Los primeros productos de hierro y sus aleaciones se encontraron durante excavaciones y se remontan aproximadamente al IV milenio antes de Cristo. Es decir, incluso los antiguos egipcios y sumerios utilizaban depósitos de meteoritos de esta sustancia para fabricar joyas y artículos para el hogar, además de armas.

Hoy en día, los compuestos de hierro de diversos tipos, así como el metal puro, son las sustancias más comunes y utilizadas. No en vano el siglo XX fue considerado de hierro. Después de todo, antes de la aparición y el uso generalizado del plástico y materiales relacionados, era este compuesto el que tenía una importancia decisiva para el hombre. Qué es este elemento y qué sustancias forma, lo consideraremos en este artículo.

hierro elemento químico

Si consideramos la estructura de un átomo, primero debemos indicar su ubicación en la tabla periódica.

1. Número de serie: 26.
2. El período es el cuarto más importante.
3. Grupo ocho, subgrupo secundario.
4. Peso atómico - 55.847.
5. La estructura de la capa externa de electrones se denota mediante la fórmula 3d 6 4s 2.
6. - Fe.
7. El nombre es hierro, la lectura en la fórmula es "ferrum".
8. En la naturaleza, existen cuatro isótopos estables del elemento en cuestión con números de masa 54, 56, 57, 58.

El elemento químico hierro también tiene unos 20 isótopos diferentes, que no son estables. Posibles estados de oxidación que puede presentar un determinado átomo:

No sólo es importante el elemento en sí, sino también sus diversos compuestos y aleaciones.

Propiedades físicas

Como sustancia simple, el hierro tiene un metalismo pronunciado. Es decir, es un metal de color blanco plateado con un tinte gris, que tiene un alto grado de maleabilidad y ductilidad y un alto punto de fusión y ebullición. Si miramos las características con más detalle, entonces:

• punto de fusión - 1539 0 C;
• punto de ebullición - 2862 0 C;
• actividad - promedio;
• refractariedad - alta;
• exhibe propiedades magnéticas pronunciadas.

Dependiendo de las condiciones y diferentes temperaturas, existen varias modificaciones que forma el hierro. Sus propiedades físicas difieren porque las redes cristalinas difieren.

Todas las modificaciones tienen diferentes tipos de redes cristalinas y también difieren en las propiedades magnéticas.

Propiedades químicas

Como se mencionó anteriormente, la sustancia simple hierro exhibe una actividad química promedio. Sin embargo, en un estado finamente disperso puede encenderse espontáneamente en el aire y en oxígeno puro el metal mismo arde.

La capacidad de corrosión es alta, por lo que las aleaciones de esta sustancia se recubren con compuestos aleantes. El hierro puede interactuar con:

• ácidos;
• oxígeno (incluido el aire);
• gris;
• halógenos;
• cuando se calienta, con nitrógeno, fósforo, carbono y silicio;
• con sales de metales menos activos, reduciéndolos a sustancias simples;
• con vapor de agua caliente;
• con sales de hierro en estado de oxidación +3.

Es obvio que, al exhibir tal actividad, el metal es capaz de formar varios compuestos, de propiedades diversas y polares. Esto es lo que pasa. El hierro y sus compuestos son extremadamente diversos y se utilizan en una amplia variedad de ramas de la ciencia, la tecnología y la actividad industrial humana.

Distribución en la naturaleza

Los compuestos naturales de hierro se encuentran con bastante frecuencia porque es el segundo elemento más abundante en nuestro planeta después del aluminio. Al mismo tiempo, el metal se encuentra muy raramente en su forma pura, como parte de meteoritos, lo que indica sus grandes acumulaciones en el espacio. La mayor parte está contenida en menas, rocas y minerales.

Si hablamos del porcentaje del elemento en cuestión en la naturaleza, podemos dar las siguientes cifras.

1. Los núcleos de los planetas terrestres: 90%.
2. En la corteza terrestre: 5%.
3. En el manto terrestre: 12%.
4. En el núcleo de la Tierra: 86%.
5. En agua de río - 2 mg/l.
6. En mar y océano - 0,02 mg/l.

Los compuestos de hierro más comunes forman los siguientes minerales:

• magnetita;
• limonita o mineral de hierro marrón;
• vivianita;
• pirrotita;
• pirita;
• siderita;
• marcasita;
• lellingitis;
• mal elegido;
• milanterita y otros.

