Ferro

Na Galipedia, a Wikipedia en galego.
Este é un dos 1000 artigos que toda Wikipedia debería ter.
Ferro
ManganesoFerroCobalto
-
  Lattice body centered cubic.svg
 
26
Fe
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Fe
Ru
Táboa periódica dos elementos
Información xeral
Nome, símbolo, número Ferro, Fe, 26
Serie química metal de transición
Grupo, período, bloque 8, 4, d
Densidade 7874 kg/m3
Aparencia metálico brillante
N° CAS
N° EINECS
Propiedades atómicas
Masa atómica 55,845 u
Radio medio pm
Radio atómico (calc) 140 pm
Radio covalente 125 pm
Radio de van der Waals pm
Configuración electrónica [Ar]3d64s2
Electróns por nivel de enerxía 2, 8, 14, 2
Estado(s) de oxidación 2,3,4,6
Óxido anfótero
Estrutura cristalina cúbica centrada no corpo
Propiedades físicas
Estado ordinario sólido
Punto de fusión 1808 K
Punto de ebulición 3023 K
Punto de inflamabilidade {{{P_inflamabilidade}}} K
Entalpía de vaporización 349,6 kJ/mol
Entalpía de fusión 13,8 kJ/mol
Presión de vapor 7,05
Temperatura crítica  K
Presión crítica  Pa
Volume molar 7.09 ×10-6 m3/mol
Velocidade do son 4910 m/s a 293.15 K (20 °C)
Varios
Electronegatividade (Pauling) 1,83
Calor específica 440 J/(K·kg)
Condutividade eléctrica 9,93 S/m
Condutividade térmica 80,2 W/(K·m)
1.ª Enerxía de ionización 762,5 kJ/mol
2.ª Enerxía de ionización 1561,9 kJ/mol
3.ª Enerxía de ionización 2957 kJ/mol
4.ª Enerxía de ionización 5290 kJ/mol
5.ª Enerxía de ionización {{{E_ionización5}}} kJ/mol
6.ª Enerxía de ionización {{{E_ionización6}}} kJ/mol
7.ª Enerxía de ionización {{{E_ionización7}}} kJ/mol
8.ª enerxía de ionización {{{E_ionización8}}} kJ/mol
9.ª Enerxía de ionización {{{E_ionización9}}} kJ/mol
10.ª Enerxía de ionización {{{E_ionización10}}} kJ/mol
Isótopos máis estables
iso AN Período MD Ed PD
MeV
54Fe 5,8% estable con 28 Neutróns
55Fe sint. 2.73 a ε 0,231 55Mn
56Fe 91,72% estable con 30 Neutróns
57Fe 2,119% estable con 31 Neutróns
58Fe 0,282% estable con 32 Neutróns
59Fe sint. 44,503 d β 1,565 59Co
60Fe sint. 1,5 × 106 a β- 3,978 60Co
Nota: unidades segundo o SI e en CNPT, salvo indicación contraria.

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. A temperatura ambiente, o ferro atópase en estado sólido.

É extraído da natureza baixo a forma de mineral de ferro que, despois de distintos procesos de transformación, é usado na forma de lingotes. Se se engade carbono dáse orixe a varias formas de aceiro.

Este metal de transición atópase no grupo 8B da Clasificación Periódica dos Elementos. É o cuarto elemento máis abundante da codia terrestre (aproximadamente 5%) e, entre os metais, soamente o aluminio é máis abundante. Tamén é un dos elementos máis abundantes do Universo. O núcleo da Terra está formado principalmente por ferro e níquel (NiFe), xerando un campo magnético.[1]

O ferro foi historicamente importante, e un período da historia recibiu o nome de Idade do Ferro.

Actualmente é utilizado para a fabricación de ferramentas, máquinas, vehículos de transporte (automóbeis, navios, etc.), como elemento estrutural de pontes, edificios, e infinidade doutras aplicacións.

Características principais[editar | editar a fonte]

É un metal maleábel, tenaz, de coloración cinza prateada presentando propiedades magnéticas: é ferromagnético a temperatura ambiente.

