Hierro

Los iones de hierro (II) forman un complejo rojo anaranjado con o -fenantrolina [(C 12 H 18 N 2 ) 3 Fe] 2+ o [Fe (phen) 3 ] 2+ , cuya intensidad depende del pH en el rango entre 2 y 9. La absorbancia de la solución se lee a la longitud de onda de 510 nm.

Los iones de hierro (III) se reducen previamente a iones de hierro (II) mediante tratamiento con cloruro de hidroxilamonio o hidroquinona .

Los interferentes incluyen iones de bismuto , plata, cobre, níquel, cobalto y perclorato .

Aplicaciones

El hierro es, con mucho, el metal más utilizado por la humanidad, solo representa el 95% de la producción mundial de metales. Su bajo costo y su resistencia en la forma denominada acero lo convierten en un material de construcción indispensable , especialmente en la construcción de automóviles , cascos de barcos y elementos portantes de edificaciones . Los compuestos de hierro más utilizados incluyen:

• Hierro fundido de primera fundición , que contiene entre un 4% y un 5% de carbono y cantidades variables de diferentes impurezas como azufre , silicio y fósforo . Su uso principal es como intermediario en la producción de fundición y acero de segunda fundición ;
• la fundición de segunda fundición, la fundición propiamente dicha, que contiene entre un 2,06 % y un 3,5 % de carbono y niveles inferiores de las impurezas mencionadas anteriormente, de forma que no afecten negativamente a las propiedades reológicas del material. Tiene un punto de fusión entre 1 150 °C y 1 200 °C, inferior al del hierro y el carbono tomados individualmente y, por lo tanto, es el primer producto que se funde cuando el hierro y el carbono se calientan juntos. Es un material extremadamente duro y quebradizo, se rompe con facilidad, incluso cuando se calienta al blanco;
• acero , que contiene una cantidad de carbono que varía entre 0,10% y 2,06%. Según el contenido o porcentaje de carbono se dividen en:
  • extradulce (menos del 0,15%);
  • dulces (del 0,15% al ​​0,25%);
  • semiduro (del 0,25% al ​​0,50%);
  • duro (más del 0,50% y hasta el 2,06%).

El hierro común, técnicamente llamado hierro forjado o blando, contiene menos del 0,5 % de carbono, por lo que sigue siendo acero. Es un material duro y maleable. Sin embargo, el término hierro a menudo se denomina acero dulce y extrablando. Un hierro particularmente puro, conocido como "hierro Armco", se produce desde 1927 con procesos particulares y se utiliza donde se requiere una permeabilidad magnética muy alta y una histéresis magnética insignificante .

Los aceros especiales o aleados, además de contener carbono, se adicionan con otros metales como cromo , vanadio , molibdeno , níquel y manganeso para dar a la aleación características particulares de resistencia física o química.

Óxido de hierro (III ) (Fe 2 O 3 ), en las variedades magnetita y maghemita , utilizado por sus propiedades magnéticas como material para la producción de medios de almacenamiento, por ejemplo, soportado sobre polímeros en cintas magnéticas.

Rol biológico

El hierro es esencial para la vida de todos los seres vivos, a excepción de unas pocas bacterias .

Los animales incorporan hierro al complejo hemo , un componente esencial de las proteínas involucradas en reacciones redox como la respiración . Por lo tanto, el exceso de hierro aumenta las reacciones redox, lo que provoca un aumento de los radicales libres. Para evitarlo, el hierro de nuestro organismo se une a proteínas que regulan su estado de oxidación. El hierro inorgánico también se encuentra en los agregados de hierro y azufre de muchas enzimas, como las azotasas y las hidrogenasas .

También hay una clase de enzimas a base de hierro, una clase que es responsable de una amplia gama de funciones de varias formas de vida, tales como: metano-monooxigenasa (conversión de metano en metanol ), ribonucleótido reductasa (conversión de ribosa en desoxirribosa ) , emeritrinas (fijación y transporte de oxígeno en invertebrados marinos ) y ácido fosfatasa púrpura ( hidrólisis de ésteres de ácido fosfórico ) .

