Ferro

Na Galipedia, a wikipedia en galego.

Manganeso - Ferro - Cobalto Fe Ru Tabela periódica
Xeral
Nome, símbolo, número	Ferro, Fe, 26
Clase , serie química	Metal , transición
Grupo, período, bloco	8 ( 8 B ), 4 , d
Densidade, dureza	7874 kg/m3, 4.0
Cor e aparencia	Metálico brillante con tons acincentados
Propriedades atómicas
Masa atómica	55.845 u
Raio atómico (calculado)	140 (156) picómetro
Raio covalente	125 pn
Raio de van der Waals	sen información
Configurazón electrónica	[Ar]3d64s2
Electróns por nivel de enerxía	2, 8, 14, 2
Estados de oxidación (óxido)	2,3,4,6 ( anfótero)
Estrutura cristalina	Cúbica centrado no corpo
Propriedades físicas
Estado da materia	sólido , (ferromagnético)
Ponto de fusión	1808 K (2795 Á°F)
Ponto de ebulición	3023 K (4982 Á°F)
Volume molar	7.09 ×10-6 m3/mol
Entalpia de vaporización	349.6 kX/mol
Entalpia de fusión	13.8 kX/mol
Presión de vapor	7.05 Pa at 1808 K
Velocidade do son	4910 m/s at 293.15 K
Informacións diversas
Eletronegatividade	1.83 (Escala de Pauling)
Capacidade calorífica	440 X/(kg*K)
Condutividade elétrica	9.93 106/m ohn
Condutividade térmica	80.2 W/(m*K)
1st Potencial de ionización	762.5 kX/mol
2nd Potencial de ionización	1561.9 kX/mol
3rd Potencial de ionización	2957 kX/mol
4th Potencial de ionización	5290 kX/mol
Isótopos máis estabeis
iso AN Mea-vida MD ED MeV PD 54Fe 5.8% Fe é isótopo estábel con 28 neutrons 55Fe 2.73 y captura eletronica ( e ) 0.231 55Mn 56Fe 91.72% Fe é isótopo estábel con 30 neutrons 57Fe 2.2% Fe é isótopo estábel con 31 neutrons 58Fe 0.28% Fe é isótopo estábel con 32 neutrons 59Fe 44.503 d β 1.565 59Co 60Fe 1.5E6 y β- 3.978 60Co
unidades SI e CNPT excepto onde indicado

O ferro ( do latín ferrum) é un elemento químico, símbolo Fe, de número atómico 26 (26 protóns e 26 electróns ) e masa atómica 56 u. Á temperatura ambiente, o ferro atopase no estado sólido.

É extraído da natureza baixo a forma de mineral de ferro que, despois de pasado para o estadío de ferro-gusa, a través de procesos de transformación, é usado na forma de lingotes. Adicionandose carbono dáse orixe a varias formas de aceiro.

Este metal de transición é atopado no grupo 8 ( 8B ) da Clasificación Periódica dos Elementos. É o cuarto elemento máis abundante da crosta terrestre (aproximadamente 5%) e, entre os metais, somente o aluminio é máis abundante.

É un dos elementos máis abundantes do Universo; o núcleo da Terra é formado principalmente por ferro e níquel ( NiFe ), xerando un campo magnético.

O ferro ten sido historicamente importante, e un período da historia recebeu o nome de Idade do ferro.

O ferro, actualmente, é utilizado extensivamente para a produción de aceiro, liga metálica para a produción de ferramentas, máquinas, vehículos de transporte ( automobeis, navios, etc ), como elemento estrutural de pontes, edificios, e infinidade doutras aplicacións.

Índice 1 Características principais 2 Aplicacións 3 Historia 4 Abundancia e obtención 5 Compostos 6 Papel biolóxico 7 Isótopos 8 Precaucións 9 Véxase tamén 10 Ligazóns Externas

[editar] Características principais

É un metal maleábel, tenaz, de colorazón cinza prateado presentando propriedades magnéticas; é ferromagnético a temperatura ambiente.

Atópase na natureza facendo parte da composición de diversos minerais, entre eles moitos óxidos e raramente é atopado libre. Para obterse ferro no estado elementar, os óxidos son reducidos con carbono, e inmediatamente son submetidos a un proceso de refinación para retirar as impurezas presentes.