Esta es todavía una lista larga, porque realmente hay muchos. Además, están muy extendidas diversas aleaciones creadas por el hombre. También se trata de compuestos de hierro sin los cuales es difícil imaginar la vida humana moderna. Estos incluyen dos tipos principales:

• hierro fundido;
• convertirse en.

El hierro también es un aditivo valioso en muchas aleaciones de níquel.

Compuestos de hierro (II)

Estos incluyen aquellos en los que el estado de oxidación del elemento formador es +2. Son bastante numerosos, porque incluyen:

• óxido;
• hidróxido;
• compuestos binarios;
• sales complejas;
• compuestos complejos.

Las fórmulas de los compuestos químicos en los que el hierro presenta el estado de oxidación indicado son individuales para cada clase. Veamos los más importantes y comunes.

1. Óxido de hierro (II). Polvo negro, insoluble en agua. La naturaleza de la conexión es básica. Puede oxidarse rápidamente, pero también puede reducirse a una sustancia simple con la misma facilidad. Se disuelve en ácidos formando las sales correspondientes. Fórmula - FeO.
2. Hidróxido de hierro (II). Es un precipitado amorfo blanco. Formado por la reacción de sales con bases (álcalis). Presenta propiedades básicas débiles y es capaz de oxidarse rápidamente en el aire a compuestos de hierro +3. Fórmula - Fe(OH)2.
3. Sales de un elemento en un estado de oxidación específico. Como regla general, tienen un color verde pálido de la solución, se oxidan bien incluso en el aire, adquiriendo y convirtiéndose en sales de hierro 3. Se disuelven en agua. Ejemplos de compuestos: FeCL 2, FeSO 4, Fe(NO 3) 2.

   

   Entre las sustancias designadas, varios compuestos tienen importancia práctica. Primero, (II). Este es el principal proveedor de iones al cuerpo de una persona con anemia. Cuando a un paciente se le diagnostica una dolencia de este tipo, se le recetan medicamentos complejos basados ​​​​en el compuesto en cuestión. Así es como se repone la deficiencia de hierro en el cuerpo.

   En segundo lugar, es decir, el sulfato de hierro (II), junto con el cobre, se utiliza para destruir las plagas agrícolas en los cultivos. El método lleva décadas demostrando su eficacia, por lo que es muy valorado por jardineros y jardineros.

   Sal de Mora

   Este es un compuesto que es un hidrato cristalino de sulfato ferroso de amonio. Su fórmula se escribe como FeSO 4 *(NH 4) 2 SO 4 *6H 2 O. Uno de los compuestos de hierro (II) más utilizado en la práctica. Las principales áreas de uso humano son las siguientes.

   1. Productos farmacéuticos.
   2. Investigación científica y análisis titrimétricos de laboratorio (para determinar el contenido de cromo, permanganato de potasio, vanadio).
   3. Medicamento: como complemento alimenticio para la falta de hierro en el organismo del paciente.
   4. Para la impregnación de productos de madera, ya que la sal de Mohr protege contra los procesos de putrefacción.

   Hay otras áreas en las que se utiliza esta sustancia. Recibió su nombre en honor al químico alemán que descubrió por primera vez las propiedades manifestadas.

   Sustancias con el estado de oxidación del hierro (III)

   Las propiedades de los compuestos de hierro, en los que presenta un estado de oxidación de +3, son algo diferentes de las comentadas anteriormente. Por tanto, la naturaleza del óxido y el hidróxido correspondientes ya no es básica, sino anfótera. Demos una descripción de las sustancias principales.

   
   

   Entre los ejemplos dados, desde un punto de vista práctico, es importante un hidrato cristalino como FeCL 3* 6H 2 O, o cloruro de hierro (III) hexahidrato. Se utiliza en medicina para detener el sangrado y reponer los iones de hierro en el cuerpo durante la anemia.

   El sulfato de hierro (III) nuevehidrato se utiliza para purificar el agua potable porque se comporta como coagulante.

   Compuestos de hierro (VI)

   Las fórmulas de los compuestos químicos del hierro, donde presenta un estado de oxidación especial de +6, se pueden escribir de la siguiente manera:

   • K2FeO4;
   • Na2FeO4;
   • MgFeO 4 y otros.

   Todos ellos tienen un nombre común, ferratos, y tienen propiedades similares (fuertes agentes reductores). También son capaces de desinfectar y tienen efecto bactericida. Esto permite su uso para el tratamiento de agua potable a escala industrial.

   Conexiones complejas

   Las sustancias especiales son muy importantes en la química analítica y más allá. Los que se forman en soluciones acuosas de sales. Estos son compuestos complejos de hierro. Los más populares y mejor estudiados son los siguientes.