La distribución de iones de hierro en los mamíferos está muy estrictamente regulada. [22] Por ejemplo, cuando el cuerpo está sujeto a una infección , el organismo "quita" el hierro haciéndolo menos disponible para las bacterias ( transferrina ). Este es el caso de la hepcidina , una proteína producida por el hígado que, al unirse y degradar la ferroportina , inhibe la liberación de hierro de enterocitos y macrófagos.

Las mejores fuentes alimenticias de hierro incluyen carne , pescado , frijoles , tofu y garbanzos . Contrariamente a lo que generalmente se cree, aunque las espinacas son ricas en ellas, el hierro que contienen no está biodisponible para su absorción; las espinacas disminuyen la biodisponibilidad del hierro porque con ellas se forman compuestos de coordinación , lo que resulta en desperdicio.

El hierro que se toma a través de los complementos alimenticios se presenta a menudo en forma de fumarato o de gluconato de hierro (II) : no se recomienda su uso debido a la dosis correcta y la consiguiente reducción del elemento . Las dosis recomendadas de hierro que se deben tomar diariamente varían según la edad, el sexo y el tipo de alimentación . El hierro tomado como hemo tiene una mayor biodisponibilidad que la presente en otros compuestos. Los niveles de ingesta recomendados (LARN) son:

• 10 mg/día para hombres de 18 a 60 años
• 10 mg/día para mujeres mayores de 50 años
• 12 mg / día para adolescentes varones y mujeres que no menstrúan
• 18 mg/día para mujeres de 14 a 50 años y para enfermeras
• 30 mg/día para mujeres embarazadas.

Metabolismo

El hierro se absorbe en el duodeno . El hierro unido al grupo hemo es más fácil de absorber que el hierro no hemo. La carne contiene aproximadamente un 40 % de hierro hemo y un 60 % de hierro no hemo . Alrededor del 10-30% del hierro contenido en la carne, hemo y no hemo, se absorbe en torno al 10-30%, [23] porcentaje que se eleva hasta el 40% si consideramos el hierro hemo solo [24] . Los alimentos vegetales contienen únicamente hierro no hemo que es más difícil de absorber, de hecho se absorbe menos del 5% del hierro de origen vegetal [23] . En total, una persona sin carencias absorbe en promedio alrededor del 10% del hierro introducido en la dieta [24] .

Alrededor del 80% del hierro introducido en la dieta se incorpora al grupo hemo (el estado de oxidación no influye ); el 20% restante se almacena como hierro no émico que necesariamente debe estar en forma reducida [25] .

La reducción se produce con facilidad a pH ácido , por tanto en el estómago o en presencia de sustancias reductoras como la vitamina C.

En las células y los fluidos corporales ( sangre y linfa ), el hierro nunca está libre, sino que está unido a proteínas de transporte específicas. Dentro de las células de la mucosa intestinal , el hierro se une a la apoferritina ; el complejo recién formado se llama ferritina . Luego, el hierro se libera y se oxida para llegar al torrente sanguíneo. En la sangre, el hierro se une a la transferrina. Como tal, se transporta al hígado donde se deposita como ferritina y hemosiderina . Desde el hígado, según las necesidades del organismo, el hierro es transportado a los distintos órganos, por ejemplo al tejido muscular, donde es fundamental para la síntesis de mioglobina o a nivel de la médula ósea roja donde se utiliza para la síntesis de la hemoglobina .

El hierro hemo es una sustancia pro-oxidante que favorece la formación de compuestos N-nitrosos en la luz intestinal y en general la producción de radicales libres.

Se conocen al menos treinta isótopos del elemento hierro , con números de masa que van desde A = 45 a A = 74 [26] , o A = 75 [27] . Entre estos, los isótopos estables (o al menos aparentemente estables) del hierro que existen en la naturaleza son los cuatro siguientes, con sus abundancias relativas entre paréntesis: 54 Fe (5,845 %), 56 Fe (91,754 %), 57 Fe (2,119 %) y Fe 58 (0,282%). [27]