Atópase na natureza formando parte de diversos minerais, entre eles moitos óxidos e raramente atópase en estado libre. Para obter ferro en estado elemento, 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 aliaxes metálicas de ferro con outros elementos, tanto metálicos como non metálicos, que confiren propiedades distintas ao material. Denomínase aceiro cando contén menos de 2% de carbono; se a percentaxe é maior recibe a denominación de fundición.[2]

É o elemento máis pesado que se produce exotermicamente por fusión, e o máis leve producido por fisión, debido ao feito ter o seu núcleo a máis alta enerxía de ligación por nucleón, que é a enerxía necesaria para separar do núcleo un neutrón ou un protón. Polo tanto, o núcleo máis estábel é o do ferro-56.[3]

Presenta diferentes formas estruturais dependendo da temperatura:[4]

Aplicacións[editar | editar a fonte]

O ferro é o metal máis usado, cun 95% en peso da produción mundial de metal. É indispensábel debido ao seu baixo prezo e dureza, especialmente empregado en automóbiles, barcos e compoñentes estruturais de edificios.

O aceiro é a forma máis coñecida, e o seu uso máis frecuente. As aliaxes férreas presentan unha gran variedade de propiedades mecánicas dependendo da súa composición e do tratamento que se aplique.

  • 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 ligazón 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. Utilízase en vehículos, tubulacións, elementos estruturais e outros. Tamén existen os aceiros de alta resistencia con baixa liga de carbono, mentres tanto, conteñen outros elementos, 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 propiedades son tratados termicamente. Son máis resistentes que os aceiros baixos en carbono, pero menos dúctiles, 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 pero os menos dúctiles. Adiciónanse outros elementos para que formen carbonatos, por exemplo, formando o carbonato de volframio, WC, cando é adicionado á liga o volframio. Estes carbonatos son máis duros e dan 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 cales se adicionan outros elementos ligantes, principalmente o cromo, para que se tornen máis resistentes á corrosión. Son os chamados aceiros inoxidábeis.
  • Cando o contido de carbono é superior a 2,1% en peso, a aliaxe metálica é denominada fundición. Estas presentan, en xeral, entre o 3% e o 4,5% de carbono en peso. Existen diversos tipos de fundicións: cinza, esferoidal, branca e maleábel. Dependendo do tipo posúe diferentes aplicacións: 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.

Historia[editar | editar a fonte]

Peza de ferro da Idade do Ferro

Hai 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 ser un metal moi caro, máis que o ouro. Algunhas fontes suxiren que talvez era obtido como subproduto da obtención do cobre. Entre 1600 e 1200 a.C., obsérvase un aumento do seu uso no Oriente Medio, porén non foi usado para substituír o bronce.[5]

Entre os séculos XII e X antes de Cristo, ocorreu unha rápida transición no Oriente Medio na substitución das armas de bronce polas de ferro. Esta rápida transición talvez teña ocorrido debido a unha escaseza de estaño ou a unha melloría na tecnoloxía do traballo co ferro. Este período, que ocorreu en diferentes ocasións segundo o lugar, denominouse Idade do Ferro, substituíndo a Idade do bronce. En 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, extraelo, proceder a súa fundición a temperaturas altas e despois forxalo.

Na Europa central, xurdiu no século IX a. C. a cultura de Hallstatt substituíndo á "cultura dos campos de urnas", que se denominou "Primeira Idade do Ferro", pois coincide coa introdución do uso deste metal. Cara o ano 450 a.C., tivo lugar o desenvolvemento da "cultura da Tène", tamén denominada "Segunda Idade do Ferro". O ferro era usado en ferramentas, armas e xoias, aínda que seguen atopándose obxectos de bronce.

Xunto con esta transición de bronce ao ferro descubriuse o proceso de "carburazción", que consiste en adicionar carbono ao ferro. O ferro era obtido mesturado coa escoira contendo carbono ou carbonatos, e era forxado retirándose a escoira e oxidando o carbono, creándose así o produto xa cunha forma. Este ferro contiña unha cantidade de carbono moi baixa, non sendo posíbel endurecelo con facilidade ao arrefrialo en auga. Observouse que se podía obter un produto moito máis resistente aquecendo a peza de ferro forxado nun leito de carbón vexetal, para entón mergullalo en auga ou aceite. O produto resultante presenta unha capa superficial de aceiro, e era máis duro e menos fráxil que o bronce.

