El hierro es un elemento químico; su símbolo es Fe (del latín ferrum, «hierro») y su número atómico es 26. Es un metal que pertenece a la primera serie de transición y al grupo 8 de la tabla periódica. Por masa, es el elemento más común de la Tierra y constituye gran parte de su núcleo externo e interno. Es el cuarto elemento más abundante de la corteza terrestre, donde se deposita principalmente en estado metálico a través de meteoritos.

Para extraer metal aprovechable de los minerales de hierro se necesitan hornos capaces de alcanzar los 1.500 °C (2.730 °F), unos 500 °C (932 °F) más que los necesarios para fundir cobre. Los seres humanos empezaron a dominar este proceso en Eurasia durante el segundo milenio a. C., y el uso de herramientas y armas de hierro comenzó a desplazar a las aleaciones de cobre; en algunas regiones, esto ocurrió hacia el 1200 a. C. Ese acontecimiento se considera la transición de la Edad del Bronce a la Edad del Hierro. En el mundo moderno, las aleaciones de hierro, como el acero, el acero inoxidable, la fundición y los aceros especiales, son, con diferencia, los metales industriales más comunes, debido a sus propiedades mecánicas y su bajo coste. Por ello, la industria del hierro y el acero tiene una gran importancia económica, y el hierro es el metal más barato, con un precio de unos pocos dólares por kilogramo o libra.

Las superficies de hierro puro, prístinas y lisas, presentan un brillo plateado grisáceo similar al de un espejo. El hierro reacciona fácilmente con el oxígeno y el agua para producir óxidos de hierro hidratados de color marrón a negro, comúnmente conocidos como herrumbre. A diferencia de los óxidos de otros metales que forman capas pasivantes, la herrumbre ocupa un mayor volumen que el metal y, por lo tanto, se desprende en escamas, exponiendo así más superficies nuevas a la corrosión. Químicamente, los estados de oxidación más comunes del hierro son hierro(II) y hierro(III). El hierro comparte muchas propiedades con otros metales de transición, incluidos los otros elementos del grupo 8, el rutenio y el osmio. El hierro forma compuestos en un amplio rango de estados de oxidación, desde -4 hasta 7. También forma numerosos complejos de coordinación; algunos de ellos, como el ferroceno, el ferrioxalato y el azul de Prusia, tienen importantes aplicaciones industriales, médicas y de investigación.

El cuerpo de un ser humano adulto contiene unos 4 gramos (el 0,005 % del peso corporal) de hierro, principalmente en la hemoglobina y la mioglobina. Estas dos proteínas desempeñan funciones esenciales en el transporte de oxígeno por la sangre y su almacenamiento en los músculos. Para mantener los niveles necesarios, el metabolismo del hierro humano requiere un aporte mínimo de hierro en la dieta. El hierro también es el metal presente en el sitio activo de muchas enzimas redox importantes que intervienen en la respiración celular y en la oxidación y reducción de plantas y animales.[10]

Alótropos

Se conocen al menos cuatro alótropos del hierro (con distintas disposiciones de los átomos en estado sólido), que se designan convencionalmente con las letras α, γ, δ y ε.

Las tres primeras formas se observan a presiones normales. Cuando el hierro fundido se enfría por debajo de su punto de congelación, 1538 °C, cristaliza en su forma alotrópica δ, que tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc). Al enfriarse más, hasta los 1394 °C, se transforma en su forma alotrópica γ, con una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc), o austenita. A 912 °C y por debajo de esa temperatura, la estructura cristalina vuelve a ser la forma alotrópica α del hierro, de tipo bcc.[11]

Las propiedades físicas del hierro a presiones y temperaturas muy elevadas también se han estudiado ampliamente,[12][13] debido a su relevancia para las teorías sobre los núcleos de la Tierra y otros planetas. Por encima de aproximadamente 10 GPa y a temperaturas de unos cientos de kelvin o inferiores, el α-hierro se transforma en otra estructura hexagonal compacta (hcp), también conocida como ε-hierro. La fase γ, que se da a temperaturas más altas, también se transforma en ε-hierro,[13] pero lo hace a una presión mayor.

