É extraído da natureza baixo a forma demineral de ferro que, despois de distintos procesos de transformación, é usado na forma de lingotes. Se se engadecarbono dáse orixe a varias formas deaceiro.
O ferro foi historicamente importante, e un período da historia recibiu o nome deIdade de 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.
É un metalmaleábel,tenaz, de coloración cinza prateada presentando propiedades magnéticas: éferromagnético a temperatura ambiente.
Atópase na natureza formando parte de diversosminerais, entre eles moitosóxidos e raramente atópase en estado libre. Para obter ferro en estado elemento, os óxidos sonreducidos concarbono, e inmediatamente son submetidos a un proceso de refinación para retirar as impurezas presentes.
Fundamentalmente é empregado na produción deaceiros, que sonaliaxes metálicas de ferro con outros elementos, tantometálicos comonon metálicos, que confiren propiedades distintas ao material.Denomínase aceiro cando contén menos de 2% decarbono; se a percentaxe é maior recibe a denominación defundición.[3]
É o elemento máis pesado que se produceexotermicamente porfusión, e o máis leve producido porfisión, debido ao feito ter o seu núcleo a máis alta enerxía de ligación pornucleón, que é a enerxía necesaria para separar donúcleo unneutrón ou unprotón. Polo tanto, o núcleo máis estábel é o do ferro-56.[4]
Presenta diferentes formas estruturais dependendo da temperatura:[5]
O ferro é ometal máis usado, cun 95% en peso da produción mundial de metal. É indispensábel debido ao seu baixo prezo edureza, 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 ecarbono 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 requiren 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 ovolframio. Estes carbonatos son máis duros e dan aceiros utilizados principalmente para a fabricación de ferramentas.
Un dos inconvenientes do ferro é que seoxida con facilidade. Existen unha serie de aceiros aos cales se adicionan outros elementos ligantes, principalmente ocromo, para que se tornen máis resistentes ácorrosión. Son os chamadosaceiros inoxidábeis.
Cando o contido de carbono é superior a 2,1% en peso, a aliaxe metálica é denominadafundición. 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, osóxidos de ferro presentan variadas aplicacións: enpinturas, obtención de ferro, e outras. Amagnetita (Fe3O4) e o óxido de ferro III (Fe2O3) teñen aplicacións magnéticas.
Hai indicios do uso de ferro, seguramente procedente demeteoritos, catro milenios a. C., polossumerios eexipcios.
Entre dous e tres milenios antes de Cristo foron aparecendo cada vez máis obxectos de ferro (que se distingue do ferro proveniente dos meteoritos pola ausencia deníquel) naMesopotamia,Anatolia eExipto. Mentres tanto, o seu uso parece ser cerimonial, por ser un metal moi caro, máis que oouro. Algunhas fontes suxiren que talvez era obtido como subproduto da obtención docobre. Entre1600 e1200 a.C., obsérvase un aumento do seu uso noOriente Medio, porén non foi usado para substituír obronce.[6]
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 deestaño ou a unha melloría na tecnoloxía do traballo co ferro. Este período, que ocorreu en diferentes ocasións segundo o lugar, denominouseIdade de Ferro, substituíndo aIdade de bronce. EnGrecia iniciouse en torno do ano1000 a. C., e non chegou áEuropa occidental antes do século VII a.C. A substitución do bronce polo ferro foi paulatina, pois era difícil producir pezas de ferro: localizar omineral, extraelo, proceder a súa fundición a temperaturas altas e despois forxalo.
NaEuropa central, xurdiu no século IX a. C. acultura de Hallstatt substituíndo á "cultura dos campos de urnas", que se denominou "Primeira Idade de Ferro", pois coincide coa introdución do uso deste metal. Cara ao ano450 a.C., tivo lugar o desenvolvemento da "cultura da Tène", tamén denominada "Segunda Idade de 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 eoxidando 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 decarbón vexetal, para entón mergullalo en auga ouaceite. O produto resultante presenta unha capa superficial de aceiro, e era máis duro e menos fráxil que o bronce.
NaChina, 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 enEuropa.[7]
Nos últimos anos da Dinastía Zhou (550 a. C.), na China, conseguiuse obter un produto resultante da fusión do ferro (ferro fundido). O mineral atopado alí presentaba un alto contido defósforo, 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.[8]
O ferro fundido levou máis tempo para ser obtido en Europa, pois non se conseguía a temperatura necesaria. Algunhas das primeiras mostras foron atopadas enSuecia, en Lapphyttan e Vinarhyttan, de1150 a1350 d. C.
NaIdade Media, e ata finais doséculo 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 noséculo XV, conseguíndose obter temperaturas de ata 1.200 °C. Este procedemento foi substituído polo emprego dealtos fornos.
Nun principio usábasecarbón vexetal para a obtención de ferro como fonte decalor e comoaxente redutor. Noséculo XVIII, enInglaterra, o carbón vexetal comezou a escasear e tornarse caro, iniciándose a utilización docoque, uncombustíbel fósil, como alternativa. Foi utilizado pola primeira vez porAbraham Darby, no inicio doséculo XVIII, construíndo en Coalbrookdale un "alto forno". Mesmo así, o coque só foi empregado como fonte de enerxía naRevolución 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, en1784, aplicou novas técnicas que melloraron a produción. En1826 o alemánFriedrich Harkot construíu un alto forno sen cachotería para fumes.
