FERRO (ELEMENT): CARACTERÍSTIQUES, ESTRUCTURA QUÍMICA, USOS - QUIMICA - 2026

El ferro és un metall de transició que pertany a el grup 8 o VIIIB de la taula periòdica i es representa amb el símbol químic Fe. És un metall gris, dúctil, mal·leable i de gran tenacitat, emprat en nombroses aplicacions de gran utilitat per a l'home i la societat.

Constitueix el 5% de l'escorça terrestre, i és a més el segon metall més abundant després de l'alumini. Així mateix, la seva abundància és superada per l'oxigen i silici. No obstant això, respecte a l'nucli terrestre, un 35% de la mateixa està compost de ferro metàl·lic i líquid.

Alchemist-hp (talk) (www.pse-mendelejew.de)

Fora de l'nucli terrestre, el ferro no es troba en forma metàl·lica, ja que és oxidat ràpidament a l'ésser exposat a l'aire humit. Es localitza en roques basàltiques, sediments carbonífers i en meteorits; generalment en aliatge amb el níquel, com en el mineral kamacita.

Els principals minerals de ferro usats per a la seva explotació minera són els següents: hematita (òxid fèrric, Fe ₂ O ₃), la magnetita (òxid ferrós-fèrric, Fe ₃ O ₄), la limonita (hidròxid d'òxid ferrós hidratat,), i la siderita (carbonat de ferro, FeCO ₃).

De mitjana, l'home té un contingut de 4,5 g de ferro, dels quals un 65% es troba sota la forma d'hemoglobina. Aquesta proteïna intervé en el transport de l'oxigen a la sang i en la seva distribució als diferents teixits, per a la posterior captació per la mioglobina i neuroglobina.

Malgrat els nombrosos beneficis de l'ferro per a l'ésser humà, el metall en excés pot tenir accions tòxiques molt greus, especialment sobre el fetge, el sistema cardiovascular i el pàncrees; tal és el cas de la malaltia hereditària hemocromatosia.

El ferro és sinònim de construcció, fortalesa i guerres. D'altra banda, arran de la seva abundància sempre és una alternativa a considerar quan es tracta del desenvolupament de nous materials, catalitzadors, fàrmacs o polímers; i malgrat el color vermell de les seves rovells, és un metall ambientalment verd.

història

antiguitat

El ferro va ser processat des de fa mil·lennis. No obstant això, és difícil trobar objectes de ferro d'edats tan antigues causa de la seva susceptibilitat a corroir, la qual cosa provoca la seva destrucció. Els objectes de ferro més antics coneguts van ser elaborats amb el trobat dins dels meteorits.

Tal és el cas d'una espècie de comptes elaborats en l'any 3500 ac, trobades en Gerzah, Egipte, i una daga trobada en la tomba de Tutankhamun. Els meteorits de ferro es caracteritzen per un alt contingut de níquel, de manera que es va poder identificar la seva procedència en aquests objectes.

Es van trobar evidències així mateix de ferro fos en Asmar, Mesopotàmia, i Tail Chagar Bazaar, a Síria, entre els anys 3000 a 2700 aC Tot i que la fosa de el ferro va començar a l'Edat de l'Bronze, va trigar segles en què pogués desplaçar a el bronze.

A més, es va trobar artefactes de ferro fos a l'Índia, 1800 a 1200 aC i en el Llevant, a prop de 1500 ac Es pensa que l'Edat del Ferro va començar l'any 1000 ac, a l'aconseguir disminuir el cost de la seva producció.

Apareix a la Xina entre els anys 700 i 500 aC, probablement transportat a través de l'Àsia central. Els primers objectes de ferro van ser trobats en Luhe Jiangsu, Xina.

Europa

El ferro forjat va ser produït a Europa mitjançant la utilització de trucades forges de gala. Per al procés es requeria d'l'ús de l'carbó com a combustible.

Els alts forns medievals eren de 3,0 m d'alçada, estaven fets de maons ignífugs i l'aire era subministrat per manxes manuals. En 1709, Abraham Darby va establir un alt forn de coc per a produir ferro fos, reemplaçant a el carbó vegetal.