   1. Hexacianoferrato de potasio (II) K 4 . Otro nombre para el compuesto es sal de sangre amarilla. Se utiliza para la determinación cualitativa del ion hierro Fe 3+ en solución. Como resultado de la exposición, la solución adquiere un hermoso color azul brillante, a medida que se forma otro complejo: el azul de Prusia KFe 3+. Desde la antigüedad se ha utilizado como
   2. Hexacianoferrato de potasio (III) K 3 . Otro nombre es sal de sangre roja. Se utiliza como reactivo de alta calidad para la determinación del ion hierro Fe 2+. Como resultado, se forma un precipitado azul, llamado azul Turnboole. También se utiliza como tinte para telas.

   

   Hierro en materia orgánica

   El hierro y sus compuestos, como ya hemos visto, tienen una gran importancia práctica en la vida económica humana. Sin embargo, además de esto, su papel biológico en el organismo no es menos importante, incluso al revés.

   Hay una proteína muy importante que contiene este elemento. Esta es la hemoglobina. Es gracias a él que se transporta oxígeno y se produce un intercambio de gases uniforme y oportuno. Por tanto, el papel del hierro en un proceso vital, la respiración, es sencillamente enorme.

   

   En total, el cuerpo humano contiene unos 4 gramos de hierro, que deben reponerse constantemente a través de los alimentos consumidos.

Conocido por la gente desde la antigüedad: los científicos atribuyen los artículos domésticos antiguos fabricados con este material al cuarto milenio antes de Cristo.

Es imposible imaginar la vida humana sin hierro. Se cree que el hierro se utiliza con fines industriales con más frecuencia que otros metales. A partir de él se fabrican las estructuras más importantes. El hierro también se encuentra en pequeñas cantidades en la sangre. Es el contenido del vigésimo sexto elemento el que tiñe la sangre de rojo.

Propiedades físicas del hierro.

El hierro se quema en oxígeno y forma un óxido:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Cuando se calienta, el hierro puede reaccionar con los no metales:

También a una temperatura de 700-900 °C reacciona con el vapor de agua:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂.

Compuestos de hierro

Como se sabe, los óxidos de hierro tienen iones con dos estados de oxidación: +2 y + 3. Saber esto es sumamente importante, porque para diferentes elementos se llevarán a cabo reacciones cualitativas completamente diferentes.

Reacciones cualitativas al hierro.

Se necesita una reacción cualitativa para que sea posible determinar fácilmente la presencia de iones de una sustancia en soluciones o impurezas de otra. Consideremos las reacciones cualitativas del hierro divalente y trivalente.

Reacciones cualitativas al hierro (III)

El contenido de iones férricos en una solución se puede determinar utilizando álcali. Si el resultado es positivo, se forma una base: hidróxido de hierro (III) Fe(OH)₃.

La sustancia resultante es insoluble en agua y tiene un color marrón. Es el precipitado marrón el que puede indicar la presencia de iones férricos en la solución:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓+ 3NaCl.

Los iones Fe(III) también se pueden determinar utilizando K₃.

Se mezcla una solución de cloruro férrico con una solución amarillenta de sal de sangre. Como resultado, se puede ver un hermoso precipitado azulado, lo que indicará que hay iones férricos presentes en la solución. Encontrarás experimentos espectaculares para estudiar las propiedades del hierro.

Reacciones cualitativas al hierro (II)

Los iones Fe²⁺ reaccionan con la sal roja de sangre K₄. Si al agregar sal se forma un precipitado azulado, entonces estos iones están presentes en la solución.

El cuerpo humano contiene alrededor de 5 g de hierro, la mayor parte (70%) forma parte de la hemoglobina sanguínea.

Propiedades físicas

En estado libre, el hierro es un metal de color blanco plateado con un tinte grisáceo. El hierro puro es dúctil y tiene propiedades ferromagnéticas. En la práctica, se suelen utilizar aleaciones de hierro (hierro fundido y acero).

Fe es el elemento más importante y abundante de los nueve metales d del subgrupo Grupo VIII. Junto con el cobalto y el níquel forma la “familia del hierro”.

Al formar compuestos con otros elementos, suele utilizar 2 o 3 electrones (B = II, III).

El hierro, como casi todos los elementos d del grupo VIII, no presenta una valencia superior al número del grupo. Su valencia máxima alcanza VI y aparece muy raramente.

Los compuestos más típicos son aquellos en los que los átomos de Fe se encuentran en los estados de oxidación +2 y +3.

Métodos para obtener hierro.

