuando el contenido en carbono es superior a un 2.1% en peso, la aleacin se denomina fundicin. Generalmente tienen entre un 3% y un 4.5% de C en peso. Hay distintos tipos de fundiciones (gris, esferoidal, blanca y maleable); segn el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores, vlvulas, engranajes, etctera.

Por otra parte, los xidos de hierro tienen variadas aplicaciones: en pinturas, obtencin de hierro, la magnetita (Fe3O4) y el xido de hierro III en aplicaciones magnticas, etctera.

Abundancia y obtencin

Es el metal de transicin ms abundante en la corteza terrestre, y cuarto de todos los elementos. Tambin abunda en todo el Universo, habindose encontrado meteoritos que lo contienen. Se encuentra formando parte de numerosos minerales, entre los que destacan: la hematites (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4), la limonita (FeO(OH)), la siderita (FeCO3), pirita (FeS2), ilmenita (FeTiO3), etctera.

La reduccin de los xidos para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado comnmente alto horno. Durante el proceso se produce arrabio lquido. En los procedimientos de reduccin directa se produce esponja de hierro slida. En l se aaden los minerales de hierro, en presencia de coque y carbonato de calcio, CaCO3 (que acta como escorificante).

Vista de un alto hornoEl alto horno es un horno de cuba que trabaja en forma continua y que posee un revestimiento interior constituido por ladrillos refractarios. Las dimensiones del alto horno dependen de las cantidades que se planea producir. Los altos hornos de grandes dimensiones permiten elaborar ms de 11.000 toneladas de arrabio por da.

En un primer paso de trabajo, en su camino desde arriba hacia abajo del alto horno, los productos para el alto horno se precalientan y se secan. A continuacin, las uniones qumicas del hierro con el oxgeno contenidas en el mineral de hierro se van reduciendo (disolviendo) paso a paso. En la parte superior del alto horno, esto se produce gracias al monxido de carbono, un gas que se genera debido a la combustin del coque en la parte inferior del alto horno. En esta parte inferior, el carbono del coque reduce los xidos restantes a temperaturas de 1400 a 1600 C. Abajo de todo, en el crisol, se recogen el arrabio lquido y la escoria, que por ser ms ligeras flotan sobre ste. A intervalos alternativos, se hace fluir ambas sustancias a travs de orificios de salida, que se cierran nuevamente tras cada sangra. El arrabio contiene un porcentaje de carbono del 3 al 4 %.

La proporcin de carbono superfluo y de impurezas existentes en el arrabio se elimina en el paso siguiente, es decir, durante la obtencin del acero.

El proceso de la combustin del carbono y de una parte de los elementos adicionales innecesarios se conoce con el nombre de afino. Al trmino de dicho proceso se obtiene acero con un contenido mnimo de carbono, cuyos porcentaje puede predefinirse de manera precisa en funcin del tipo de acero.

Otras sustancias adicionales para la obtencin del acero, adems del arrabio y la esponja de hierro slida, son:

la chatarra,

los fundentes (cal, bauxita, espato, mineral de hierro) y

aditivos de aleacin.

Los grupos de procedimientos que, en nuestros das, son importantes para realizar el afino del acero a partir del arrabio y de la chatarra o bien a partir de la esponja de hierro, son diversos mtodos que aplican el insuflado de oxgeno y el procedimiento del horno de arco voltaico. Aquellos en los cuales se aplica el insuflado de oxgeno permiten procesar, sobre todo, el arrabio y determinados porcentajes de chatarra. En el horno de arco voltaico se convierte normalmente la chatarra o la esponja de hierro en acero.

Existen varios tipos de procedimientos con insuflado de oxgeno, los cuales se distinguen sobre todo por la manera de soplar el oxgeno puro. Los recipientes en los que se realizan estos procedimientos se denominan convertidores. En cada colada es posible producir hasta 400 toneladas de acero. El oxgeno insuflado permite lograr, en el foco, temperaturas entre 2500 y 3000 C, quemndose as el carbono y los componentes adicionales innecesarios. La colada completa, junto con los trabajos secundarios, consume unos 30 a 50 minutos. Al efectuarse la sangra, el acero producido se encuentra a una temperatura de 1600 a 1650 C.