En China, o primeiro ferro utilizado tamén era proveniente dos meteoritos. Foron atopados obxectos de ferro forxado no noroeste, preto de Xinxiang, do século VIII a. C. O procedemento utilizado era o mesmo que o usado no Oriente Medio e en Europa.[6]

Nos últimos anos da Dinastía Zhou (550 a. C.), en China, conseguiuse 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 en Europa e outros lugares. Aínda, durante moito tempo, ata a Dinastía Qing (221 a. C.), o proceso non tivo unha gran repercusión.[7]

O ferro fundido levou máis tempo para ser obtido en Europa, pois non se conseguía a temperatura necesaria. Algunhas das primeiras mostras foron atopadas en 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". Obtíñase ferro e aceiro de baixo contido en carbono empregando carbón vexetal e mineral de ferro. Este sistema xa estaba implantado no século XV, conseguíndose obter temperaturas de ata 1.200 °C. Este procedemento foi substituído polo emprego de altos fornos.

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

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

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 construíuse a primeira ponte de ferro fundido por John Wilkinson e Abraham Darby.[8]

En 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 arquitecto 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.[9]

Abundancia e obtención[editar | editar a fonte]

É o metal de transición máis abundante da codia terrestre, e cuarto de todos os elementos. Tamén abunda no Universo, habéndose atopado meteoritos que conteñen este elemento. O ferro é atopado en numerosos minerais, destacando a hematita (Fe2O3), a magnetita (Fe3O4), a limonita (FeO(OH)), a siderita (FeCO3), a pirita (FeS2) e a ilmenita (FeTiO3).

Pódese 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 efectuada en fornos denominados alto forno. Nel son adicionados os minerais de ferro, en presenza de coque, e carbonato de calcio, CaCO3 , que actúa como escorificante.

No alto forno ocorren as seguintes reaccións:

  • Formación de gases (óxidos de carbono): o coque reacciona co osíxeno producindo gas carbónico (dióxido de carbono):
C + O2 → CO2

O dióxido de carbono redúcese formando monóxido de carbono:

CO2 + C → 2CO

Nun proceso contrario, o monóxido pode oxidarse con osíxeno reproducindo o gas carbónico:

2CO + O2 → 2CO2

O proceso de oxidación do coque con osíxeno libera enerxía. Na parte inferior do alto forno a temperatura pode alcanzar 1.900 °C .

  • 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 descomponse:

CaCO3 → CaO + CO2

e o dióxido de carbono é reducido co coque a monóxido de carbono, como xa se veu. Na parte inferior do alto forno ocorre a carburación:

3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
  • Procesos de enriquecemento: finalmente ocorre a combustión e a desulfuración (eliminación do xofre) debido á inxeccións de ar no alto forno, e por último son separadas as fraccións: a escoria do ferro fundido, que é a materia prima empregada na industria.

O ferro obtido pode conter moitas impurezas non desexábeis, sendo necesario sometelo a un proceso de refinación que pode ser realizado en fornos chamados convertedores.

En 2000, os cinco maiores países produtores de ferro eran China, Brasil, Australia, Rusia e India, con 70% da produción mundial.

Compostos[editar | editar a fonte]

  • 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 sales 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 algúns 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.

Papel biolóxico[editar | editar a fonte]

O ferro atópase en todos os seres vivos e cumpre numerosas e variadas funcións.

Fe4S4.png
Exemplo de centro dunha proteína de Fe/S (ferredoxina)
  • As proteínas de ferro/xofre (Fe/S) participan en procesos de transferencia de electróns.
  • Tamén é posíbel atopar proteínas onde os átomos de ferro se enlazan entre si a través de pontes de osíxeno. Son denominadas proteínas Fe-O-Fe. Algúns exemplos:

Os animais, para transportar o ferro dentro do corpo, empregan proteínas chamadas transferrinas. Para armacenalo empregan a ferritina e a hemosiderina. O ferro entra no organismo absorbido no intestino delgado e é transportado e almacenado 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 ferro en exceso é tóxico. Reacciona co peróxido producindo radicais libres. A reacción 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.[11]

O envelenamento por ferro chámase hemocromatose. O ferro en exceso acumúlase no fígado provocando danos neste órgano. Nas transfusións de sangue úsanse ligantes que forman co ferro complexos de alta estabilidade, evitando que ocorra un depósito elevado de ferro libre. Estes ligantes son coñecidos como sideróforos. Moitos organismos empregan estes sideróforos para captar o ferro que necesitan. [12][13]

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

Isótopos[editar | editar a fonte]

O ferro ten catro isótopos estábeis 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% ).