Existe cierta evidencia experimental controvertida sobre una fase β estable a presiones superiores a 50 GPa y temperaturas de al menos 1500 K. Se supone que tiene una estructura ortorrómbica o de doble hélice hexagonal compacta (hcp).[14] (Curiosamente, el término "hierro β" a veces también se usa para referirse al hierro α por encima de su punto de Curie, cuando pasa de ser ferromagnético a paramagnético, aunque su estructura cristalina no haya cambiado.[11])

Se suele considerar que el núcleo interno de la Tierra está compuesto por una aleación de hierro y níquel con estructura ε (o β).[15]

Puntos de fusión y ebullición

Los puntos de fusión y ebullición del hierro, junto con su entalpía de atomización, son más bajos que los de los elementos 3d anteriores, del escandio al cromo. Esto muestra la menor contribución de los electrones 3d al enlace metálico, pues el núcleo los atrae cada vez más hacia el núcleo inerte;[16] sin embargo, son más altos que los valores del elemento anterior, el manganeso, ya que este tiene una subcapa 3d semillena y, por consiguiente, sus electrones d no se deslocalizan con facilidad. Esta misma tendencia se observa en el rutenio, pero no en el osmio.[17]

El punto de fusión del hierro está bien definido experimentalmente para presiones inferiores a 50 GPa. Para presiones mayores, los datos publicados (a fecha de 2007) aún varían en decenas de gigapascales y más de mil kelvin.[18]

Propiedades magnéticas

Por debajo de su punto de Curie, de 770 °C (1,420 °F; 1,040 K), el α-hierro pasa de ser paramagnético a ferromagnético: los espines de los dos electrones desapareados de cada átomo suelen alinearse con los espines de sus vecinos, lo que crea un campo magnético global.[20] Esto sucede porque los orbitales de esos dos electrones (dz2 y dx2 − y2) no apuntan hacia los átomos vecinos de la red cristalina y, por tanto, no participan en el enlace metálico.[11]

En ausencia de una fuente externa de campo magnético, los átomos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos de aproximadamente 10 micrómetros de diámetro,[21] de manera que los átomos en cada dominio tienen espines paralelos, pero algunos dominios tienen otras orientaciones. Por lo tanto, un trozo macroscópico de hierro tendrá un campo magnético global prácticamente nulo.

La aplicación de un campo magnético externo provoca que los dominios magnetizados en la misma dirección crezcan a expensas de los adyacentes que apuntan en direcciones opuestas, reforzando así el campo externo. Este efecto se aprovecha en dispositivos que necesitan canalizar campos magnéticos para cumplir su función de diseño, como transformadores eléctricos, cabezales de grabación magnética y motores eléctricos. Las impurezas, los defectos de la red cristalina o los límites de grano y partícula pueden fijar los dominios en las nuevas posiciones, de modo que el efecto persiste incluso después de eliminar el campo externo, convirtiendo así el objeto de hierro en un imán (permanente).[20]

Algunos compuestos de hierro presentan un comportamiento similar, como las ferritas, entre ellas el mineral magnetita, una forma cristalina del óxido mixto de hierro(II,III) Fe3O4 (aunque el mecanismo a escala atómica, el ferrimagnetismo, es algo distinto). Los fragmentos de magnetita con magnetización permanente natural (piedras imán) proporcionaron las primeras brújulas para la navegación. Las partículas de magnetita se utilizaron ampliamente en soportes de grabación magnética, como memorias de núcleos, cintas magnéticas, disquetes y discos, hasta que fueron sustituidas por materiales a base de cobalto.

Isótopos

El hierro tiene cuatro isótopos estables: 54Fe (5,845 % del hierro natural), 56Fe (91,754 %), 57Fe (2,119 %) y 58Fe (0,282 %). También se han creado veinticuatro isótopos artificiales. De estos isótopos estables, solo el 57Fe tiene un espín nuclear de -1/2. Teóricamente, el nucleido 54Fe puede experimentar una doble captura electrónica para formar 54Cr, pero este proceso nunca se ha observado y solo se ha establecido un límite inferior para su vida media de 4,4 × 10²⁰ años.[22]