Fundamentalmente é empregado na produción de aceiros, que son ligas metálicas de ferro con outros elementos, tanto metálicos canto non metálicos, que conferen propriedades distintas ao material. É considerada aceiro unha liga metálica de ferro que contén menos de 2% de carbono; se a percentaxe é maior recebe a denominación de fundición.

É o elemento máis pesado que se produce exotermicamente por fusión, e o máis leve producido por fisión, debido ao feito do seu núcleo ter a máis alta enerxía de ligación por nucleon, que é a enerxía necesaria para separar do núcleo un neutron ou un próton. Polo tanto, o núcleo máis estábel é o do ferro-56.

Apresenta diferentes formas estruturais dependendo da temperatura:

• Ferro α: É o que se atopa na temperatura ambiente, ata os 788 ºC. O sistema cristalino é unha rede cúbica centrada no corpo e é ferromagnético.
• Ferro β: 788 ºC - 910 ºC. Ten o mesmo sistema cristalino que o α, porén a temperatura de Curie é de 770 ºC, e pasa a ser paramagnético.
• Ferro γ: 910 ºC - 1400 ºC; presenta unha rede cúbica centrada nas faces.
• Ferro δ: 1400 ºC - 1539 ºC; volta a presentar unha rede cúbica centrada no corpo.

[editar] Aplicacións

O ferro é o metal máis usado, con 95% en peso da produción mundial de metal. É indispensábel debido ao seu baixo prezo e dureza , especialmente empregado en automobeis, barcos e componentes estruturais de edificios. O aceiro é a liga metálica de ferro máis coñecida, sendo este o seu uso máis frecuente. As ligas férreas presentan unha grande variedade de propriedades mecánicas dependendo da súa composición e do tratamento que se ten aplicado.

• Os aceiros son ligas metálicas de ferro e carbono con concentracións máximas de 2.2% en peso de carbono, aproximadamente. O carbono é o elemento de ligación principal, porén os aceiros conteñen outros elementos. Dependendo do seu contido en carbono son clasificados en:
  • Aceiro baixo en carbono. Contén menos de 0.25% de carbono en peso. Son fracos porén dúcteis. Son utilizados en veículos, tubulacións, elementos estruturais e outros. Tamén existen os aceiros de alta resistencia con baixa liga de carbono, mentres tanto, conteñen outros elementos facendo parte da composición, ata uns 10% en peso; presentan unha maior resistencia mecánica e poden ser traballados facilmente.
  • Aceiro medio en carbono. Entre 0.25% e 0.6% de carbono en peso. Para mellorar as súas propriedades son tratados termicamente. Son máis resistentes que os aceiros baixo en carbono, porén menos dúcteis, sendo empregados en pezas de enxeñaría que requeren unha alta resistencia mecánica e ao desgaste.
  • Aceiro alto en carbono. Entre 0.60% e 1.4% de carbono en peso. Son os máis resistentes, mentres tanto, os menos dúcteis. Adicionanse outros elementos para que formen carbetos, por exemplo, formando o carbeto de wolframio, WC, cando é adicionado á liga o wolframio. Estes carbetos son máis duros, formando aceiros utilizados principalmente para a fabricación de ferramentas.

• Un dos inconvenientes do ferro é que se oxida con facilidade. Existen unha serie de aceiros aos cais se adicionan outros elementos ligantes, principalmente o cromo, para que se tornen máis resistentes á corrosión. Son os chamados aceiros inoxidabeis.
• Cando o contido de carbono da liga é superior a 2.1% en peso, a liga metálica é denominada fundición. Estas ligas presentan, en xeral, entre 3% e 4.5% de carbono en peso. Existen diversos tipos de fundicións: cinza, esferoidal, branca e maleábel. Dependendo do tipo presenta aplicacións diferentes: en motores, válvulas, engrenaxes e outras.
• Por outro lado, os óxidos de ferro presentan variadas aplicacións: en pinturas, obtención de ferro, e outras. A magnetita (Fe₃O₄) e o óxido de ferro III (Fe₂O₃) teñen aplicacións magnéticas.

[editar] Historia

Tense indicios do uso de ferro, seguramente procedente de meteoritos, catro milenios a.C., polos sumerios e exipcios.

