Capítulo XXVII

LA FAMILIA DEL HIERRO

=================================================================== SÍMBOLO APROXIMADO PESO ATÓMICO DENSIDAD PUNTO DE FUSIÓN ÓXIDOS Hierro Fe 55.9 7.93 1800 °C FeO, Fe{2}O{3} Cobalto Co 59.0 8.55 1800 °C CoO, Co{2}O{3} Níquel Ni 58.7 8.9 1600 °C NiO, Ni{2}O{3} ===================================================================

~La familia.~ Los elementos hierro, cobalto y níquel forman un grupo en la octava columna de la tabla periódica. Los pesos atómicos de los tres son muy cercanos entre sí, y no se observa la misma gradación gradual en las propiedades de estos elementos que se nota en las familias cuyos pesos atómicos difieren considerablemente en magnitud. Los elementos son muy similares en sus propiedades, siendo la semejanza tan grande en el caso del níquel y el cobalto que es difícil separarlos mediante análisis químico.

Los elementos se encuentran en la naturaleza principalmente como óxidos y sulfuros, aunque se han hallado en muy pequeñas cantidades en estado nativo, usualmente en meteoritos. Sus sulfuros, carbonatos y fosfatos son insolubles en agua, mientras que otras sales comunes son solubles. Sus sales suelen ser muy coloridas: las de hierro son por lo general amarillas o verde claro, las de níquel son de un verde más oscuro, mientras que las sales de cobalto suelen ser de color rosado. Los metales se obtienen reduciendo los óxidos con carbono.

HIERRO

~Ocurrencia.~ El elemento hierro es conocido desde hace mucho tiempo, ya que sus minerales son muy abundantes y no es difícil preparar el metal a partir de ellos en condiciones bastante puras. Se encuentra en la naturaleza en muchas formas de combinación: en grandes depósitos como óxidos, sulfuros y carbonatos, y en menores cantidades en una gran variedad de minerales. De hecho, muy pocas rocas o suelos están libres de pequeñas cantidades de hierro, y este es asimilado por plantas y animales, desempeñando un papel importante en los procesos vitales.

~Metalurgia.~ Será conveniente tratar la metalurgia del hierro bajo dos apartados: Materiales empleados y Proceso.

~Materiales empleados.~ En la metalurgia del hierro se utilizan cuatro materiales distintos:

1. Mineral de hierro. Los minerales más frecuentemente empleados en la metalurgia del hierro son los siguientes:

Hematita Fe{2}O{3}. Magnetita Fe{3}O{4}. Siderita FeCO{3}. Limonita 2Fe{2}O{2}.3H{2}O.

Estos minerales siempre contienen impurezas, como sílice, sulfuros y materiales terrosos. Todos los minerales, con excepción de los óxidos, se tuestan primero para expulsar el agua y el dióxido de carbono presentes y convertir cualquier sulfuro en óxido.

2. Carbono. El carbono en alguna forma es necesario tanto como combustible como agente reductor. Antiguamente se utilizaba carbón vegetal para suministrar el carbono, pero actualmente se emplea casi universalmente carbón antracita o coque.

3. Aire caliente. Para mantener la alta temperatura requerida para la reducción del hierro es necesaria una combustión muy activa del combustible. Esto se logra forzando una fuerte corriente de aire caliente en la parte inferior del horno durante el proceso de reducción.

4. Fundente. (a) Propósito del fundente. Todos los materiales que ingresan al horno deben salir de él nuevamente, ya sea en forma de gases o como líquidos. El hierro se extrae como metal líquido después de su reducción. Para lograr la eliminación de la materia terrosa cargada en el horno junto con el mineral, se agregan materiales a la carga que, a la alta temperatura del horno, se combinan con las impurezas del mineral formando un líquido. El material añadido con este propósito se llama fundente; el líquido producido a partir del fundente y el mineral se llama escoria.

(b) Función de la escoria. Si bien el objetivo principal de añadir fundente a la carga es eliminar del horno en forma de escoria líquida las impurezas originalmente presentes en el mineral, la escoria así producida cumple varias funciones adicionales. Mantiene el contenido del horno en estado de fusión, evitando así obstrucciones, y permite que las pequeñas gotas de hierro se unan con mayor facilidad en una gran masa líquida.