En el horno de arco voltaico se genera el calor necesario para la fusin de los productos slidos mediante energa elctrica. En este horno se producen temperaturas de hasta 3500 C, entre un electrodo de grafito y la chatarra o la esponja. Esto tambin permite fundir productos con un punto de fusin muy alto. La ventaja especial de este procedimiento es una completa independencia a la hora de elegir los productos a aplicar (chatarra, esponja de hierro, arrabio as como cualquier tipo de mezcla). Los hornos modernos tienen una capacidad de hasta 300 toneladas de acero y se necesita aproximadamente una hora y media para cada colada.

Horno de arco voltaico

Antes, el acero producido en el convertidor o en el horno de arco voltaico mediante el procedimiento de afino ya quedaba "listo" en este punto y poda volcarse en moldes. Hoy en da, a continuacin del afino se efectan generalmente tratamientos posteriores como la metalurgia secundaria para poder obtener tipos de acero de mejor calidad an. As, se puede adaptar la composicin qumica del acero con una exactitud del 0,001 %.

Vista de una instalacin de colada continua cuadrifilar para tochos: der.: plataforma de colada; centro: puesto de mando, corte de los tochos; izq.: enfriadero

El acero as tratado alcanza su primera forma slida en la planta metalrgica, donde se cuela. Hasta hace unos pocos aos sola colarse el acero en lingoteras (coquillas) en "porciones". Hoy en da, por regla general el acero lquido se cuela en tramos continuos (colada continua).

Colada continuaEl prximo paso de trabajo del acero para lograr productos acabados consiste generalmente en el laminado. Para obtener, por ejemplo, chapas delgadas, alambres o tubos se requieren varios pasos independientes de laminado as como una serie de tratamientos adicionales del producto laminado.

Tratamiento para el laminadoLos gases sufren una serie de reacciones; el coque puede reaccionar con el oxgeno para formar dixido de carbono:

C + O2 CO2

A su vez el dixido de carbono puede reducirse para dar monxido de carbono:

CO2 + C 2CO

Aunque tambin se puede dar el proceso contrario al oxidarse el monxido con oxgeno para volver a dar dixido de carbono:

2CO + O2 2CO2

El proceso de oxidacin de coque con oxgeno libera energa y se utiliza para calentar (llegndose hasta unos 1900 C en la parte inferior del horno).

En primer lugar los xidos de hierro pueden reducirse, parcial o totalmente, con el monxido de carbono, CO; por ejemplo:

Fe3O4 + 3CO 3FeO + CO2

FeO + CO Fe + CO2

Despus, conforme se baja en el horno y la temperatura aumenta, reaccionan con el coque (carbono en su mayor parte), reducindose los xidos. Por ejemplo:

Fe3O4 + C 3FeO + CO

El carbonato de calcio (caliza) se descompone:

CaCO3 CaO + CO2

Y el dixido de carbono es reducido con el coque a monxido de carbono como se ha visto antes.

Ms abajo se producen procesos de carburacin:

3Fe + 2CO Fe3C + CO2

Finalmente se produce la combustin y desulfuracin (eliminacin de azufre) mediante la entrada de aire. Y por ltimo se separan dos fracciones: la escoria y el arrabio (hierro fundido, que es la materia prima que luego se emplea en la industria).

El arrabio suele contener bastantes impurezas no deseables, y es necesario someterlo a un proceso de afino en hornos llamados convertidores.

En el 2000, los cinco mayores productores de hierro eran: China, Brasil, Australia, Rusia e India, con el 70% de la produccin mundial.

Compuestos

Los estados de oxidacin ms comunes son +2 y +3. Los xidos de hierro ms conocidos son el xido de hierro (II), FeO, el xido de hierro (III), Fe2O3, y el xido mixto Fe3O4.

Forma asimismo numerosas sales y complejos en estos estados de oxidacin. El hexacianoferrato (II) de hierro (III), usado en pinturas, se ha denominado azul de Prusia o azul de Turnbull; se pensaba que eran sustancias diferentes.

Se conocen compuestos en el estado de oxidacin +4, +5 y +6, pero son poco comunes, y en el caso del +5, no est bien caracterizado. El ferrato de potasio, K2FeO4, en el que el hierro est en estado de oxidacin +6, se emplea como oxidante. El estado de oxidacin +4 se encuentra en unos pocos compuestos y tambin en algunos procesos enzimticos.

El Fe3C se conoce como cementita, que contiene un 6.67 % en carbono, al hierro se le conoce como ferrita, y a la mezcla de ferrita y cementita, perlita o ledeburita dependiendo del contenido en carbono. La austenita es el hierro .