Entre dous e tres milenios antes de Cristo foron aparecendo cada vez máis obxetos de ferro (que se distingue do ferro proveniente dos meteoritos pola ausencia de níquel) na Mesopotamia, Anatolia e Exipto. Mentres tanto, o seu uso parece ser cerimonial, por ter sido un metal moito caro, máis que o ouro. Algunhas fontes suxeren que talvez era obtido como subproduto da obtención do cobre. Entre 1600 e 1200 a.C., observase un aumento do seu uso no Oriente Medio, porén non foi usado para substituir o bronce.

Entre os séculos XII e X antes de Cristo, ocorreu unha rápida transición no Oriente Medio na substitución das armas de bronce para as de ferro. Esta rápida transición talvez teña ocorrido debido a unha escasez de estaño , e debido a unha melloría na tecnoloxía en traballar co ferro. Este período, que ocorreu en diferentes ocasións segundo o lugar, denominouse Idade do ferro, substituindo a Idade do bronce. Na Grecia iniciouse en torno do ano 1000 a.C., e non chegou á Europa occidental antes do século VII a.C.. A substitución do bronce polo ferro foi paulatina, pois era difícil producir pezas de ferro: localizar o mineral, extraílo, proceder a súa fundición a temperaturas altas e despois forxálo.

Na Europa central, surxiu no século IX a.C. a "cultura de Hallstatt" substituindo a "cultura dos campos de urnas", que se denominou "Primeira Idade do Ferro", pois coincide coa introdución do uso deste metal. Aproximandose do ano 450 a.C., ocorreu o desenvolvimento da "cultura da Tène", tamén denominada "Segunda Idade do Ferro". O ferro era usado en ferramentas, armas e xóias, aínda que seguese atopando obxetos de bronce.

Xunto con esta transición de bronce ao ferro descobriuse o proceso de "carburazón", que consiste en adicionar carbono ao ferro. O ferro era obtido misturado coa escoria contendo carbono ou carbetos, e era forxado retirandose a escoria e oxidando o carbono, criandose así o produto xa cunha forma. Este ferro contiña unha cantidade de carbono moito baixa, non sendo posíbel endurecélo con facilidade ao esfriálo en auga. Observouse que se podia obter un produto moito máis resistente aquecendo a peza de ferro forxado nun leito de carbón vexetal, para entón submerxilo na auga ou óleo. O produto resultante, presentando unha capa superficial de aceiro, era máis duro e menos fráxil que o bronce.

Na China, o primeiro ferro utilizado tamén era proveniente dos meteoritos. Foron atopados obxetos de ferro forxado no noroeste, perto de Xinxiang, do século VIII a.C.. O procedimento utilizado era o mesmo que o usado no Oriente Medio e na Europa.

Nos últimos anos da Dinastia Zhou (550 a.C.), na China, se conseguiu obter un produto resultante da fusión do ferro (ferro fundido). O mineral atopado alí presentaba un alto contido de fósforo, co cal era fundido en temperaturas menores que as aplicadas na Europa e outros lugares. Todavia, durante moito tempo, ata a Dinastía Qing (aos 221 a.C.), o proceso non tivo unha grande repercusión.

O ferro fundido levou máis tempo para ser obtido na Europa, pois non se conseguia a temperatura necesaria. Algunhas das primeiras amostras foron atopadas na Suecia, en Lapphyttan e Vinarhyttan, de 1150 a 1350 d.C.

Na Idade Media, e ata finais do século XIX, moitos países europeos empregaban como método siderúrxico a "farga catalana". Se obtiña ferro e aceiro de baixo carbono empregandose carbón vexetal e o minerio de ferro. Este sistema xa estaba implantado no século XV, conseguindose obter temperaturas de ata 1200 ºC. Este procedimento foi substituído polo emprego de altos fornos.

No principio se usaba carbón vexetal para a obtención de ferro como fonte de calor e como axente redutor. No século XVIII, na Inglaterra, o carbón vexetal comezou a escasear e tornarse caro, iniciandose a utilización do coque, un combustíbel fósil, como alternativa. Foi utilizado pola primeira vez por Abraham Darby, no ínicio do século XVIII, construindo en Coalbrookdale un "alto forno". Mesmo así, o coque só foi empregado como fonte de enerxía na Revolución industrial. Neste período a demanda foi se tornando cada vez maior debido a súa utilización, como por exemplo, en estradas de ferro.

