Cuando reflexiona sobre el origen del hierro, es probable que su mente divague en visiones de acerías, de la época medieval. forjas o algún otro proceso de fabricación caracterizado por un trabajo duro, práctico y muy alto temperaturas. Pero además de ser un tipo de metal utilizado de diversas formas en la industria humana, el hierro también es un elemento, no un compuesto o aleación, lo que significa que es posible aislar un solo átomo de hierro. Esto no es cierto para la mayoría de los materiales familiares; por ejemplo, la cantidad más pequeña de agua que todavía se puede llamar agua incluye tres átomos, uno de ellos de oxígeno y los otros dos de hidrógeno.
Curiosamente, aunque la gente asocia el hierro con temperaturas inusualmente altas en los entornos de fabricación aquí en adelante Tierra, el hierro como elemento debe su existencia a eventos tan calientes y tan lejanos que los números involucrados apenas hacen sentido. Por lo tanto, emprender un estudio de cómo se fabrica el hierro requiere dos procesos paralelos: Explorar cómo surgió el hierro y cómo llegó a la Tierra, y cómo la gente en la Tierra fabrica y usa el hierro para uso diario y especializado. ocupaciones. Estos temas, a su vez, invitan a la discusión sobre el uso del hierro en y por los sistemas vivos y una mirada general a cómo los diversos elementos se originan y se extienden por todo el cosmos.
Una breve historia del hierro
El hierro es conocido por la humanidad desde aproximadamente el 3500 a.C., o hace más de 5.500 años. Su nombre se deriva de la versión anglosajona, que era "iren". El símbolo de hierro de la tabla periódica Fe proviene de la palabra latina para hierro, que es ferrum. Si está examinando una farmacia y ve suplementos de hierro, notará que la mayoría de sus nombres son "ferrosos" algo u otro (como sulfato o gluconato). Siempre que vea la palabra "ferroso" o "férrico" en un contexto de química, debe reconocer inmediatamente que se habla del hierro; "Irónico", aunque es una palabra espléndida y útil, no tiene ningún papel en el mundo de la ciencia física.
Hechos de la química sobre el hierro
El hierro (abreviado Fe) se clasifica como un metal no solo para fines cotidianos sino también en la tabla periódica de los elementos (consulte Recursos para ver un ejemplo interactivo). Esto probablemente sea una pequeña sorpresa, pero de hecho, los metales superan en número a los no metales en la naturaleza por un amplio margen; de los 113 elementos que los humanos han descubierto o creado en entornos de laboratorio, 88 se clasifican como metales.
Los átomos, como ya sabrá, consisten en un núcleo que contiene una mezcla de protones y neutrones de masa aproximadamente igual rodeado por una "nube" de electrones casi sin masa. Los protones y los electrones tienen una carga de igual magnitud, pero la carga de los protones es positiva mientras que la de los electrones es negativa. El número atómico del hierro es 26, lo que significa que el hierro tiene 26 protones y 26 electrones en su estado eléctricamente neutro. Su masa atómica, que cuando se redondea es simplemente la suma de protones y neutrones, es apenas de 56 gramos por mol, lo que significa que su forma más estable químicamente contiene (56 - 26) = 30 neutrones.
El hierro posee unas formidables propiedades físicas. Tiene una densidad de 7,87 g / cm3, por lo que es casi ocho veces más denso que el agua. (La densidad es masa por unidad de volumen; el agua se define como 1.0 g / cm3 por convención.) El hierro es un sólido a 20 grados Celsius (68 F), generalmente considerado "temperatura ambiente" para fines químicos. Su punto de fusión es extremadamente alto de 1538 C (2800 F), mientras que su punto de ebullición, es decir, la temperatura a la que el hierro líquido comienza a evaporarse y convertirse en gas, es de 2861 C (5182 F) abrasador. No es de extrañar, entonces, que en el trabajo de los metales, los tipos de hornos utilizados deban ser extraordinariamente poderosos.