(c) Naturaleza de la escoria. La escoria es en realidad una especie de vidrio fácilmente fusible, siendo esencialmente un silicato de calcio y aluminio. El mineral suele contener sílice y algunos compuestos de aluminio, por lo que se añade caliza (que también contiene algo de sílice y aluminio) para aportar el calcio necesario para la escoria. Si el mineral y la caliza no contienen suficiente sílice y aluminio para la formación de la escoria, estos ingredientes se agregan en forma de arena y feldespato. En la formación de la escoria a partir de estos materiales, el mineral se libera de la sílice y el aluminio que contenía.

~Proceso.~ La reducción del hierro se lleva a cabo en grandes torres llamadas altos hornos. El alto horno (Fig. 85) suele tener unos 24 metros de altura y 6 metros de diámetro interno en su parte más ancha, estrechándose algo tanto hacia la parte superior como hacia la inferior. Las paredes están construidas de acero y revestidas con ladrillo refractario. La base está provista de varias tuberías T, llamadas toberas, a través de las cuales se puede forzar aire caliente al interior del horno. Las toberas se alimentan desde una gran tubería S, que rodea el horno como un cinturón. La base también tiene una abertura M, por la que se puede extraer el metal líquido de vez en cuando, y una segunda abertura P, algo por encima de la primera, por la que se desborda el exceso de escoria. La parte superior está cerrada por una trampilla móvil C y C, llamada el cono, y por ahí se introducen los materiales a utilizar. Los gases producidos por la combustión del combustible y la reducción del mineral, junto con el nitrógeno del aire forzado a través de las toberas, escapan por tuberías D, llamadas bajantes, que salen del horno cerca de la parte superior. Estos gases están muy calientes y contienen sustancias combustibles, principalmente monóxido de carbono; por lo tanto, se utilizan como combustible para los motores y también para calentar el aire que se introduce por las toberas. La parte inferior del horno suele estar equipada con una camisa de agua. Esta consiste en una serie de tuberías W incorporadas en las paredes, a través de las cuales se puede hacer circular agua para reducir su temperatura.

Las cargas, compuestas de coque (o carbón antracita), mineral y fundente en proporciones adecuadas, se introducen en el horno a intervalos a través de la trampilla superior. El coque arde intensamente en la corriente de aire caliente, produciendo un calor intenso y formando monóxido de carbono. El mineral, descendiendo en el horno a medida que el coque se quema, se calienta mucho y, por la acción reductora combinada del carbono y el monóxido de carbono, finalmente se reduce a metal y se recoge como líquido en el fondo del horno, flotando la escoria sobre el hierro fundido. Después de que se ha acumulado una cantidad considerable de hierro, la escoria se extrae por la abertura P. El hierro fundido se extrae entonces en grandes cucharas y se lleva a los convertidores para la fabricación de acero, o se vierte en moldes de arena, formando las barras o lingotes llamados "arrabio". El proceso es continuo, y una vez iniciado se mantiene en operación durante meses o incluso años sin interrupción.

Parece probable que el primer producto de la combustión del carbono, en el punto donde las toberas ingresan al horno, sea dióxido de carbono. Este es reducido de inmediato a monóxido de carbono por el carbono intensamente caliente presente, de modo que no se puede encontrar dióxido de carbono en ese punto. Por razones prácticas, por lo tanto, podemos considerar que el monóxido de carbono es el primer producto de la combustión.

~Variedades de hierro.~ El hierro comercial nunca es puro, sino que contiene cantidades variables de otros elementos, como carbono, silicio, fósforo, azufre y manganeso. Estos elementos pueden estar aleados con el hierro o combinados con él en forma de compuestos químicos definidos. En algunos casos, como en el de la grafito, la mezcla puede ser meramente mecánica.

Las propiedades del hierro se modifican mucho por la presencia de estos elementos y por la forma de combinación entre ellos y el hierro; la manera en que el metal se trata durante su preparación también tiene una influencia notable en sus propiedades. Debido a estos hechos, en el comercio se reconocen muchas clases de hierro, siendo las principales el hierro colado, el hierro forjado y el acero.

~Hierro colado.~ El producto del alto horno, preparado como se ha descrito, se llama hierro colado. Su composición varía considerablemente, conteniendo usualmente entre 90 y 95% de hierro, siendo el resto principalmente carbono y silicio, con menores cantidades de fósforo y azufre. Cuando el metal fundido del alto horno se deja enfriar rápidamente, la mayor parte del carbono permanece en combinación química con el hierro, y el producto se llama hierro colado blanco. Si el enfriamiento es lento, el carbono se separa parcialmente en forma de láminas de grafito que quedan dispersas en el metal. Este producto es más blando y de color más oscuro, y se llama hierro colado gris.