Notas[editar | editar a fonte]

  1. "Iron: geological information". http://www.webelements.com/iron/geology.html. Consultado o 21 de maio de 2008. 
  2. "Hardness Conversion Chart". Maryland Metrics. http://mdmetric.com/tech/hardnessconversion.html. Consultado o 23 de maio de 2013. 
  3. Dauphas, N.; Rouxel, O. (2006). "Mass spectrometry and natural variations of iron isotopes". Mass Spectrometry Reviews 25 (4): 515–550. DOI:10.1002/mas.20078. PMID 16463281. http://geosci.uchicago.edu/~dauphas/OLwebsite/PDFfiles/Dauphas_Rouxel_MSR06.pdf. 
  4. Boehler, Reinhard; Ross, M. (2007). "Properties of Rocks and Minerals_High-Pressure Melting". Mineral Physics. Treatise on Geophysics. 2. Elsevier. pp. 527–541. DOI:10.1016/B978-044452748-6.00047-X. 
  5. Bryce, Trevor (2007). Hittite Warrior. Osprey Publishing. pp. 22–23. ISBN 978-1-84603-081-9. http://books.google.com/books?id=0_oi1CLayh8C&pg=PA22. 
  6. Wagner, Donald B. (2003). "Chinese blast furnaces from the 10th to the 14th century". Historical Metallurgy 37 (1): 25–37. 
  7. Donald B. Wagner (1993). Iron and Steel in Ancient China. BRILL. pp. 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5. 
  8. Spoerl, Joseph S. A Brief History of Iron and Steel Production. Saint Anselm College
  9. Enghag, Per (8 de xaneiro de 2008). Encyclopedia of the Elements: Technical Data - History - Processing - Applications. pp. 190–191. ISBN 9783527612345. http://books.google.de/books?id=fUmTX8yKU4gC&pg=PA190. 
  10. Lippard, S. J.; Berg, J. M. (1994). Principles of Bioinorganic Chemistry. Mill Valley: University Science Books. ISBN 0-935702-73-3. 
  11. "Eating Red Meat Will Not Increase Colorectal Cancer Risk, Study Suggests". ScienceDaily. 13 de xuño de 2007. http://www.sciencedaily.com/releases/2007/06/070611113729.htm. Consultado o 23 de maio de 2010. 
  12. Sesink, Aloys L. A.; T; K; V (1999). "Red meat and colon cancer: the cytotoxic and hyperproliferative effects of dietary heme". Cancer Research 59 (22): 5704–9. PMID 10582688. 
  13. Glei, M.; Klenow, S.; Sauer, J.; Wegewitz, U.; Richter, K.; Pool-Zobel, B. L. (2006). "Hemoglobin and hemin induce DNA damage in human colon tumor cells HT29 clone 19A and in primary human colonocytes". Mutat. Res. 594 (1–2): 162–171. DOI:10.1016/j.mrfmmm.2005.08.006. PMID 16226281. 

Véxase tamén[editar | editar a fonte]

Commons
Commons ten máis contidos multimedia sobre: Ferro

Bibliografía[editar | editar a fonte]

  • Weeks, Mary Elvira; Leichester, Henry M. (1968). "Elements Known to the Ancients". Discovery of the Elements. Easton, PA: Journal of Chemical Education. pp. 29–40. ISBN 0-7661-3872-0. LCCN 68-15217. 
  • H. R. Schubert, History of the British Iron and Steel Industry… to 1775 AD (Routledge, London, 1957)
  • R. F. Tylecote, History of Metallurgy (Institute of Materials, London 1992).
  • R. F. Tylecote, "Iron in the Industrial Revolution" in J. Day and R. F. Tylecote, The Industrial Revolution in Metals (Institute of Materials 1991), 200–60.

Outros artigos[editar | editar a fonte]

Ligazóns externas[editar | editar a fonte]