O alto forno foi evoluindo ao longo dos anos. Henry Cort, en 1784, aplicou novas técnicas que melloraron a produción. En 1826 o alemán Friedrich Harkot construiu un alto forno sen cachotería para humos.

A fins do século XVIII e inicio do século XIX comezouse a empregar amplamente o ferro como elemento estrutural en pontes, edificios e outros. Entre 1776 e 1779 se construiu a primeira ponte de ferro fundido por John Wilkinson e Abraham Darby. Na Inglaterra foi empregado pola primeira vez o ferro na construción de edificios por Mathew Boulton e James Watt, no principio do século XIX. Tamén son coñecidas outras obras deste século, como por exemplo, o "Palacio de Cristal" construído para a Exposición Universal de 1851 en Londres, do arquiteto Joseph Paxton, que ten unha armación de ferro, ou a Torre Eiffel, en París, construída en 1889 para a Exposición Universal, onde foron utilizadas millares de toneladas de ferro.

[editar] Abundancia e obtención

É o metal de transición máis abundante da crosta terrestre, e cuarto de todos os elementos. Tamén abunda no Universo, havendose atopados meteoritos que conteñen este elemento. O ferro é atopado en numerosos minerais, destacandose:

A hematita (Fe₂O₃), a magnetita (Fe₃O₄), a limonita (FeO(OH)), a siderita (FeCO₃), a pirita (FeS₂) e a ilmenita (FeTiO₃).

Podese obter o ferro a partir dos óxidos con maior ou menor teor de impurezas. Moitos dos minerais de ferro son óxidos.

A redución dos óxidos para a obtención do ferro é efetuada en fornos denominados alto forno ou forno alto. Nel son adicionados os minerais de ferro, en presenza de coque, e carbonato de cálcio, CaCO₃ , que atua como escorificante.

No alto forno ocorren as seguintes reacións:

• Formación de gases (óxidos de carbono):

O coque reaxe co oxixenio producindo gas carbonico (dióxido de carbono):

C + O₂ → CO₂

O dióxido de carbono reducese formando monóxido de carbono:

CO₂ + C → 2CO

Nun proceso contrario, o monóxido pode oxidarse con oxixenio reproducindo o gas carbonico:

2CO + O₂ → 2CO₂

O proceso de oxidación do coque con oxixenio libera enerxía. Na parte inferior do alto forno a temperatura pode alcanzar 1900 ºC .

• Redución dos minerais que son óxidos:

Inicialmente, os óxidos de ferro son reducidos na parte superior do alto forno, parcial ou totalmente, co monóxido de carbono, xa producindo ferro metálico. Exemplo: redución da magnetita:

Fe₃O₄ + 3CO → 3FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

Posteriormente, na parte inferior do alto forno, onde a temperatura é máis elevada, ocorre a maior parte da redución dos óxidos co coque (carbono):

Fe₃O₄ + C → 3FeO + CO

O carbonato de calcio se decompoen:

CaCO₃ → CaO + CO₂

e o dióxido de carbono é reducido co coque a monóxido de carbono, como visto acima.

Na parte máis inferior do alto forno ocorre a carburazón:

3Fe + 2CO → Fe₃C + CO₂

• Procesos de enriquecimento:

Finalmente ocorre a combustán e a desulfurazón (eliminación do xofre) debido á inxeción de ar no alto forno, e por último son separadas as fracións: a escoria do ferro fundido, que é a materia-prima empregada na industria.

O ferro obtido pode conter moitas impurezas non desexabeis, sendo necesario submetélo a un proceso de refinación que pode ser realizado en fornos chamados convertidores.

En 2000, os cinco maiores países produtores de ferro eran a China, o Brasil, a Australia, a Rúsia e a Índia, con 70% da produción mundial.