La disponibilitat de ferro barat va ser un dels factors que van portar a la Revolució Industrial. En aquest període va començar la refinació de el ferro de ferro colat en ferro forjat, el qual es va usar per construir ponts, vaixells, dipòsits, etc.

acer

L'acer usa una concentració de carboni més gran que el ferro forjat. Es va produir acer en Luristan, Pèrsia, l'any 1000 ac En la Revolució Industrial es van idear mètodes nous per produir barres de ferro sense carbó, que després es van utilitzar per produir acer.

A finals de la dècada de 1850, Henry Bessemer va idear bufar aire a l'arrabio fos per produir acer dolç, el que va fer la producció de l'acer més econòmica. Això va portar com a conseqüència una disminució en la producció de l'ferro forjat.

propietats

aparença

Llustre metàl·lic amb un tint grisenc.

pes atòmic

55,845 u.

Nombre atòmic (Z)

26

Punt de fusió

1.533 ºC

Punt d'ebullició

2.862 ºC

densitat

Temperatura ambient: 7,874 g / ml.

Punt de fusió (líquid): 6,980 g / ml.

Calor de fusió

13,81 kJ / mol

Calor de vaporització

340 kJ / mol

Capacitat calòrica molar

25,10 J / (mol · K)

Energia d'ionització

-Primer nivell d'ionització: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gasós)

-Segon nivell d'ionització: 1561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gasós)

-Tercer nivell ionització: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ gasós)

electronegativitat

1,83 en l'escala de Pauling

ràdio atòmic

Empíric 126 pm

conductivitat tèrmica

80,4 W / (m · K)

resistivitat elèctrica

96,1 Ω · m (a 20 ºC)

Punt de Curie

770 ° C, aproximadament. A aquesta temperatura el ferro deixa de ser ferromagnètic.

isòtops

Isòtops estables: ⁵⁴ Fe, amb una abundància de l'5,85%; ⁵⁶ Fe, amb una abundància de l'91,75%; ⁵⁷ Fe, amb una abundància de l'2,12%; i ⁵⁷ Fe, amb una abundància de l'0,28%. A l'ésser el ⁵⁶ Fe l'isòtop més estable i abundant, no s'estranya que el pes atòmic de l'ferro estigui molt proper a les 56 u.

Mentre que els isòtops radioactius són: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe i ⁶⁰ Fe.

Estructura i configuració electrònica

-Alótropos

El ferro a temperatura ambient cristal·litza en l'estructura cúbica centrada en el cos (bcc), a la qual també se li coneix com α-Fe o ferrita (dins de l'argot metal·lúrgica). Atès que pot adoptar diferents estructures cristal·lines en funció de la temperatura i la pressió, es diu que el ferro és un metall alotrópic.

El al·lòtrop bcc és el ferro comú (ferromagnètic), el qual tant coneix la gent i és atret pels imants. Quan s'escalfa per sobre dels 771 ºC, es torna paramagnètic, i encara que el seu vidre només es dilata, abans consideraven a aquesta "nova fase" com β-Fe. Els altres al·lòtrops de ferro també són paramagnètics.

Entre 910 ºC i 1394 ºC, el ferro es troba com el al·lòtrop austenita o γ-Fe, l'estructura és cúbica centrada en les cares, fcc. La conversió entre l'austenita i la ferrita té un impacte important en la fabricació de l'acer; ja que, els àtoms de carboni són més solubles en l'austenita que a la ferrita.

I després, per sobre dels 1394 ºC fins al seu punt de fusió (1538 ° C), el ferro torna a adoptar l'estructura bcc, δ-Fe; però a diferència de la ferrita, aquest al·lòtrop és paramagnètic.

ferro èpsilon

A l'augmentar la pressió a 10 GPa, a una temperatura de pocs centenars de graus centígrads, el al·lòtrop α o ferrita evoluciona a l'al·lòtrop ε, èpsilon, caracteritzat per cristal·litzar en una estructura hexagonal compacta; és a dir, amb els àtoms Fe més compactats. Aquesta és la quarta forma al·lotròpica de l'ferro.

Alguns estudis teoritzen sobre la possible existència d'altres al·lòtrops de ferro sota tals pressions, però a temperatures encara més altes.