Propiedades del hierro fundido. El hierro fundido es duro, quebradizo y se funde con relativa facilidad (punto de fusión alrededor de 1100 °C). No puede ser soldado ni forjado en forma, pero se moldea fácilmente en moldes de arena. Es fuerte y rígido, pero no elástico. Se utiliza para fabricar piezas fundidas y en la elaboración de otros tipos de hierro. El hierro fundido que contiene hasta un 20% de manganeso, junto con aproximadamente un 3% de carbono, se llama hierro spiegel; cuando hay más manganeso presente, el producto se denomina ferromanganeso. El ferromanganeso puede contener hasta un 80% de manganeso. Estas variedades de hierro fundido se emplean mucho en la fabricación de acero.

Hierro forjado. El hierro forjado se obtiene eliminando del hierro fundido la mayor parte del carbono, silicio, fósforo y azufre que contiene. Este proceso se denomina pudelado y se realiza en un horno construido como se muestra en la Fig. 86. El piso del horno F es algo cóncavo y está hecho de hierro cubierto con una capa de óxido de hierro. Una llama larga, producida por la combustión de combustible en la parrilla G, se dirige hacia abajo sobre los materiales colocados en el piso, y la corriente de aire se mantiene mediante la chimenea S. A es la caja de cenizas y T una trampa para recoger las partículas sólidas arrastradas hacia la chimenea por la corriente de aire. Sobre el piso del horno se coloca la carga de hierro fundido, junto con una pequeña cantidad de material para formar una escoria. El hierro se funde pronto por la llama dirigida sobre él, y el azufre, fósforo y silicio se oxidan por el óxido de hierro, formando óxidos que son anhídridos de ácidos. Estos se combinan con el fundente, que es de carácter básico, o con el óxido de hierro, para formar una escoria. El carbono también se oxida y escapa como dióxido de carbono. A medida que el hierro se libera de otros elementos, se vuelve pastoso, debido al mayor punto de fusión del hierro más puro, y en este estado forma pequeños grumos que se agrupan en uno mayor. El gran grumo se retira entonces del horno y se lamina o martilla en barras, exprimiendo la escoria en este proceso. El producto tiene una estructura fibrosa o estriada. El producto de un horno de pudelado se llama hierro forjado.

Propiedades del hierro forjado. El hierro forjado es hierro casi puro, que generalmente contiene alrededor de un 0.3% de otras sustancias, principalmente carbono. Es tenaz, maleable y de estructura fibrosa. Se dobla fácilmente y no es elástico, por lo que no soporta la presión tan bien como el hierro fundido. Puede estirarse en alambre de gran resistencia a la tracción y también puede laminarse en hojas delgadas (hojalata). Se funde a una temperatura elevada (alrededor de 1600 °C) y, por lo tanto, se forja en forma en lugar de fundirse. Si se fundiera, perdería su estructura fibrosa y se convertiría en un acero de bajo carbono.

Acero. El acero, al igual que el hierro forjado, se obtiene eliminando del hierro fundido parte del carbono, silicio, fósforo y azufre que contiene; pero el proceso se realiza de manera muy diferente y, por lo general, aunque no siempre, el acero contiene más carbono que el hierro forjado. Se emplean varios procesos, pero casi todo el acero comercial se fabrica mediante uno de los dos métodos siguientes.

1. Proceso Bessemer. Este proceso, inventado alrededor de 1860, es con mucho el más importante. Se realiza en grandes crisoles con forma de huevo llamados convertidores (Fig. 87), cada uno de los cuales puede contener hasta 15 toneladas de acero. El convertidor está construido de acero y revestido con sílice. Está montado sobre muñones T, de modo que puede inclinarse de lado para llenarlo y vaciarlo. Uno de los muñones es hueco y un tubo P lo conecta con una cámara de aire A, que forma un falso fondo en el convertidor. El fondo verdadero está perforado, de modo que se puede forzar aire mediante una corriente admitida a través del muñón y la cámara de aire.

