Una de las reacciones más importantes del Fe, es la obtención de éste mismo, debido a que a partir de ésta, se llevan a cabo diferentes reacciones, hasta llegar a su obtención.
El hierro se obtiene a partir de sus óxidos mediante un proceso de reducción química que lleva a cabo en un gran horno llamado alto horno. La reducción la produce el coque (carbón mineral) incandescente, que también sirve para proporcionar el calor necesario para fundir el hierro. El producto obtenido es un hierro con mucho carbón y los otros elementos como el azufre, silicio y fósforo. Este producto recibe el nombre de arrabio, que es la materia prima más importante para fabricar el acero.
El arrabio solidificado recibe el nombre de lingote de alto horno, lingote de hierro o simplemente lingote, es frágil y no resiste a ningún tipo de esfuerzos. Se transforma en acero disminuyendo su contenido y otras impurezas.
El hierro pertenece a la familia de los metales reactivos. Por lo tanto, se encuentra en la corteza terrestre formando parte de diferentes minerales: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), pirita (FeS2). El alto horno es una estructura construida en acero revestida con ladrillos refractarios de grandes dimensiones, y puede tener una altura de hasta 60 m y un diámetro de alrededor de 8 m. ¿Cómo funciona? Por la parte superior de la torre se introducen los minerales de hierro en forma de pellets (pequeñas «piedras»), carbón o coque y piedra caliza (CaCO3) como fundente. Desde la parte inferior se agrega aire caliente. La parte superior del horno tiene una temperatura de 250 °C, en la parte central la temperatura es de 900 a 1200 °C y la base del horno llega a los 1700 °C. El gradiente de temperatura permite que se desarrollen diferentes reacciones, que son las siguientes:
Formación de los agentes reductores
C (s) + CO
2 (g) → 2 CO (g) (temperatura > 1700 °C)
2 C (s) + O
2 (g) → 2 CO (g) (temperatura > 1700 °C)
Al descender desde la parte superior el carbón o coque reacciona con el oxígeno del aire insuflado desde la parte inferior del horno y se forma CO(g), este gas es el agente reductor.
Reducción de los minerales de hierro
3 CO (g) + Fe
2O
3 (s) → 2 Fe (l) + 3 CO
2 (g) (temperatura > 900 °C)
Los minerales de hierro (óxidos) se reducen formando el metal. Debido a las altas temperaturas que se alcanzan en el horno, este se obtiene fundido. El hierro obtenido se denomina arrabio, contiene un 95% de Fe, 3-4% de C y cantidades variables de otras impurezas.
Formación de escoria para eliminar las impurezas de la mena
CaCO
3 (s) → CaO (s) + CO
2 (g) (temperatura: 800-900 °C)
CaO (s) + SiO
2 (s) → CaSiO
3 (l) (temperatura: 1200 °C)
6 CaO (s) + P
4O
10 (s) → 2 Ca
3(PO
4)
2 (l) (temperatura: 1200 °C)
La piedra caliza (CaCO3) se agrega como fundente y ayuda a que se forme la escoria (silicatos y fosfatos de calcio) y que esta funda fácilmente. La escoria que se obtiene como subproducto se destina a la industria cementera.
Formación de impurezas en el hierro
MnO (s) + C (s) → Mn (l)+ CO (g) (temperatura: 1400 °C)
SiO
2 (s) + 2 C (s) → Si (l) + 2 CO (g) (temperatura: 1400 °C)
P
4O
10 (s) + 10 C (s) → 4 P (l) + 10 CO (g) (temperatura: 1400 °C)
Los minerales de hierro contienen diferentes cantidades de impurezas que también reaccionan y se incorporan en ciertas proporciones al hierro fundido.
OTRA REACCIÓN IMPORTANTE ES LA OXIDACIÓN DEL HIERRO
Esto es debido a una reacción redox (oxidación- reducción), en la que se intercambian electrones entre los reactivos de forma que hacen cambiar sus estados de oxidación. En toda reacción redox hay una sustancia que se oxida perdiendo electrones y que es el agente reductor y una sustancia que se reduce ganando electrones y que es el oxidante. Esto es lo que ocurre con los objetos de hierro que se encuentran expuestos a la humedad y el aire. Cuando pasa un tiempo observamos que se ha formado una delgada capa de óxido de hierro. Entonces decimos que se ha oxidado.
La reacción global redox sería: 2 Fe + 3 O
2 = 2 Fe
2O
3
Aquí los elementos Fe y O
2 tienen nº de oxidación cero. El hierro se oxida perdiendo electrones y pasando a nº de oxidación +3, mientras que el oxígeno se reduce ganado electrones y pasando a nº de oxidación -2.
El hierro se oxidaría también en una atmósfera de cloro o azufre. La humedad actuaría como catalizador de la reacción, y es por eso que los objetos de hierro se oxidan más y antes en las zonas costeras que en las zonas del interior.
Sulfato de Cobre reaccionado con Hierro (Redox)
Y algo sobre formación de sulfuro de hierro...
*ALDABE, S. ARAMENDÍA, P. y LACREAU, L. Química I. Fundamentos. Colihue. Buenos Aires: 1999.
*CHACÓN, L. Tecnología Mecánica I. Ed. Limusa. México: 2002. Pág 34.