-Enllaci metàl·lic

Independentment de quin sigui el al·lòtrop de ferro i la temperatura que "agita" els seus àtoms Fe, o la pressió que els compacta, aquests interaccionen uns amb els altres amb els mateixos electrons de valència; aquests són, els que es mostren en la seva configuració electrònica:

3d ⁶ 4s ²

Per tant, hi ha vuit electrons que participen a l'enllaç metàl·lic, ja fos si es debilita o enforteix durant les transicions al·lotròpiques. Així mateix, són aquests vuit electrons els que defineixen les propietats de l'ferro tals com la seva conductivitat tèrmica o elèctrica.

-Números d'oxidació

Els números d'oxidació més importants (i comuns) de l'ferro són el +2 (Fe ²⁺) i el +3 (Fe ³⁺). De fet, la nomenclatura convencional considera només aquests dos nombres o estats. No obstant això, hi ha compostos on el ferro pot guanyar o perdre una altra quantitat d'electrons; és a dir, s'assumeix l'existència d'altres cations.

Per exemple, el ferro també pot arribar a tenir números d'oxidació de +1 (Fe ⁺), +4 (Fe ⁴⁺), +5 (Fe ⁵⁺), + 6 (Fe ⁶⁺) i +7 (Fe ^{juliol +}). L'espècie aniònica Ferrato, LLEIG ₄ ^2-, posseeix el ferro amb un nombre d'oxidació de +6, ja que els quatre àtoms d'oxigen ho han oxidat a tal extrem.

Així mateix, el ferro pot tenir nombres d'oxidació negatius; com ara: -4 (Fe ^4-), -2 (Fe ^2-) i -1 (Fe ^-). No obstant això, són molt rars els compostos que posseeixen centres de ferro amb aquests guanys d'electrons. És per això que, si bé supera el manganès en aquest aspecte, aquest últim forma compostos molt més estables amb el seu ventall d'estats d'oxidació.

El resultat, per a fins pràctics n'hi ha prou amb considerar el Fe ²⁺ o Fe ³⁺; els altres cations es reserven per ions o compostos una mica específics.

Com s'obté?

Adorns d'acer, la més important aliatge de ferro. Font: Pxhere.

Recollida de la matèria primera

S'ha de procedir a la localització de les menes dels minerals més apropiats per a l'explotació minera d'el ferro. Els minerals més utilitzats per a la seva obtenció són els següents: hematita (Fe ₂ O ₃), magnetita (Fe ₃ O ₄) limonita (FeO · OH · nH ₂ O) i siderita (FeCO ₃).

Després, el primer pas en l'extracció és recol·lectar les roques amb les menes de mineral de ferro. Aquestes roques són triturades per fragmentar en trossos de petits mides. Posteriorment, hi ha una fase de selecció dels fragments de les roques amb mineral de ferro.

En la selecció es segueixen dues estratègies: ús d'un camp magnètic i sedimentació en aigua. Els fragments de roques són sotmesos a un camp magnètic i els fragments amb minerals s'orienten en ell, podent així ser separats.

En el segon mètode, els fragments rocosos són abocats a l'aigua i aquells que contenen ferro per ser més pesats es sedimenten al fons de l'aigua, quedant en la part superior d'aquesta la ganga per ser de menor pes.

alts forns

Alt forn on es produeix acer. Font: Pixabay.

Els minerals de ferro són transportats als alts forns, on són abocats juntament amb carbó de coc que té el paper de combustible i subministrador de carboni. A més, s'afegeix pedra calcària o calcària, la qual compleix amb la funció de fundent.

A l'alt forn, amb la barreja anterior, se li injecta aire calent a una temperatura de 1.000 ºC. El ferro es fon per la combustió de carbó que porta la temperatura a 1.800 ºC. Un cop líquid rep el nom de ferro colat, el qual s'acumula en el fons de forn.

El ferro colat s'extreu de l'forn i s'aboca en recipients per a ser transportat per a una nova fosa; mentre l'escòria, impuresa ubicada a la superfície de l'ferro colat, es rebutja.

El ferro colat s'aboca mitjançant l'ús de culleres de colades en un forn convertidor, juntament amb pedra calcària com fundent, i s'introdueix oxigen a altes temperatura. Així, es redueix el contingut de carboni, afinant el ferro colat per a convertir-lo en acer.

Posteriorment, l'acer és passat per forns elèctrics per a la producció d'acers especials.

usos

-Ferro metàl·lic

Pont de ferro a Anglaterra, una de les tantíssimes construccions fetes amb ferro o els seus aliatges. Font: No machine-readable Autor provided. Jasonjsmith assumed (based on copyright claims).

