Compuesto químico más importante: óxido de hierro (III)

Historia y Descubrimiento

El óxido de hierro(III), comúnmente conocido como hematita en su forma mineral, constituye la principal variedad de mineral de hierro, contribuyendo significativamente a la industria del hierro. Coloquialmente referido como óxido cuando se denota la corrosión de objetos de hierro, el óxido de hierro(III) desempeñó un papel fundamental en la historia humana, marcando el final de las tres etapas arqueológicas prehistóricas tras las Edades de Piedra y Bronce. El inicio de la Edad del Hierro, variando en diferentes regiones geográficas, representó un período de evolución tecnológica. Evidencias de Egipto y el Cercano Oriente indican la aparición de objetos de hierro fundido poco después del 2000 a.C., con objetos de hierro crudo emergiendo incluso antes. La utilización de hierro de meteoritos precede a estos desarrollos. En Europa central, la temprana Edad del Hierro comenzó alrededor del 800 a.C., mientras que la introducción de hierro fundido en las Américas ocurrió con la llegada de exploradores y colonos europeos.

El proceso de fundición implica crucialmente la reducción del hierro oxidado en el mineral de hierro a hierro elemental. Lograr hierro elemental requiere calentar el mineral portador de hierro con carbono, lo que conduce a la separación del oxígeno del hierro, que luego se une con carbono. El monóxido de carbono, generado por la quema de carbón vegetal o coque, sirve como agente reductor, reaccionando con los compuestos de óxido de hierro para producir hierro elemental. La producción de hierro a partir de óxido de hierro(III) puede expresarse de manera sucinta como:

El carbono también puede actuar directamente como agente reductor, según la ecuación: Fe2O3(l) + 3C(s) → 2Fe(l) + 3CO(g). La eliminación de impurezas como sílice, calcio y aluminio se produce mediante la introducción de piedra caliza u otros agentes en el proceso, lo que hace que las impurezas floten en la parte superior como escoria.

El producto inicial de la fundición, el arrabio, posee un contenido de carbono del 3 al 5%, altos niveles de impurezas y fragilidad, constituyendo aproximadamente el 90% de hierro. El término "arrabio" se deriva de los moldes de arena paralelos alimentados por un corredor común desde el horno, que se asemejan a lechones lactantes. Para transformar el arrabio en hierro y acero utilizables, es imperativo un procesamiento adicional, que implica una reducción en el contenido de carbono e impurezas. El hierro colado, similar al arrabio, exhibe un contenido de carbono entre el 2% y el 4%, con dureza y fragilidad. El acero, con un contenido de carbono intermedio entre el 0,2% y el 2%, se somete a aleaciones con varios metales para producir diversos tipos. Por ejemplo, el acero inoxidable incorpora cromo y níquel, mientras que el acero de alto carbono, con un contenido de carbono de aproximadamente el 1,5%, es un material resistente para herramientas de corte. El hierro forjado, casi hierro puro con un contenido de carbono por debajo del 0,2%, combina suavidad y maleabilidad con una resistencia estructural limitada.

La hematita, que constituye el 70% de hierro, sirve como forma mineral de óxido de hierro(III) y sigue siendo una fuente predominante de mineral de hierro a nivel mundial. La hematita, conocida por su color rojo sangre en polvo, tiene asociaciones históricas con batallas y el derramamiento de sangre en la tierra. Además, se han identificado grandes depósitos de hematita en Marte.

Producción y Aplicación

En el proceso de producción de hierro, los minerales de hierro sufren reducción para obtener metal de hierro, mientras que el proceso inverso ocurre cuando los metales de hierro sufren oxidación, lo que resulta en la formación de óxidos de hierro, comúnmente conocidos como óxído. El óxido de hierro(III), principalmente la herrumbre, no se produce mediante la combinación directa de hierro y oxígeno, sino que implica un proceso de oxidación electroquímica. La formación de herrumbre requiere tanto oxígeno como agua, como se ejemplifica con la observación de automóviles en climas secos y objetos de hierro recuperados de agua anóxica. Los vehículos y barcos expuestos a estas condiciones muestran una herrumbre mínima, ya que los primeros carecen de agua y los segundos carecen de oxígeno.

Las reacciones electroquímicas en un trozo de hierro o acero conducen a la formación de óxido de hierro(III). Los metales de hierro muestran irregularidades menores tanto en composición como en estructura física, lo que da lugar a regiones anódicas y catódicas involucradas en la formación de herrumbre. Durante el proceso de oxidación, el hierro se oxida en el ánodo, siguiendo la reacción: Fe(s) → Fe2+ + 2e−. Los electrones generados por esta reacción fluyen a través del metal hacia un área donde el oxígeno se reduce según la reacción: O2(g) + 4H+(aq) + 4e− → 2H2O(l). Los iones de hidrógeno en esta reacción son suministrados principalmente por el ácido carbónico de la disolución del dióxido de carbono atmosférico en agua, que actúa como electrolito conectando las regiones anódicas y catódicas. Los iones de hierro, Fe2+, migran a través del electrolito, oxidándose aún más a Fe3+ por el oxígeno disuelto en el agua. El óxido de hierro(III) se forma en el cátodo.

El agua actúa como electrolito facilitando la migración de iones de hierro, explicando por qué los vehículos en regiones que utilizan sales viales para derretir el hielo en invierno experimentan una corrosión acelerada debido a una mayor conductividad del electrolito. La mayoría de los metales sufren algún tipo de corrosión, excepto los metales nobles como el oro, el platino y el paladio. Metales como el aluminio y el zinc tienen una mayor tendencia que el hierro a oxidarse, pero la capa de óxido formada en estos metales actúa como una barrera protectora. A diferencia del óxido de hierro(III), que es altamente poroso y no logra proteger el metal subyacente de una mayor corrosión.

Se emplean varios métodos para mitigar y prevenir la corrosión, siendo uno de los enfoques más prevalentes la aplicación de pintura en materiales de hierro. Esta medida protectora protege los metales de los efectos perjudiciales de la exposición al agua y al oxígeno. La aleación del hierro con otros metales representa otra estrategia efectiva para la reducción de la corrosión; ejemplificando esto está el acero inoxidable, una aleación compuesta de hierro y cromo. Además, se puede aplicar un revestimiento protector de otro metal para salvaguardar el hierro, un proceso conocido como galvanización. En la galvanización, se aplica una capa de zinc para proteger el metal subyacente, aprovechando el hecho de que el zinc, al ser un metal más activo, se oxida preferiblemente al hierro.

La protección catódica es una técnica ampliamente empleada para proteger objetos de hierro, aplicada notablemente en escenarios como tanques de almacenamiento subterráneos, cascos de barcos, puentes y tuberías enterradas. Este método implica conectar objetos de hierro a un metal más activo, un proceso conocido como protección catódica. El magnesio se utiliza con frecuencia en la protección catódica, donde se conecta a un objeto de hierro, lo que resulta en que el magnesio, en lugar del hierro, actúe como ánodo en el proceso de oxidación. En esta forma de protección, las barras de magnesio se conectan directamente o a través de alambre a la estructura de hierro. El metal conectado al hierro, que se corroe con el tiempo, se denomina ánodo sacrificado. Sin embargo, para mantener la eficacia protectora, los ánodos sacrificados deben reemplazarse eventualmente. La química fundamental subyacente a la protección catódica se representa en la Figura.

Referencia

Richard L. Myers (2009). Los 100 Compuestos Químicos Más Importantes: Una Guía de Referencia. Greenwood Publishing Group. 1 de octubre de 2009. https://doi.org/10.1021/ed086p1182