Saint Johns School

Depto. Química

Concepción

Curso: 2B

Introducción

Los metales son los elementos químicos de mayor utilización, con fines estructurales en edificios y medios de transporte, como conductores de calor y electricidad, etc. Los metales se caracterizan por tener un brillo especial, llamado metálico, por ser buenos conductores de la electricidad y del calor. Esta gran conductibilidad, comparada con la de los no metales, se debe probablemente a la existencia de electrones libres en su interior. Además los metales tienen una molécula monoatómica y originan los hidróxidos al disolverse los óxidos metálicos en agua.

El Hierro, debido a su abundancia y a sus propiedades químicas, de las cuales hablaremos más adelante, se ha convertido en uno de los metales más usados en la civilización actual. También, el hierro se puede combinar con otros metales para formar nuevos compuestos con diferentes propiedades, denominados “aleaciones”.

El Hierro

El Hierro, es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico.

También, es uno de los elementos metálicos más abundantes en el planeta. Constituye aproximadamente el 4.5% de la corteza terrestre. Generalmente es encontrado en forma de óxido de magnetita (Fe304), hermatita (Fe203), limonita, u óxidos hidratados (Fe203 + NH20) También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales, en las plantas, y además es un componente de la sangre.

El hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas. El objeto más antiguo existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.c. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo XIV.

Algunas características de este metal

El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria, y es difícil magnetizarlo en caliente. A unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. El punto de fusión del hierro, es de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C. La densidad relativa de este metal es de 7,86. Su masa atómica es 55,847.

Estructura

El hierro tiene una estructura centrada en el cuerpo, a temperaturas normales. A temperaturas más altas, tiene una estructura cúbica centrada en la cara. Este hecho es de gran importancia practica. En su forma de acero, el hierro siempre contiene una pequeña cantidad de carbono. Los átomos de carbono son menores que los átomos de hierro y, a temperaturas altas, se encajan en los espacios abiertos de la estructura centrada en la cara. Cuando el hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en el cuerpo. En esa forma, los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios más pequeños. Entonces, la red cristalina del hierro se distorsiona, debido al tamaño tan grande de los átomos de carbono, o el carbono se separa del hierro como carburo de hierro, Fe 3C.

Los cristales del hierro y del Fe3 existen en muchos tamaños y formas. La estructura final del cristal está determinada por el por ciento del hierro y la rapidez de enfriamiento. Estas diferencias en la estructura cristalina, le dan la gran versatilidad que tiene el acero como un material industrial. También explican el hecho de que las propiedades del acero se pueden cambiar gradualmente por el tratamiento del calor.

Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose, osea, se corroe.

Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo.

Aplicaciones y producción

El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro (II), tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de aleación.

La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre.

En 1994, la producción anual de hierro se aproximaba a los 975 millones de toneladas.

Compuestos

Los compuestos de hierro (II) se oxidan fácilmente a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), FeSO4, denominado caparrosa verde, que normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para obtener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos.

El óxido de hierro (III), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (III) con una base, y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (III), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro.

Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para formar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4[Fe(CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (II) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (II) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe(CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3[Fe(CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquímicas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero.

Diagrama de Fases del Sistema Fe-C

El hierro puro, al calentarlo, experimenta dos cambios de fase antes de fundir. La ferrita o hierro alpha es estable a temperatura ambiente (BCC). A 912deg.C se transforma en austenita, Fe-gamma, FCC. A 1394deg.C se convierte en ferrita-delta (BCC), que funde a 1538deg.C.
Cementita: Es la combinación Fe-C con 6.7% de C, Fe3C. Prácticamente, todos los aceros y fundiciones tienen contenidos en C inferiores al 6.7%.
En la ferrita Fe-alpha-BCC sólo son solubles concentraciones muy pequeñas de C, por debajo del 0.022% en peso.
La austenita (Fe-gamma) aleada con C no es estable por debajo de 727deg.C. La máxima solubilidad de C (2.11% en peso) se alcanza a 1148deg.C.
La ferrita-delta es como la ferrita-alpha, diferenciándose sólo en el intervalo de temperatura de estabilidad. No es técnicamente interesante.
La cementita es dura y frágil y su presencia aumenta la resistencia de algunos aceros.
Al enfriar lentamente desde 800deg.C un acero gamma (austenita) que contiene 0.77% de C, por debajo de 727deg.C la austenita "segrega" Fe-alpha (ferrita, con 0.022% C) y cementita Fe3C. La estructura obtenida se denomina perlita, pues al microscopio tiene el aspecto de la madreperla.
En la transformación por enfriamiento a velocidad moderada de la austenita, se forma otro constituyente denominado bainita. Su microestructura consta de ferrita y cementita; forma agujas o placas, dependiendo de la temperatura de transformación.
Cuando la perlita se calienta durante 18-24 h a 700deg.C se forma una nueva microestructura denominada esferoidita, cementita globular o esferoidal.
Si el enfriamiento de la austenita se hace rápidamente (temple) hasta temperatura próxima a la ambiente, se forma la martensita, con granos en forma de láminas o agujas.
La martensita obtenida por el temple es muy dura y frágil, debido a las tensiones internas producidas durante el temple. La ductilidad y tenacidad pueden aumentarse (reduciendo las tensiones internas) mediante el tratamiento térmico del revenido, calentando a 250-650deg.C durante un tiempo específico y formando así martensita revenida, casi tan dura como la martensita, pero más dúctil y tenaz.

La minería del fierro en Chile

La Compañía Minera del Pacífico es la principal empresa ferrominera de Chile. Explota varias minas, y algunas de las más importantes son:

* “El Romeral”, 25 kilómetros al noreste de La Serena, que durante 1985 produjo 2.199.256 toneladas de mineral de 62% de ley, y “El Algarrobo, 40 kilómetros al suroeste de la ciudad de Vallenar, que en 1985 produjo 4.214.7557 toneladas de mineral.