Per ser un metall de baix cost de producció, mal·leable, dúctil i convertit en resistent a la corrosió, s'ha aconseguit que sigui el metall més útil per a l'home, sota les seves diferents formes: forjat, fos i acer de diferents tipus.

El ferro s'utilitza per a la construcció de:

-Ponts

-Bases per a les edificacions

-Portes i finestres

Cascos dels vaixells

-Diferents eines

-Canonades per a l'aigua potable

-Tubs per a la recol·lecció de les aigües residuals

-Mobles per als jardins

-Reixes per a la seguretat de les llars

També s'empra en l'elaboració d'estris de la llar, com olles, paelles, ganivets, forquilles. A més, s'usa en la fabricació de neveres, cuines, rentadores, rentaplats, liquadores, forns, torradores.

En resum, el ferro està present en tots els objectes que envolten a l'home.

nanopartícules

El ferro metàl·lic també preparar-se com nanopartícules, les quals són molt reactives i conserven les propietats magnètiques de l'sòlid macroscòpic.

Aquestes esferes de Fe (i les seves múltiples morfologies addicionals) s'utilitzen per depurar aigües de compostos organoclorats, i com a suports de drogues conduïdes a regions selectes de el cos mitjançant l'aplicació d'un camp magnètic.

Així mateix, poden servir com a suports catalítics en reaccions on es trenquin enllaços de carboni, CC.

-Compostos de ferro

òxids

L'òxid ferrós, LLEIG, s'empra com a pigment per a vidres. L'òxid fèrric, Fe ₂ O ₃, és la base per a una sèrie de pigments que van des del groc a l'vermell, conegut com vermell Venecià. La forma vermella, anomenada rouge, és usada per polir els metalls preciosos i els diamants.

L'òxid ferrós-fèrric, Fe ₃ O ₄, s'empra en les ferrites, substàncies amb altes accessibilitat magnètica i resistivitat elèctrica, utilitzables en certes memòries d'ordinadors i en el recobriment de cintes magnètiques. També s'ha emprat com a pigment i agent de polit.

sulfats

El sulfat ferrós heptahidrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, és la forma més comuna de l'sulfat ferrós, conegut com vidriol verd o coppera. S'usa com a agent reductor i en la fabricació de tintes, fertilitzants i pesticides. Així mateix, troba ús en la galvanoplàstia de el ferro.

El sulfat fèrric, Fe ₂ (SO ₄) ₃, s'utilitza per a l'obtenció de l'alum de ferro i altres compostos fèrrics. Serveix com coagulant en la purificació de les aigües residuals, i com a mordent en el tenyit de tèxtils.

clorurs

El clorur ferrós, FeCl ₂, s'utilitza com mordent i agent reductor. Mentrestant, el clorur fèrric, FeCl ₃, s'empra com a agent de cloració de metalls (plata i coure) i alguns compostos orgànics.

El tractament de Fe ³⁺ amb l'ió hexocianoferrato ^-4 produeix un precipitat blau, anomenat blau de Prússia, utilitzat en pintures i laques.

Aliments amb ferro

Les cloïsses són una font alimentària rica en ferro. Font: Pxhere.

En general, es recomana una ingesta de 18 mg / dia de ferro. Entre els aliments que l'aporten en la dieta diària estan els següents:

Els mariscs aporten ferro en forma hemínica, per la qual cosa no hi ha inhibició en l'absorció intestinal del mateix. La cloïssa aporta fins a 28 mg de ferro per 100 g d'ella; per tant, aquesta quantitat de cloïssa n'hi hauria prou per suplir el requeriment diari de ferro.

L'espinac conté 3,6 mg de ferro per 100 g. La carn d'òrgans de bovins, per exemple el fetge de vedella, conté 6,5 mg de ferro per 100 g. És probable que l'aportació de la botifarra sigui una mica superior. La botifarra consisteix de porcions de l'intestí prim, farcides de sang de cap de bestiar.

Els llegums, com la llentia, contenen 6,6 mg de ferro per 198 g. La carn vermella conté 2,7 mg de ferro per 100 g. Les llavors de carbassa contenen 4,2 mg per 28 g. La quinoa conté 2,8 mg de ferro per 185 g. La carn fosca de l'gall dindi conté 2,3 mg per 100 g. El bròquil conté 2,3 mg per 156 mg.