[editar] Compostos

• Os estados de oxidación máis comuns son +2 e +3. Os óxidos de ferro máis coñecidos son o óxido de ferro II, FeO, o óxido de ferro III, Fe₂O₃, e o óxido misto Fe₃O₄. Forma numerosos sais e complexos con estes mesmos estados de oxidación. O hexacianoferrato II de ferro III, usado en pinturas, é coñecido como azul da Prúsia ou azul de Turnbull.
• San coñecidos compostos de ferro con estados de oxidación +4, +5 e +6, porén son pouco comuns. No ferrato de potásio, K₂FeO₄, usado como oxidante , o ferro presenta estado de oxidación +6. O estado de oxidación +4 é atopados en poucos compostos e tamén en alguns procesos encimáticos.
• O Fe₃C é coñecido como cementita, contén 6,67 % en carbono. O ferro α é coñecido como ferrita, e a mistura de ferrita e cementita é denominada perlita ou ledeburita, dependendo do teor de carbono. A austenita é o ferro γ.

[editar] Papel biolóxico

O ferro é practicamente atopado en todos os seres vivos e cumpre numerosas e variadas funcións.

• Existen diferentes proteínas que conteñen o grupo hemo, que consiste na ligación da porfirina cun átomo de ferro. Alguns exemplos:
  • A hemoglobina e a mioglobina. A primeira transporta oxixenio, O₂, e a segunda o armacena.
  • Os citocromos reducen o oxixenio en auga. Os citocromos P450 catalisan a oxidación de compostos hidrofóbicos, como fármacos ou drogas, para que posan ser excretados, e participan na síntese de diversas moléculas.

• • As peroxidases e catalases catalisan a oxidación de peróxidos, H₂O₂, que son tóxicos.
• As proteínas de ferro/xofre (Fe/S) participan en procesos de transferencia de elétrons.
• Tamén é posíbel atopar proteínas onde os átomos de ferro se enlazan entre si a través de pontes de oxixenio. Son denominadas proteínas Fe-O-Fe. Alguns exemplos:
  • As bacterias metanotróficas, que usan o metano, CH₄, como fonte de enerxía e de carbono, usan proteínas deste tipo, chamadas monooxixenases, para catalisar a oxidación do metano.
  • A hemeritrina transporta oxixenio en alguns organismos mariños.
  • Algunhas ribonucleótideo redutases conteñen ferro. Catalizan a formación de desoxinucleótideos.

Os animais para transportar o ferro dentro do corpo empregan proteínas chamadas transferrinas. Para armacenálo empregan a ferritina e a hemosiderina. O ferro entra no organismo absorvido no intestino delgado e é transportado e armacenado por esas proteínas. A maior parte do ferro é reutilizada e un pouco é excretado.

Tanto o exceso como a deficiencia de ferro poden causar problemas no organismo. O envenenamento por ferro é chamado de hemocromatose. Nas transfusións de sangue son usados ligantes que forman co ferro complexos de alta estabilidade, evitando que ocorra unha queda demasiada de ferro libre. Estes ligantes son coñecidos como sideróforos. Moitos organismos empregan estes sideróforos para captar o ferro que necesitan. Tamén poden ser empregados como antibióticos, pois non permiten ferro libre disponíbel.

[editar] Isótopos

O ferro ten catro isótopos estabeis naturais: ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe e ⁵⁸Fe. As proporcións relativas destes isótopos na natureza son aproximadamente: ⁵⁴Fe ( 5,8% ), ⁵⁶Fe ( 91,7% ), ⁵⁷Fe (2,2%) e ⁵⁸Fe ( 0,3% ).

[editar] Precaucións

O ferro en exceso é tóxico. O ferro reacciona con peróxido producindo radicais libres. A reación máis importante é:

Fe (II) + O₂ → Fe (III) + OH^- + OH^·

Cando o ferro se atopa nos niveis normais, os mecanismos antioxidadantes do organismo poden controlar este proceso.

A dose letal de ferro en nenos de 2 anos é de 3 gramos. 1 gramo pode provocar un envenenamento importante.

O envenenamento por ferro é denominado hemocromatose. O ferro en exceso se acumula no fígado provocando danos neste órgao.

[editar] Véxase tamén

Corrosión Idade do Ferro

[editar] Ligazóns Externas

• Alto horno
• WebElements.com - Iron
• EnvironmentalChemistry.com - Iron
• It's Elemental - Iron
• Los Alamos National Laboratory - Iron