El hierro, en masa, es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre. Sin embargo, la participación total del hierro en la Tierra puede ser considerablemente mayor, dado que se cree que el núcleo fundido del planeta está formado principalmente por hierro licuado, níquel y azufre. Cuando el hierro se extrae del suelo en las operaciones mineras, es en forma de mineral, que es hierro elemental mezclado con uno o más tipos de roca. El tipo más común de mineral de hierro es la hematita, pero la magnetita y la taconita también son fuentes importantes de este metal.
El hierro se oxida o se corroe muy fácilmente en comparación con otros metales. Esto crea problemas para los ingenieros porque en la actualidad, nueve décimas partes del metal que se refina incluye hierro.
Usos del hierro
La mayor parte del hierro extraído para uso humano termina en forma de acero. "Acero" es una aleación, es decir, una mezcla de metales. Una forma popular de este producto hoy en día se llama acero al carbono, que es algo engañoso porque el carbono aporta solo una pequeña fracción de la masa de este acero en todas sus formas. En la forma de acero al carbono con mayor contenido de carbono, el carbono representa aproximadamente el 2 por ciento de la masa del metal; esta cifra puede variar hasta una décima parte del 1 por ciento sin que el metal pierda el título de "acero al carbono".
El acero al carbono, a su vez, puede adulterarse estratégicamente con otros metales para producir aleaciones con ciertas propiedades deseables. El acero inoxidable, por ejemplo, es una forma de acero al carbono que tiene una cantidad significativa de cromo, más del 10 por ciento en masa. Este material es conocido por su durabilidad y su tendencia a mantener su aspecto brillante y lustroso durante largos períodos debido a su alta resistencia a la corrosión. El acero inoxidable ocupa un lugar destacado en la arquitectura, los rodamientos de bolas, los instrumentos quirúrgicos y la vajilla. Es muy probable que si puede ver su reflejo claramente en una superficie puramente metálica, esté mirando una especie de acero inoxidable.
Cuando se integran cantidades razonables de metales como níquel, vanadio, tungsteno y manganeso en el acero, se vuelve aún más dura una sustancia ya dura; Por lo tanto, estos aceros aleados son adecuados para su inclusión en puentes, instrumentos de corte y componentes de redes eléctricas.
Un tipo de hierro que no es acero llamado hierro fundido incluye una gran cantidad de carbono (al menos según los estándares del trabajo de los metales del hierro): 3 a 5 por ciento. El hierro fundido no es tan resistente como el acero, pero es considerablemente más barato, por lo que al pasar del acero al fundido hierro, usted hace la misma compensación general que hace cuando pasa de costilla a 70 por ciento magra hamburguesa.
¿Cómo se fabrica el hierro?
El hierro en la Tierra está hecho, o más apropiadamente extraído, del mineral de hierro. La porción de "roca" del mineral de hierro contiene oxígeno, arenas y arcillas en cantidades variables según el tipo de mineral. El trabajo de una fábrica de hierro, como se llamaba a las primeras fábricas de este tipo, es eliminar la mayor cantidad posible de roca y otra arena, dejando atrás el hierro, un poco diferente en principio de pelar un maní o pelar una naranja para llegar a la parte buena, excepto que en el caso del mineral de hierro, el hierro no está simplemente rodeado de materiales desechables. material; está mezclado con él.
A pesar de las abrumadoras temperaturas y los desafíos físicos generales de las obras de hierro, los humanos ya las usaban en tiempos precristianos. El trabajo del hierro llegó por primera vez a las Islas Británicas a través de Europa continental y Asia occidental en el siglo V a. C. En aquel entonces, el hierro estaba físicamente separado del material no deseado en la mayor medida posible utilizando sólo carbón vegetal, arcilla y el mineral en sí, calentado a temperaturas que eran modestas en comparación con lo que sería seguir. En cualquier caso, la fundición ya estaba en marcha en el año 1500 a. C., pero casi 30 siglos después, en la década de 1400, se inventó el alto horno, cambiando la "industria" (tal como era) radical y para siempre.