1. El hierro técnico (aleado con carbono y otras impurezas) se obtiene por reducción carbotérmica de sus compuestos naturales según el siguiente esquema:

La recuperación se produce de forma gradual, en 3 etapas:

1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2

3) FeO + CO = Fe + CO 2

El hierro fundido resultante de este proceso contiene más del 2% de carbono. Posteriormente, el hierro fundido se utiliza para producir aleaciones de acero y hierro que contienen menos del 1,5% de carbono.

2. El hierro muy puro se obtiene de alguna de las siguientes formas:

a) descomposición del Fe pentacarbonilo

Fe(CO) 5 = Fe + 5СО

b) reducción de FeO puro con hidrógeno

FeO + H2 = Fe + H2O

c) electrólisis de soluciones acuosas de sales de Fe +2

FeC 2 O 4 = Fe + 2CO 2

oxalato de hierro (II)

Propiedades químicas

El Fe es un metal de actividad media y presenta propiedades generales características de los metales.

Una característica única es la capacidad de "oxidarse" en el aire húmedo:

En ausencia de humedad con aire seco, el hierro comienza a reaccionar notablemente sólo a T > 150°C; tras la calcinación, se forman “escamas de hierro” Fe 3 O 4:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

El hierro no se disuelve en agua en ausencia de oxígeno. A temperaturas muy altas, el Fe reacciona con el vapor de agua, desplazando el hidrógeno de las moléculas de agua:

3 Fe + 4H 2 O (g) = 4H 2

El mecanismo de oxidación es la corrosión electroquímica. El producto de óxido se presenta de forma simplificada. De hecho, se forma una capa suelta de una mezcla de óxidos e hidróxidos de composición variable. A diferencia de la película Al 2 O 3, esta capa no protege al hierro de una mayor destrucción.

Tipos de corrosión

Proteger el hierro de la corrosión

1. Interacción con halógenos y azufre a altas temperaturas.

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3

2Fe + 3F 2 = 2FeF 3

Fe + Yo 2 = FeI 2

Se forman compuestos en los que predomina el tipo de enlace iónico.

2. Interacción con fósforo, carbono, silicio (el hierro no se combina directamente con N2 y H2, sino que los disuelve).

Fe + P = Fe x P y

Fe + C = Fe x C y

Fe + Si = Fe x Si y

Se forman sustancias de composición variable, como las bertholidas (en los compuestos predomina la naturaleza covalente del enlace)

3. Interacción con ácidos “no oxidantes” (HCl, H 2 SO 4 dil.)

Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + H 2

Como el Fe se encuentra en la serie de actividad a la izquierda del hidrógeno (E° Fe/Fe 2+ = -0,44 V), es capaz de desplazar el H 2 de los ácidos ordinarios.

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2

4. Interacción con ácidos “oxidantes” (HNO 3, H 2 SO 4 conc.)

Fe 0 - 3e - → Fe 3+

Los concentrados HNO 3 y H 2 SO 4 “pasivan” el hierro, por lo que a temperaturas normales el metal no se disuelve en ellos. Con un fuerte calentamiento, se produce una disolución lenta (sin liberación de H 2).

En la sección El hierro HNO 3 se disuelve, se disuelve en forma de cationes Fe 3+ y el anión ácido se reduce a NO*:

Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

Muy soluble en una mezcla de HCl y HNO 3.

5. Relación con los álcalis

Fe no se disuelve en soluciones acuosas de álcalis. Sólo reacciona con álcalis fundidos a temperaturas muy altas.

6. Interacción con sales de metales menos activos.

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu

Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

7. Reacción con monóxido de carbono gaseoso (t = 200°C, P)

Fe (polvo) + 5CO (g) = Fe 0 (CO) 5 hierro pentacarbonilo

Compuestos de Fe (III)

Fe 2 O 3 - óxido de hierro (III).

Polvo rojo-marrón, n. r. en H 2 O. En la naturaleza - "mineral de hierro rojo".

Métodos de obtención:

1) descomposición del hidróxido de hierro (III)

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O

2) cocción de pirita

4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3

3) descomposición del nitrato

Propiedades químicas

Fe 2 O 3 es un óxido básico con signos de anfotericidad.