Hierro fundido líquido al rojo blanco proveniente de un alto horno se vierte en el convertidor a través de su abertura superior en forma de cuello O, inclinando el convertidor para recibirlo; luego se activa la corriente de aire y el convertidor se gira hasta una posición casi vertical. Los elementos del hierro se oxidan rápidamente, primero el silicio y luego el carbono. El calor liberado en la oxidación, debido en gran parte a la combustión del silicio, mantiene el hierro en estado fundido. Cuando el carbono se ha quemado prácticamente por completo, se añade hierro fundido o hierro spiegel, que contiene un porcentaje conocido de carbono, y se mezcla bien con el fluido. El acero se vierte entonces en moldes, y los lingotes así formados se martillan o laminan en rieles u otras formas. Por este proceso se puede añadir al acero cualquier porcentaje deseado de carbono. El acero de bajo carbono, que no difiere mucho del hierro forjado en composición, se fabrica ahora de este modo y está reemplazando al hierro forjado más costoso para muchos usos.

El proceso de revestimiento básico. Cuando el hierro fundido contiene cantidades apreciables de fósforo y azufre, el revestimiento del convertidor se hace de dolomita. El silicio y el carbono se queman, seguidos por el fósforo y el azufre, y los anhídridos de ácidos así formados se combinan con los óxidos básicos del revestimiento, formando una escoria. Esto se conoce como el proceso de revestimiento básico.

2. Proceso de hogar abierto. En este proceso se utiliza un horno muy similar al de pudelado, pero revestido con sílice o dolomita en lugar de óxido de hierro. Una carga compuesta en parte de chatarra de hierro de cualquier tipo y en parte de hierro fundido se funde en el horno mediante una llama de gas. El silicio y el carbono se queman lentamente, y cuando una prueba muestra que está presente el porcentaje deseado de carbono, el acero se extrae del horno. Por lo tanto, el acero puede definirse como el producto de los procesos Bessemer o de hogar abierto.

Propiedades del acero. El acero Bessemer y de hogar abierto suele contener solo unas décimas de porcentaje de carbono, menos de 0.1% de silicio y una cantidad mucho menor de fósforo y azufre. Cualquier cantidad considerable de estos últimos elementos vuelve quebradizo al acero, afectándolo el azufre cuando está caliente y el fósforo cuando está frío. Este tipo de acero se utiliza para fines estructurales, para rieles y para casi todos los artículos grandes de acero. Es duro, maleable, dúctil y se funde a una temperatura más baja que el hierro forjado. Puede forjarse en forma, laminarse en hojas o fundirse en moldes.

Relación entre las tres variedades de hierro. Se observa que el hierro forjado suele ser hierro casi puro, mientras que el acero contiene una cantidad apreciable de material de aleación, principalmente carbono, y el hierro fundido aún más de estas mismas sustancias. Sin embargo, es imposible asignar una muestra dada de hierro a una de estas tres clases solo en base a su composición química. Por ejemplo, un acero de bajo carbono puede contener menos carbono que una muestra determinada de hierro forjado. La verdadera diferencia entre los tres es el proceso por el cual se fabrican. El producto del alto horno es hierro fundido; el del horno de pudelado es hierro forjado; el de los métodos Bessemer y de hogar abierto es acero.

Acero para herramientas. El acero destinado a la fabricación de herramientas de corte y artículos similares debe estar relativamente libre de silicio y fósforo, pero debe contener entre 0.5 y 1.5% de carbono. El porcentaje de carbono debe regularse según el uso exacto que se le dará al acero. El acero de este tipo suele fabricarse en pequeñas cantidades a partir de acero Bessemer o de hogar abierto de la siguiente manera.

Se coloca una carga de acero fundido en un gran crisol y se añade la cantidad calculada de carbono puro. El carbono se disuelve en el acero y, cuando la disolución es completa, el metal se vierte fuera del crisol. A esto se le llama a veces acero de crisol.

Temple del acero. El acero que contiene entre 0.5 y 1.5% de carbono se caracteriza por la propiedad de "tomar temple". Cuando el acero caliente se enfría bruscamente sumergiéndolo en agua o aceite, se vuelve muy duro y quebradizo. Al recalentar cuidadosamente esta forma dura, se vuelve gradualmente menos quebradizo y más blando, de modo que regulando la temperatura a la que se recalienta el acero durante el temple se puede obtener casi cualquier grado de temple requerido para un propósito determinado, como la fabricación de resortes o herramientas de corte.