Hoy en día, el hierro se fabrica calentando hematita o magnetita en un alto horno junto con una forma de carbono llamada "coque", así como carbonato de calcio (CaCO3), más conocida como piedra caliza. Esto produce un compuesto que contiene aproximadamente un 3 por ciento de carbono y otros adulterantes; no es de calidad ideal, pero es lo suficientemente bueno para fabricar acero. Cada año, se producen alrededor de 1.300 millones de toneladas métricas (aproximadamente 1.430 millones de toneladas estadounidenses, o casi 3 billones de libras) de acero bruto en todo el mundo.
¿De dónde vino el hierro?
De dónde "viene" el hierro en su lavavajillas de acero inoxidable o en su estufa de leña es quizás una pregunta mucho menos interesante que cómo llegó a existir el hierro en cualquier parte del universo en primer lugar. El hierro se considera un elemento pesado, y los elementos de este tipo solo pueden crearse en eventos catastróficos de "muerte estelar" llamados supernovas. Mientras que la mayoría de las estrellas se apagan a medida que queman su suministro de combustible de hidrógeno, algunas estrellas literalmente se apagan con una explosión.
Estos son eventos estadísticamente raros, que ocurren solo unas pocas veces cada cien años a lo largo de la extensión de toda la Vía Láctea, la enorme pila de estrellas y otra materia que gira lentamente y que los humanos llaman casa. Pero también son de vital importancia. Sin ellos, las fuerzas necesarias para hacer que los elementos más pequeños se fusionen en el impacto y creen elementos aún más grandes como el hierro, el cobre, el mercurio, el oro, el yodo y el plomo, no existirían. Y todo el tiempo, una cierta fracción de estos elementos viajan largas distancias a través del espacio y se asientan en la Tierra, a veces en forma de impactos de meteoritos.
¿Cómo se forman los elementos en la naturaleza?
Se cree que el hierro representa el punto de corte aproximado en términos de elementos que pueden ser generados por procesos de combustión de estrellas (como si estos procesos en sí mismos fueran realmente "ordinarios" de alguna manera) y aquellos que solo pueden crearse por supernovas.
La mayoría de los elementos (oxígeno, número atómico 8, hasta el hierro, número atómico 26, pero probablemente sin incluirlo) se forman una vez que una estrella comienza a agotar su suministro de hidrógeno. La razón por la que una estrella "arde" es que constantemente experimenta innumerables reacciones de fusión, con hidrógeno, el elemento más ligero (número atómico 1) choca con otros átomos de hidrógeno para formar helio (número atómico 2). Finalmente, en la parte más interna de la estrella, los átomos de helio chocan en grupos para formar carbono (número atómico 6).
Hierro en el cuerpo humano
Probablemente reconozca que el hierro es esencial en la dieta humana basándose únicamente en las afirmaciones publicitarias de fabricantes de alimentos ("Este cereal contiene el 100 por ciento de la cantidad diaria recomendada de EE. UU. de ¡planchar!"). Sin embargo, es posible que no sepa por qué es así.
Resulta que el cuerpo humano típico contiene aproximadamente 4 gramos de hierro elemental. Puede que no parezca mucho, pero ¿por qué su cuerpo necesitaría algo de metal? De hecho, el hierro es una parte esencial de la hemoglobina, la proteína transportadora de oxígeno que se encuentra en los glóbulos rojos (RBC). Los glóbulos rojos transportan oxígeno desde los pulmones a los tejidos, donde se utiliza en la respiración celular.
Cuando las personas tienen deficiencia de hierro debido a una ingesta dietética insuficiente (el hierro se encuentra en las carnes, particularmente las vísceras, así como ciertos granos) o estados de enfermedad sistémica, sus glóbulos rojos no pueden hacer su trabajo correctamente. En esta afección, llamada anemia, las personas presentan dificultad para respirar después de una cantidad moderada de esfuerzo y, a menudo, sufren fatiga, dolores de cabeza y debilidad general. En casos graves, puede ser necesaria una transfusión de sangre para corregir la anemia, aunque normalmente la corrección se realiza mediante suplementos con píldoras y líquidos que contienen hierro.