El primero de ellos, el 54 Fe, es un isótopo observacionalmente estable, aunque teóricamente podría decaer exotérmicamente a 54 Cr (estable) mediante una doble captura de electrones (εε) con emisión de dos neutrinos , liberando una energía de ~0,68 MeV. Sin embargo, la vida media estimada para este proceso es de más de 4,4 x 10 20 años [28] o 3,1 x 10 22 años [29] (período de un billón de veces mayor que la edad del Universo ) y hasta la fecha, no hay pruebas experimentales concluyentes para este deterioro que, en cualquier caso, sería completamente imperceptible y carente de cualquier consecuencia desde el punto de vista práctico. Una situación potencialmente similar ocurre con el primer isótopo estable de níquel, 58 Ni, que también está sujeto a la captura de doble electrón para dar el último isótopo estable de hierro, 58 Fe. [30]

El 56 Fe (o Fe-56) es el más abundante y ha sido erróneamente considerado por muchos en el pasado como el nucleido más fuertemente unido, es decir, el que tiene la mayor energía de unión por nucleón . Este récord pertenece a 62 Ni, mientras que 56 Fe ocupa el tercer lugar, después de 58 Fe. [31] [32]

La primacía del 56 Fe es en cambio la de tener la mínima masa por nucleón (930.412 MeV/c 2 ), por el simple hecho de que tiene una relación Z / N (protones/neutrones) mayor que el Ni-62 (930.417 MeV/c 2 ), siendo los protones más ligeros ( menos masivos) que los neutrones . [33] Esto significa que, si existieran secuencias adecuadas de reacciones nucleares y que les permitieran alcanzar un estado de equilibrio ( e-proceso [34] ), el 56 Fe sería el producto más estable.

A nivel cósmico , la abundancia de los metales de transición de la primera serie tiene un pico centrado en el elemento hierro, en particular el Fe-56, que domina a los isótopos más abundantes de sus vecinos de la izquierda ( Ti , V , Cr , Mn ) ya la derecha ( Co , Ni , Cu , Zn ) en la tabla periódica ; esto se conoce como el pico de hierro , [35] y aquí el níquel ocupa el segundo lugar después del 58 Ni, que sin embargo es menos abundante en más de un orden de magnitud.

Fe-56 es el principal punto de llegada de la nucleosíntesis dentro de estrellas masivas y, como tal, es de particular interés para la física nuclear y la astrofísica . En la fase de evolución estelar conocida como proceso de fusión del silicio , en particular del 28 Si (7 partículas alfa), que se produce principalmente en el núcleo de las estrellas más masivas, pero especialmente en las explosiones de supernova , [34] se producen nuevos núcleos . para la posterior incorporación exotérmica de partículas alfa hasta 56 Ni (14 partículas alfa). Este nucleido es radiactivo con una vida corta ( T 1/2  ≈ 6 días) y se desintegra ε / β + a 56 Co, que luego también se desintegra de la misma manera (T 1/2  ≈ 77 días) a 56 Fe, estable. De esta manera, el Fe-56 puede acumularse y convertirse en el más abundante entre los elementos metálicos del universo, donde es el sexto (1090 ppm) en abundancia absoluta, después del H, He , O , C y Ne . Es concebible que la superposición de la curva de abundancia cósmica de estos elementos (y en particular de sus isótopos más fuertemente ligados) con la curva de la energía de enlace por nucleón pudiera haber generado confusión.

El 57 Fe tiene un isómero nuclear (estado excitado metaestable) a solo 14,4 keV por encima del estado fundamental . Esto permite el uso de la espectroscopia de resonancia de Mössbauer aprovechando la transición entre el estado excitado y el fundamental. [36] Una vez más, el 57 Fe es el único isótopo estable de Fe que tiene espín nuclear (1/2, con paridad negativa ), lo que permite el uso de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear . El valor semientero del espín implica la ventaja de la ausencia de momento cuadripolar , lo que permite obtener espectros de alta resolución para muestras en solución en disolventes adecuados. En este caso, se utiliza pentacarbonilo de hierro como patrón primario ; ferroceno y ferrocianuro de potasio como patrones secundarios . [37] Ambas espectroscopias son técnicas de gran valor diagnóstico estructural y químico y, gracias a este isótopo, el hierro y sus compuestos, en estado sólido para la resonancia de Mössbauer, [38] [39] [40] y en solución para la magnética resonancia magnética, [41] [42] puede tenerlo disponible para ser investigado de manera útil. [43]