I. Las principales propiedades se manifiestan en la capacidad de reaccionar con ácidos:

Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + ZH 2 O

Fe2O3 + 6HCI = 2FeCI3 + 3H2O

Fe2O3 + 6HNO3 = 2Fe(NO3)3 + 3H2O

II. Propiedades ácidas débiles. Fe 2 O 3 no se disuelve en soluciones acuosas de álcalis, pero cuando se fusiona con óxidos sólidos, álcalis y carbonatos, se forman ferritas:

Fe2O3 + CaO = Ca(FeO2)2

Fe 2 O 3 + 2NaOH = 2NaFeO 2 + H 2 O

Fe 2 O 3 + MgCO 3 = Mg(FeO 2) 2 + CO 2

III. Fe 2 O 3 - materia prima para la producción de hierro en metalurgia:

Fe 2 O 3 + ZS = 2Fe + ZSO o Fe 2 O 3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2

Fe(OH) 3 - hidróxido de hierro (III)

Métodos de obtención:

Obtenido por la acción de álcalis sobre sales solubles de Fe 3+:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl

En el momento de la preparación, el Fe(OH)3 es un sedimento mucoso-amorfo de color marrón rojizo.

El hidróxido de Fe (III) también se forma durante la oxidación de Fe y Fe (OH) 2 en aire húmedo:

4Fe + 6H 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3

El hidróxido de Fe (III) es el producto final de la hidrólisis de las sales de Fe 3+.

Propiedades químicas

Fe(OH) 3 es una base muy débil (mucho más débil que Fe(OH) 2). Muestra notables propiedades ácidas. Por tanto, el Fe(OH) 3 tiene un carácter anfótero:

1) las reacciones con ácidos ocurren fácilmente:

2) el precipitado fresco de Fe(OH)3 se disuelve en concentración caliente. Soluciones de KOH o NaOH con formación de hidroxocomplejos:

Fe(OH)3 + 3KOH = K3

En una solución alcalina, el Fe(OH) 3 se puede oxidar a ferratos (sales del ácido ferroso H 2 FeO 4 que no se liberan en estado libre):

2Fe(OH)3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K2FeO4 + 6KBr + 8H2O

Sales Fe 3+

Los más importantes en la práctica son: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe(NO 3) 3, Fe(SCN) 3, K 3 4 - sal de sangre amarilla = Fe 4 3 Azul de Prusia (precipitado azul oscuro)

b) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 tiocianato Fe(III) (solución rojo sangre)

El hierro es uno de los elementos químicos más comunes en la tierra. Desde la antigüedad, la gente ha aprendido a utilizarlo para facilitar su trabajo. Con el desarrollo de la tecnología, su alcance se ha ampliado significativamente. Si hace miles de años el hierro se utilizaba únicamente para la fabricación de herramientas sencillas utilizadas para el cultivo de la tierra, ahora este elemento químico se utiliza en casi todos los ámbitos de la producción de alta tecnología.

Como escribió Plinio el Viejo. “Los mineros de hierro proporcionan al hombre la herramienta más excelente y más dañina. Porque con este instrumento cortamos la tierra, cultivamos jardines fructíferos y, podando vides silvestres con uvas, las obligamos a crecer jóvenes cada año. Con esta herramienta construimos casas, rompemos piedras y utilizamos hierro para todas esas necesidades. Pero con el mismo hierro hacemos guerras, batallas y robos, y no sólo lo usamos de cerca, sino que lo arrojamos alado a lo lejos, ya desde aspilleras, ya desde manos poderosas, ya en forma de flechas emplumadas. El truco más cruel, en mi opinión, de la mente humana. Porque, para que la muerte sobreviniera más rápidamente al hombre, le hicieron alado y le dieron plumas al hierro. Por esta razón, que la culpa sea atribuida al hombre y no a la naturaleza”. Muy a menudo se utiliza para la fabricación de diversas aleaciones, cuya composición incluye hierro en diferentes proporciones. Las más famosas de estas aleaciones son el acero y el hierro fundido.

La electricidad derrite el hierro

Las propiedades de los aceros son variadas. Hay aceros destinados a una exposición prolongada al agua de mar, aceros que pueden soportar altas temperaturas y la acción agresiva de los gases calientes, aceros con los que se fabrican alambres blandos para atar, aceros para la fabricación de muelles elásticos y rígidos...

Esta variedad de propiedades resulta de la variedad de composiciones del acero. Así, los rodamientos de bolas de alta resistencia se fabrican con acero que contiene un 1% de carbono y un 1,5% de cromo; El acero que contiene 18% de cromo y 89% de níquel es el conocido "acero inoxidable", y las herramientas de torneado se fabrican con acero que contiene 18% de tungsteno, 4% de cromo y 1% de vanadio.