El 60Fe es un radionúclido extinto de larga vida media (2,6 millones de años).[23] No se encuentra en la Tierra, pero su producto de desintegración final es su descendiente, el nucleido estable 60Ni.[9] Gran parte del trabajo previo sobre la composición isotópica del hierro se ha centrado en la nucleosíntesis del 60Fe mediante estudios de meteoritos y formación de menas. En la última década, los avances en espectrometría de masas han permitido la detección y cuantificación de variaciones mínimas y naturales en las proporciones de los isótopos estables del hierro. Gran parte de este trabajo está impulsado por las comunidades de ciencias de la Tierra y planetarias, aunque están surgiendo aplicaciones a sistemas biológicos e industriales.[24]

En las fases de los meteoritos Semarkona y Chervony Kut, una correlación entre la concentración de 60Ni, descendiente del 60Fe, y la abundancia de los isótopos estables de hierro proporcionó evidencia de la existencia de 60Fe en el momento de la formación del Sistema Solar. Posiblemente, la energía liberada por la desintegración del 60Fe, junto con la liberada por el 26Al, contribuyó a la refundición y diferenciación de los asteroides después de su formación hace 4600 millones de años. La abundancia de 60Ni presente en material extraterrestre podría aportar más información sobre el origen y la historia temprana del Sistema Solar.[25]

El isótopo de hierro más abundante, 56Fe, es de particular interés para los científicos nucleares porque representa el punto final más común de la nucleosíntesis.[26] Como el 56Ni (14 partículas alfa) se produce fácilmente a partir de núcleos más ligeros mediante el proceso alfa en las reacciones nucleares de las supernovas (véase el proceso de combustión del silicio), constituye el punto final de las cadenas de fusión en el interior de las estrellas extremadamente masivas.

Aunque es posible añadir más partículas alfa, la secuencia termina efectivamente en 56Ni, porque las condiciones del interior de las estrellas hacen que, alrededor de 56Ni, la competencia entre la fotodesintegración y el proceso alfa favorezca la fotodesintegración.[27][28] Este 56Ni, que tiene una vida media de unos 6 días, se produce en grandes cantidades en estas estrellas, pero pronto se desintegra mediante dos emisiones sucesivas de positrones en los productos de desintegración de la supernova dentro de la nube de gas del remanente de supernova: primero se convierte en 56Co radiactivo y luego en 56Fe estable. Por ello, el hierro es el elemento más abundante en el núcleo de las gigantes rojas y el metal más abundante en los meteoritos de hierro y en los densos núcleos metálicos de planetas como la Tierra.[29] También es muy común en el universo en comparación con otros metales estables de masa atómica aproximadamente similar.[29][30] El hierro es el sexto elemento más abundante del universo y el elemento refractario más común.[31]

Aunque se podría obtener una pequeña ganancia de energía adicional mediante la síntesis de 62Ni, que tiene una energía de enlace ligeramente superior a la de 56Fe, las condiciones en las estrellas no son adecuadas para este proceso. La producción de elementos en las supernovas favorece enormemente al hierro sobre el níquel, y en cualquier caso, 56Fe sigue teniendo una masa por nucleón menor que 62Ni debido a su mayor fracción de protones más ligeros.[32] Por lo tanto, los elementos más pesados que el hierro requieren una supernova para su formación, lo que implica la captura rápida de neutrones por los núcleos iniciales de 56Fe.[29]

En un futuro lejano del universo, suponiendo que no se produzca la desintegración de protones, la fusión fría mediante efecto túnel cuántico provocaría la fusión de los núcleos ligeros de la materia ordinaria en núcleos de 56Fe. La fisión y la emisión de partículas alfa harían entonces que los núcleos pesados se desintegraran en hierro, convirtiendo todos los objetos de masa estelar en esferas frías de hierro puro.[33]

Más información sobre el hierro /
https://en.wikipedia.org/wiki/Iron

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Referencias

1. "Pesos atómicos estándar: Hierro". CIAAW. 1993.
2. ^ Prohaska, Thomas; Irrgeher, Johanna; Benefield, Jacqueline; Böhlke, John K.; Chesson, Lesley A.; Coplen, Tyler B.; Ding, Tiping; Dunn, Philip J. H.; Gröning, Manfred; Holden, Norman E.; Meijer, Harro A. J. (4 de mayo de 2022). «Pesos atómicos estándar de los elementos 2021 (Informe técnico de la IUPAC)». Pure and Applied Chemistry. doi:10.1515/pac-2019-0603. ISSN 1365-3075.
3. ^ Ir arriba a:
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