El 58 Fe es el isótopo de hierro menos abundante en la Tierra (~ 0,28 %), pero en los rayos cósmicos galácticos se acerca a una abundancia del 6 %, [44] o en cualquier caso superior a la proporción terrestre. [45] Este nucleido, debido a su porcentaje de escasez, ha sido estudiado como posible trazador no radiactivo en procesos biológicos . [46]

Fe-52 decae a Mn -52 ( radiactivo ) por captura de electrones y por emisión de positrones ( β + ), liberando 2.380  MeV ; la vida media es de 8,275 horas; el Mn-52 decae a su vez, por captura de electrones y emisión de positrones (β + ), a Cr -52 , estable. [47]

Fe-53 decae a Mn-53 (radiactivo) por captura de electrones y por emisión de positrones (β + ), liberando 3.743 MeV; la vida media es de 2,51 minutos; el Mn-53 a su vez se descompone, solo por captura electrónica, a Cr-53, estable. [48]

Fe-55 se desintegra a Mn-55 (estable) por captura de electrones, liberando 0,231 MeV; la vida media es de 2,74 años. [48]

Fe-59 decae β - a Co -59 (estable), liberando 1,565 MeV; la vida media es de 44,49 días. [48]

El 60 Fe es un nucleido radiactivo que decae β - a 60 Co (que, a su vez, decae β - a 60 Ni , estable). Su vida media es de 2,62 millones de años (hasta 2009 se creía que era de 1,5 millones de años) y ahora está "extinto" [49] . Muchos trabajos de datación basados ​​en hierro se basan precisamente en la medición del contenido de 60 Fe en meteoritos y minerales.

En algunas partes de los meteoritos de Semarkona y Chervony Kut , se observó una correlación entre la concentración de 60 Ni, el producto final de la desintegración de 60 Fe, y las abundancias de los otros isótopos estables de hierro; esto prueba que 60 Fe existió en el momento del nacimiento del sistema solar. También es posible que la energía producida por su decaimiento contribuyera, junto con la del decaimiento del 26Al , a la refusión y diferenciación de los asteroides en el momento de su formación, hace 4.600 millones de años.

Compuestos

Los estados de oxidación más comunes del hierro incluyen:

• hierro (0) , que da complejos organometálicos como el Fe (CO) 5
• el hierro (II) , que da compuestos de Fe 2+ , es muy común (el sufijo -oso está obsoleto, IUPAC ).
• el hierro (III) , que da compuestos de Fe 3+ , también es muy común, por ejemplo en la herrumbre (el sufijo -ic está obsoleto, IUPAC ).
• el hierro (IV) , Fe 4+ , ​​que da compuestos a veces llamados ferril , es estable en algunas enzimas (p. ej ., peroxidasa ).
• El carburo de hierro Fe 3 C se conoce como cementita .

También se conoce el hierro (VI) , un estado raro presente por ejemplo en el ferrato de potasio .

Véase también óxido de hierro .

Precauciones

La ingesta excesiva de hierro de los alimentos es tóxica porque el exceso de iones de hierro (II) reacciona con los peróxidos en el cuerpo para formar radicales libres [50] . Mientras el hierro se mantenga en niveles normales, los mecanismos antioxidantes del cuerpo pueden mantener bajo control el nivel de radicales libres.

Un exceso de hierro puede producir alteraciones ( hemocromatosis ); por ello, la ingesta de hierro a través de medicamentos y suplementos debe realizarse bajo estricto control médico y sólo en caso de problemas relacionados con la deficiencia de hierro.

Citas literarias

• Uno de los relatos de “ El sistema periódico ” de Primo Levi está dedicado al hierro .

Notas

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9. ^ Fe, Co y Ni estaban en el antiguo grupo VIII, también llamado grupo de hierro o tríada de hierro. En la tabla periódica de Mendeleev y aún en versiones fechadas de la tabla periódica, hasta los años sesenta del siglo pasado, este grupo aparecía como un grupo ampliado que incluía estos tres elementos como fundadores.
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33. ^ No necesariamente en una desintegración, un núcleo menos unido se convierte en un núcleo más fuertemente unido. Lo que cuenta en cambio es que la masa de los productos es menor.
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Artículos relacionados

• Acero
• Hierro fundido
• Aceros aleados
• Fassaite
• clorato ferroso
• nanopolvo de hierro

Otros proyectos

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Enlaces externos

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