Esta variedad de composiciones de acero dificulta mucho su fundición. Después de todo, en un horno de hogar abierto y en un convertidor la atmósfera se oxida y elementos como el cromo se oxidan fácilmente y se convierten en escoria, es decir, se pierden. Esto significa que para obtener acero con un contenido de cromo del 18%, es necesario introducir en el horno mucho más cromo que 180 kg por tonelada de acero. Y el cromo es un metal caro. ¿Cómo encontrar una salida a esta situación?

A principios del siglo XX se encontró una solución. Se propuso utilizar el calor de un arco eléctrico para fundir metal. Se cargó chatarra en un horno circular, se vertió hierro fundido y se bajaron electrodos de carbono o grafito. Entre ellos y el metal en el horno (“baño”) se formó un arco eléctrico con una temperatura de aproximadamente 4000°C. El metal se derritió fácil y rápidamente. Y en un horno eléctrico tan cerrado se puede crear cualquier atmósfera: oxidante, reductora o completamente neutra. En otras palabras, se puede evitar que se quemen elementos valiosos. Así nació la metalurgia de los aceros de alta calidad.

Más tarde, se propuso otro método de fusión eléctrica: la inducción. Se sabe por la física que si se coloca un conductor metálico en una bobina a través de la cual pasa una corriente de alta frecuencia, se induce una corriente en él y el conductor se calienta. Este calor es suficiente para fundir el metal en un tiempo determinado. Un horno de inducción consta de un crisol con una espiral incrustada en su revestimiento. Una corriente de alta frecuencia pasa a través de la espiral y el metal del crisol se funde. En una estufa de este tipo también puedes crear cualquier atmósfera.

En los hornos de arco eléctrico, el proceso de fundición suele realizarse en varias etapas. Primero, las impurezas innecesarias se queman del metal, oxidándolos (período de oxidación). Luego, la escoria que contiene los óxidos de estos elementos se retira (descarga) del horno y se cargan prealeaciones: aleaciones de hierro con elementos que deben introducirse en el metal. El horno se cierra y la fusión continúa sin acceso de aire (período de recuperación). Como resultado, el acero queda saturado con los elementos necesarios en una cantidad determinada. El metal terminado se vierte en un cucharón y se vierte.

Los aceros, especialmente los de alta calidad, resultaron ser muy sensibles al contenido de impurezas. Incluso pequeñas cantidades de oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, azufre y fósforo perjudican enormemente sus propiedades: resistencia, tenacidad y resistencia a la corrosión. Estas impurezas forman compuestos no metálicos con el hierro y otros elementos contenidos en el acero, que se encajan entre los granos del metal, perjudican su homogeneidad y reducen su calidad. Por lo tanto, con un mayor contenido de oxígeno y nitrógeno en los aceros, su resistencia disminuye, el hidrógeno provoca la aparición de escamas: microgrietas en el metal, que conducen a la destrucción inesperada de las piezas de acero bajo carga, el fósforo aumenta la fragilidad del acero en frío. El azufre causa fragilidad roja: destrucción del acero bajo carga a altas temperaturas.

Los metalúrgicos llevan mucho tiempo buscando formas de eliminar estas impurezas. Después de fundirlo en hornos de hogar abierto, convertidores y hornos eléctricos, el metal se desoxida: se le añade aluminio, ferrosilicio (una aleación de hierro y silicio) o ferromanganeso. Estos elementos se combinan activamente con el oxígeno, flotan en la escoria y reducen el contenido de oxígeno en el acero. Pero todavía queda oxígeno en el acero y, en el caso de los aceros de alta calidad, las cantidades restantes son demasiado grandes. Era necesario encontrar otras formas más eficaces.

En los años 50, los metalúrgicos comenzaron a aspirar acero a escala industrial. Se coloca un cucharón con metal líquido en una cámara desde la que se bombea aire. El metal comienza a hervir violentamente y se liberan gases. Sin embargo, imagine un cucharón con 300 toneladas de acero y calcule cuánto tiempo pasará hasta que hierva por completo y cuánto se enfriará el metal durante este tiempo.

Inmediatamente le quedará claro que este método sólo es adecuado para pequeñas cantidades de acero. Por ello, se han desarrollado otros métodos de vacío más rápidos y eficientes. Ahora se utilizan en todos los países desarrollados y esto ha mejorado la calidad del acero. Pero las demandas sobre ella crecieron y crecieron.