* El mineral de “El Algarrobo”, con una ley media de 51% de fierro se conecta aprovechando sus condiciones magnéticas y luego se lleva por ferrocarril a Huasco, donde en una gran fábrica se somete a molienda hasta transformarlo en polvo. Luego se eliminan impurezas y otros elementos, obteniendo un concentrado de 65% fierro. Para poder trabajar con este polvo, se transforma en bolitas de un centímetro de diámetro usando Cal como aglomerante, Este proceso se llama “pellet”. Luego se exporta a principalmente a Japón, o es llevado a la planta siderúrgica de Huachipato, para transformarlo en acero u otros aliados.

Aleaciones férreas

Las Aleaciones férreas son aquéllas en las que el principal componente es el hierro. Gran interés como material para la construcción de diversos equipos y su producción es muy elevada, debido a:

Abundancia de hierro en la corteza terrestre
Técnicas de fabricación de los aceros es económica.
Alta versatilidad.

Pero sin duda, uno de los inconvenientes de estas aleaciones férreas es que estas son de fácil corrosión.

Una Aleación, es una sustancia compuesta por dos o más metales. Las aleaciones, al igual que los metales puros, poseen brillo metálico y conducen bien el calor y la electricidad, aunque por lo general no tan bien como los metales por los que están formadas. Las sustancias que contienen un metal y ciertos no metales, particularmente las que contienen carbono, también se llaman aleaciones. La más importante entre estas últimas es el acero. El acero de carbono simple contiene aproximadamente un 0,5% de manganeso, hasta un 0,8% de carbono, y el resto de hierro.

Con frecuencia las propiedades de las aleaciones son muy distintas de las de sus elementos constituyentes, y algunas de ellas, como la fuerza y la resistencia a la corrosión, pueden ser considerablemente mayores en una aleación que en los metales por separado. Por esta razón, se suelen utilizar más las aleaciones que los metales puros.

El acero es más resistente y más duro que el hierro forjado, que es prácticamente hierro puro, y se usa en cantidades mucho mayores. Los aceros aleados, que son mezclas de acero con metales como cromo, manganeso, molibdeno, níquel, volframio y vanadio, son más resistentes y duros que el acero en sí, y muchos de ellos son también más resistentes a la corrosión que el hierro o el acero. Las aleaciones pueden fabricarse con el fin de que cumplan un grupo determinado de características. Un caso importante en el que son necesarias unas características particulares es el diseño de cohetes y naves espaciales y supersónicas. Los materiales usados en estos vehículos y en sus motores deben pesar poco y ser muy resistentes y capaces de soportar temperaturas muy elevadas. Para soportar esas temperaturas y reducir el peso total, se han desarrollado aleaciones ligeras y de gran resistencia hechas de aluminio, berilio y titanio. Para resistir el calor generado al entrar en la atmósfera de la Tierra, en los vehículos espaciales se están utilizando aleaciones que contienen metales como el tántalo, niobio, volframio, cobalto y níquel.

Aceros

Los aceros son aleaciones Fe-C con concentraciones apreciables de otros elementos. Las propiedades mecánicas dependen del contenido en C (<1%).

Pueden ser:

*Aceros bajos en carbono
(<0.25% C). La microestructura consiste en ferrita y perlita, son blandos y poco resistentes, dúctiles y tenaces y de fácil mecanizado. Se utilizan en carrocerías de automóviles, vigas, etc.
Los aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA) contienen elementos como Cu, V, Ni, Mo en un total inferior al 10%; son mucho más resistentes mecánicamente que los aceros bajos al carbono y más resistentes a la corrosión.

*Aceros medios en carbono
(0.25-0.6% C). Pueden tratarse térmicamente mediante austenización, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas y suelen emplearse con microestructura de martensita revenida. La adición de Cr, Ni, Mo mejora su capacidad para ser tratados térmicamente. Se utilizan para ruedas y raíles de trenes, engranajes, cigüeñales, etc.

*Aceros altos en carbono
(0.6-1.4% C). Son más duros, resistentes y menos dúctiles que los otros aceros al carbono. Se utilizan templados y revenidos, son muy resistentes al desgaste y capaces de adquirir forma de herramientas de corte. Se utilizan para fabricar herramientas y matrices, tras añadirles, además, Cr, V, W, Mo.

*Aceros inoxidables
Resisten la corrosión (herrumbre) en muchos ambientes, especialmente en la atmósfera. El principal elemento componente es el cromo (>11%).

La Siderurgia

La Siderurgia, es la tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas `hierros' contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo.

No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.

Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico.

Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero.

La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.

Conclusión

Tras la investigación realizada respecto al hierro, descubrimos interesantes rasgos, características y utilidades de este metal, como por ejemplo, que de él se obtiene el acero, del cual fue necesario hablar debido a su importancia, ya que al igual que el fierro, es muy usado debido a su bajo costo y propiedades. Sin embargo, considero que las aleaciones del fierro son más usadas en la actualidad, ya sea por sus especiales características o por determinadas especificaciones o exigencias determinadas por el uso que se le va a dar, que el fierro por sí solo no satisface. Esto no le resta importancia a este metal, ya que es la base de varios metales como el acero, que provienen del fierro, pero tienen otras cualidades.

Bibliografía

• Internet (varias páginas de información)

• Poster de información acerca del Hierro y el Acero

• Microsoft Encarta 99 en inglés

• Merril QUIMICA, de los autores: Smoot/Prince/Smith/Arce/Arce de Sanabia/Olano