El tofu conté 3,6 mg per 126 g. Mentrestant, la xocolata negra conté 3,3 mg per 28 g.

paper biològic

Les funcions que compleix el ferro, especialment en els éssers vius vertebrats, són innombrables. S'estima que més de 300 enzims requereixen d'el ferro per al seu funcionament. Entre els enzims i proteïnes que l'utilitzen es nomenen les següents:

-Proteïnes que posseeixen el grup hemo i no tenen activitat enzimàtica: hemoglobina, mioglobina i neuroglobina.

-Enzims amb el grup hemo que intervenen en el transport d'electrons: citocroms a, b, if, i citocrom oxidases i / o activitat oxidasa; sulfit oxidasa, citocrom P450 oxidasa, mieloperoxidasa, peroxidasa, catalasa, etc.

-Proteïnes que conté ferro-sofre, relacionades amb activitats de oxirreductasas, involucrades en la producció d'energia: succinat deshidrogenasa, isocitrat deshidrogenasa i aconitasa, o enzims involucrats amb la replicació i reparació de DNA: DNA-polimerasa i DNA-heliclasas.

-Enzims no hemo que utilitzen el ferro com un cofactor per a la seva activitat catalítica: la fenilalanina hidrolasa, la tirosina hidrolasa, l'triptòfan hidrolasa i la lisina hidrolasa.

-Proteïnes no hemo responsables de l'transport i emmagatzematge de l'ferro: ferritina, transferrina, haptoglobina, etc.

Riscos

toxicitat

Els riscos d'una exposició a un excés de ferro poden ser aguts o crònics. Una causa per una intoxicació aguda de ferro pot ser la ingesta excessiva de rajoles de ferro, sota la forma de gluconat, fumarat, etc.

El ferro pot provocar una irritació de la mucosa intestinal, el malestar es manifesta immediatament després de la ingesta i desapareix a les 6 a 12 hores. El ferro absorbit es diposita en diferents òrgans. Aquesta acumulació pot provocar alteracions metabòliques.

Si la quantitat de ferro ingerit és tòxica, pot produir perforació intestinal amb peritonitis.

En el sistema cardiovascular produeix una hipovolèmia que pot ser causada per una hemorràgia gastrointestinal, i l'alliberament pel ferro de substàncies vasoactives, com la serotonina i la histamina. Pot produir-se en última instància, necrosi massiva de l'fetge i una fallada hepàtica.

Hemocromatosia

La hemocromatosia és una malaltia hereditària que presenta una alteració en el mecanisme de regulació de l'ferro corporal, el que es manifesta en un increment en la concentració sanguínia de el ferro i la seva acumulació en diferents òrgans; entre ells el fetge, el cor i el pàncrees.

Els símptomes inicials de la malaltia són els següents: dolor articular, dolor abdominal, fatiga i debilitat. Amb els següents símptomes i signes posteriors de la malaltia: diabetis, pèrdua de desig sexual, impotència, insuficiència cardíaca i fallida hepàtica.

hemosiderosi

La hemosiderosis es caracteritza, com ho indica el seu nom, per l'acumulació d'hemosiderina en els teixits. Aquesta no provoca dany tissular, però sí que pot evolucionar a danys semblants als observats en la hemocromatosia.

La hemosiderosis pot ser produïda per les causes següents: augment en l'absorció de el ferro de la dieta, anèmia hemolítica que allibera ferro dels eritròcits, i transfusions sanguínies excessives.

La hemosiderosis i la hemocromatosia podrien ser degudes a un funcionament inadequat de l'hormona hepcidina, hormona secretada pel fetge que intervé en la regulació de l'ferro corporal.

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropes of Iron: Types, Density, Usis & Facts. Study. Recuperat de: study.com
3. Jayanti S. (sf). Allotropy of Iron: Thermodynamics and Crystal Structures. Metallurgy. Recuperat de: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Iron nano poder. Recuperat de: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Iron. Recuperat de: en.wikipedia.org
6. Shropshire History. (Sf). Iron properties. Recuperat de: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Iron element facts. Recuperat de: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (18 de juliol del 2018). 11 aliments saludables rics en ferro. Recuperat de: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodic table: Iron. Recuperat de: lenntech.com
10. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (13 de juny de al 2019). Iron. Encyclopædia Britannica. Recuperat de: britannica.com