A principios de los años 60 en Kiev, en el Instituto de Soldadura Eléctrica de toda la Unión que lleva su nombre. E. O. Paton desarrolló un método de refundición de acero con electroescoria, que muy pronto comenzó a utilizarse en muchos países. Este método es muy sencillo. Un lingote de metal que necesita ser limpiado se coloca en un recipiente de metal enfriado por agua (un cristalizador) y se llena con escoria de una composición especial. Luego, el lingote se conecta a una fuente de corriente. Se produce un arco eléctrico al final del lingote y el metal comienza a fundirse. El acero líquido reacciona con la escoria y se purifica no solo de óxidos, sino también de nitruros, fosfuros y sulfuros. Un lingote nuevo, libre de impurezas nocivas, se solidifica en el cristalizador. En 1963, por el desarrollo y la implementación del método de refundición de electroescoria, un grupo de trabajadores del Instituto Sindical de Soldadura Eléctrica, encabezados por B.I. Medovar y Yu.V. Latash, recibió el Premio Lenin.

Científicos metalúrgicos del Instituto Central de Investigaciones Científicas de Metalurgia Ferrosa que lleva su nombre. I. P. Bardina. En colaboración con trabajadores de plantas metalúrgicas, desarrollaron un método aún más sencillo. La escoria de una composición especial para limpiar metales se funde y se vierte en un cucharón, y luego el metal se libera del horno a esta escoria líquida. La escoria se mezcla con el metal y absorbe impurezas. Este método es rápido, eficiente y no requiere grandes cantidades de electricidad. Sus autores S.G. Voinov, A.I. Osipov, A.G. Shalimov y otros también recibieron el Premio Lenin en 1966.

Sin embargo, el lector probablemente ya tenga una pregunta: ¿a qué se deben todas estas dificultades? Después de todo, ya hemos dicho que en un horno eléctrico normal se puede crear cualquier atmósfera. Esto significa que simplemente se puede bombear el aire del horno y realizar la fundición al vacío. ¡Pero no se apresure a ir a la oficina de patentes! Este método se ha utilizado durante mucho tiempo en pequeños hornos de inducción y, a finales de los 60 y principios de los 70, comenzó a utilizarse en hornos eléctricos de inducción y de arco bastante grandes. Hoy en día, los métodos de refundición por arco al vacío y por inducción al vacío se han generalizado bastante en los países industrializados.

Aquí hemos descrito solo los principales métodos para limpiar el acero de impurezas nocivas. Hay decenas de sus variedades. Ayudan a los metalúrgicos a eliminar la proverbial mosca del ungüento y obtener metal de alta calidad.

Cómo conseguir hierro sin altos hornos

Ya se ha dicho anteriormente que la metalurgia ferrosa desde el punto de vista de un químico es, por decirlo suavemente, una actividad ilógica. Primero, el hierro se satura con carbono y otros elementos, y luego se gasta mucho trabajo y energía para quemar estos elementos. ¿No es más fácil recuperar inmediatamente el hierro del mineral? Después de todo, esto es exactamente lo que hicieron los antiguos metalúrgicos, que obtenían hierro esponjoso ablandado y caliente en hornos de queso. En los últimos años, este punto de vista ya ha abandonado el escenario de las preguntas retóricas y se basa en proyectos completamente reales e incluso implementados. La extracción de hierro directamente del mineral, sin pasar por el proceso de alto horno, se llevaba a cabo en el siglo pasado. Este proceso se denominó entonces recuperación directa. Sin embargo, hasta hace poco no encontró una amplia distribución. En primer lugar, todos los métodos de reducción directa propuestos resultaron ineficaces y, en segundo lugar, el producto resultante, el hierro esponjoso, era de baja calidad y estaba contaminado con impurezas. Y, sin embargo, los entusiastas continuaron trabajando en esta dirección.

La situación ha cambiado radicalmente desde que el gas natural empezó a utilizarse ampliamente en la industria. Resultó ser un medio ideal para recuperar mineral de hierro. El componente principal del gas natural, el metano CH 4, se descompone por oxidación en presencia de un catalizador en aparatos especiales: reformadores según la reacción 2CH 4 + O 2 → 2CO + 2H 2.

El resultado es una mezcla de gases reductores: monóxido de carbono e hidrógeno. Esta mezcla ingresa al reactor, al que también se alimenta mineral de hierro. Hagamos una reserva de inmediato: las formas y diseños de los reactores son muy diversos. A veces el reactor es un horno tubular giratorio como un horno de cemento, a veces un horno de cuba, a veces una retorta cerrada. Esto explica la variedad de nombres de los métodos de reducción directa: Midrex, Purofer, Ohalata-i-Lamina, SL-RN, etc. El número de métodos ya supera las dos docenas. Pero su esencia suele ser la misma. El rico mineral de hierro se reduce con una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno.