En Inglaterra foi empregado pola primeira vez o ferro na construción de edificios porMathew Boulton eJames Watt, no principio doséculo XIX. Tamén son coñecidas outras obras deste século, como por exemplo, o "Palacio de Cristal" construído para a Exposición Universal de1851 enLondres, do arquitectoJoseph Paxton, que ten unha armación de ferro, ou aTorre Eiffel, enParís, construída en1889 para a Exposición Universal, onde foron utilizadas millares de toneladas de ferro.[10]
É o metal de transición máis abundante dacodia terrestre, e cuarto de todos os elementos. Tamén abunda no Universo, habéndose atopado meteoritos que conteñen este elemento.O ferro é atopado en numerososminerais, destacando ahematita (Fe2O3), amagnetita (Fe3O4), alimonita (FeO(OH)), asiderita (FeCO3), apirita (FeS2) e ailmenita (FeTiO3).
Pódese obter o ferro a partir dosóxidos con maior ou menor teor de impurezas. Moitos dos minerais de ferro sonóxidos.
Aredución dos óxidos para a obtención do ferro é efectuada en fornos denominadosalto forno. Nel son adicionados os minerais de ferro, en presenza decoque, ecarbonato de calcio, CaCO3 , que actúa como escorificante.
Nun proceso contrario, o monóxido podeoxidarse conosíxeno 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 damagnetita:
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 viu.Na parte inferior do alto forno ocorre a carburación:
3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
Procesos de enriquecemento: finalmente ocorre acombustión e a desulfuración (eliminación doxofre) debido á inxeccións de ar no alto forno, e por último son separadas as fraccións: aescoura 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 chamadosconvertedores.
En 2000, os cinco maiores países produtores de ferro eran aChina, oBrasil,Australia,Rusia e aIndia, con 70% da produción mundial.
Osestados de oxidación máis comúns 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 mixto Fe3O4. Forma numerosossales e complexos con estes mesmos estados de oxidación. O hexacianoferrato II de ferro III, usado enpinturas, é coñecido comoazul da Prúsia ouazul de Turnbull.
San coñecidos compostos de ferro con estados de oxidación +4, +5 e +6, porén son pouco comúns. No ferrato de potásio, K2FeO4, usado comooxidante, o ferro presenta estado de oxidación +6. O estado de oxidación +4 é atopados en poucos compostos e tamén nalgúns procesos encimáticos.
O Fe3C é coñecido comocementita, contén 6,67 % en carbono. O ferro α é coñecido comoferrita, e a mestura de ferrita e cementita é denominadaperlita ouledeburita, dependendo do teor de carbono. Aaustenita é o ferro γ.
Oscitocromosreducen o osíxeno enauga. Oscitocromos P450 catalizan a oxidación de compostos hidrofóbicos, como fármacos ou drogas, para que poidan ser excretados, e participan na síntese de diversas moléculas.
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:
Asbacterias metanotróficas, que usan ometano, CH4, como fonte de enerxía e de carbono, usan proteínas deste tipo, chamadasmonoosixenases, para catalizar a oxidación do metano.
Ahemeritrina transporta osíxeno nalgúns organismos mariños.
Os animais, para transportar o ferro dentro do corpo, empregan proteínas chamadastransferrinas. Para armacenalo empregan aferritina e ahemosiderina. O ferro entra no organismo absorbido nointestino 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 étóxico. Reacciona co peróxido producindoradicais libres. A reacción máis importante é:
Fe (II) + O2 → Fe (III) + OH- + OH·
Cando o ferro se atopa nos niveis normais, os mecanismosantioxidadantes do organismo poden controlar este proceso.[12]
O envelenamento por ferro chámasehemocromatose. O ferro en exceso acumúlase nofígado 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 comosideróforos. Moitos organismos empregan estes sideróforos para captar o ferro que necesitan.[13][14]
A dose letal de ferro en nenos de 2 anos é de 3 gramos. Un gramo pode provocar un envelenamento importante.
O ferro ten catroisótopos estábeis naturais:54Fe,56Fe,57Fe e58Fe. As proporcións relativas destes isótopos na natureza son aproximadamente:54Fe (5,8%),56Fe (91,7%),57Fe (2,2%) e58Fe (0,3% ).
↑Boehler, Reinhard; Ross, M. (2007). "Properties of Rocks and Minerals_High-Pressure Melting".Mineral Physics. Treatise on Geophysics2. Elsevier. pp. 527–541.doi:10.1016/B978-044452748-6.00047-X.
↑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.PMID16226281.doi:10.1016/j.mrfmmm.2005.08.006.
H. R. Schubert,History of the British Iron and Steel Industry… to 1775 AD (Routledge, Londres, 1957)
R. F. Tylecote,History of Metallurgy (Institute of Materials, Londres 1992).
R. F. Tylecote, "Iron in the Industrial Revolution" in J. Day e R. F. Tylecote,The Industrial Revolution in Metals (Institute of Materials 1991), 200–60.
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.ISBN0-7661-3872-0.