¿Pero qué hacer con los productos resultantes? No sólo se puede forjar una buena hacha con hierro esponjoso, sino que no se puede forjar un buen clavo. No importa cuán rico sea el mineral original, aún así no producirá hierro puro. Según las leyes de la termodinámica química, ni siquiera será posible restaurar todo el hierro contenido en el mineral; Una parte aún permanecerá en el producto en forma de óxidos. Y aquí viene en nuestra ayuda un amigo probado: un horno eléctrico. El hierro esponja resulta ser una materia prima casi ideal para la electrometalurgia. Contiene pocas impurezas nocivas y se derrite bien.

De nuevo, ¡un proceso de dos pasos! Pero esta es una manera diferente. La ventaja del sistema de horno eléctrico de reducción directa es su bajo coste. Las plantas de reducción directa son significativamente más baratas y consumen menos energía que los altos hornos. Este tipo de tecnología de fabricación de acero sin explosiones se incorporó al proyecto de la Planta Electrometalúrgica de Oskol.

En nuestro país, cerca de Stary Oskol, se está construyendo una gran planta metalúrgica que funcionará exactamente según este esquema. Su primera etapa ya se ha puesto en funcionamiento. Tenga en cuenta que la refundición directa no es la única forma de utilizar hierro esponjoso en metalurgia ferrosa. También se puede utilizar en lugar de chatarra en hornos de solera abierta, convertidores y hornos eléctricos.

El método de refundir hierro esponjoso en hornos eléctricos se está extendiendo rápidamente en el extranjero, especialmente en países con grandes reservas de petróleo y gas natural, es decir, en los países de América Latina y Oriente Medio. Sin embargo, basándose en estas consideraciones (la disponibilidad de gas natural), todavía no hay motivos para creer que el nuevo método alguna vez reemplazará por completo al método tradicional de dos etapas de alto horno, unidad de fundición de acero.

El futuro del hierro

La Edad del Hierro continúa. Aproximadamente el 90% de todos los metales y aleaciones utilizados por la humanidad son aleaciones a base de hierro. El hierro se funde en el mundo aproximadamente 50 veces más que el aluminio, sin mencionar otros metales. ¿Plástica? Pero hoy en día, la mayoría de las veces desempeñan un papel independiente en diversas estructuras y, si, según la tradición, intentan introducirlos en el rango de "sustitutos insustituibles", con mayor frecuencia reemplazan a los metales no ferrosos, no a los ferrosos. unos. Sólo un pequeño porcentaje de los plásticos que consumimos reemplazan al acero.

Las aleaciones a base de hierro son universales, tecnológicamente avanzadas, accesibles y baratas a granel. La materia prima de este metal tampoco es motivo de preocupación: las reservas de mineral de hierro ya exploradas serían suficientes para al menos dos siglos más. El hierro seguirá siendo la base de la civilización durante mucho tiempo.

DEFINICIÓN

Hierro- elemento del cuarto período del grupo VIII del subgrupo secundario (B) de la tabla periódica. Designación – Fe. En su forma simple, el hierro es un metal de color blanco plateado.

La densidad es 7,87 g/cm3. Punto de fusión 1539 o C, punto de ebullición 3200 o C. El hierro tiene varias modificaciones. Hasta 769 o C, el hierro α con una red cúbica centrada en el cuerpo y propiedades ferromagnéticas es estable. A 769 o C se produce una transición al hierro β (la estructura cristalina es la misma, paramagnética). A 910 o C se forma hierro γ con una red cristalina centrada en las caras. Propiedades paramagnéticas. A 1400 o C y hasta el punto de fusión: hierro δ con una red cúbica centrada en el cuerpo.

Estado de oxidación del hierro en compuestos.

El hierro puede existir en forma de una sustancia simple: un metal, y el estado de oxidación de los metales en estado elemental es igual a cero, ya que la distribución de la densidad electrónica en ellos es uniforme.

El hierro se caracteriza por estados de oxidación. (+2) Y (+3) : Fe +2 O, Fe +3 2 O 3, Fe +2 (OH) 2, Fe +3 (OH) 3, Fe +2 Cl 2, Fe +3 Cl 3, Fe +2 SO 4, Fe +3 2 (entonces 4) 3 .

Compuestos de hierro conocidos con estado de oxidación. (+6) , se denominan “ferratos” (K 2 Fe +6 O 4).

Ejemplos de resolución de problemas

EJEMPLO 1

EJEMPLO 2