Aleaciones de acero. Se ha descubierto que pequeñas cantidades de varios elementos diferentes, cuando se alean con el acero, mejoran mucho su calidad para ciertos fines, teniendo cada elemento un efecto algo diferente. Entre los elementos más utilizados en este sentido están el manganeso, silicio, cromo, níquel, tungsteno y molibdeno.

El método habitual para añadir estos elementos al acero es preparar primero una aleación muy rica de hierro con el elemento que se va a añadir y luego agregar suficiente de esta aleación a una gran cantidad de acero para obtener la composición deseada. Una aleación rica de hierro con manganeso o silicio puede prepararse directamente en un alto horno y se denomina ferromanganeso o ferrosilicio. Aleaciones similares de hierro con los otros elementos mencionados se fabrican en un horno eléctrico, reduciendo los óxidos mezclados con carbono.

Hierro puro. El hierro perfectamente puro rara vez se prepara y no es apto para usos comerciales. Puede obtenerse reduciendo óxido de hierro puro en una corriente de hidrógeno a alta temperatura. Preparado de esta manera, forma un polvo negro; cuando se funde, se convierte en un metal blanco-plateado que es menos fusible y más maleable que el hierro forjado. Es fácilmente atacado por el aire húmedo.

Compuestos del hierro. El hierro se diferencia de los metales estudiados hasta ahora en que es capaz de formar dos series de compuestos en los que el hierro presenta dos valencias diferentes. En una de las series, el hierro es divalente y forma compuestos que, en sus fórmulas y muchas de sus propiedades químicas, son similares a los compuestos correspondientes del zinc. También puede actuar como un metal trivalente, y en esta condición forma sales similares a las del aluminio. Aquellos compuestos en los que el hierro es divalente se conocen como compuestos ferrosos, mientras que los que son trivalentes se conocen como férricos.

Óxidos de hierro. El hierro forma varios óxidos. El óxido ferroso (FeO) no se encuentra en la naturaleza, pero puede prepararse artificialmente en forma de un polvo negro que fácilmente capta oxígeno, formando óxido férrico:

2FeO + O = Fe{2}O{3}.

El óxido férrico es el mineral de hierro más abundante y se encuentra en grandes depósitos, especialmente en la región del Lago Superior. Se presenta en muchas variedades minerales que varían en densidad y color, siendo la más abundante la hematita, que va del rojo al negro casi total. Cuando se prepara por procesos químicos, forma un polvo rojo que se utiliza como pigmento para pintura (rojo veneciano) y como polvo para pulir (rouge).

La magnetita tiene la fórmula Fe{3}O{4} y es una combinación de FeO y Fe{2}O{3}. Es un mineral muy valioso, aunque menos abundante que la hematita. A veces se le llama óxido magnético de hierro o piedra imán, ya que es un imán natural.

Sales ferrosas. Estas sales se obtienen disolviendo hierro en el ácido apropiado o, cuando son insolubles, por precipitación. Generalmente son de color verde claro y cristalizan bien. En las reacciones químicas son bastante similares a las sales de magnesio y zinc, pero difieren de ellas en un aspecto importante: se transforman fácilmente en compuestos en los que el metal es trivalente. Así, el cloruro ferroso tratado con cloro o agua regia se convierte en cloruro férrico:

FeCl{2} + Cl = FeCl{3}.

El hidróxido ferroso expuesto al aire húmedo se transforma rápidamente en hidróxido férrico:

2Fe(OH){2} + H{2}O + O = 2Fe(OH){3}.

Sulfato ferroso (caparrosa, vitriolo verde) (FeSO{4}.7H{2}O). El sulfato ferroso es el compuesto ferroso más conocido. Se prepara comercialmente como subproducto en las fábricas de planchas de acero. Las planchas de acero se limpian mediante la acción del ácido sulfúrico diluido, y en el proceso parte del hierro se disuelve. Los líquidos se concentran y el vitriolo verde se separa de ellos.

Sulfuro ferroso (FeS). El sulfuro ferroso se encuentra a veces en la naturaleza como un mineral cristalino de color amarillo dorado. Se forma como un precipitado negro cuando se mezclan en solución un sulfuro soluble y una sal de hierro:

FeSO{4} + Na{2}S = FeS + Na{2}SO{4}.

También puede obtenerse como un sólido pesado de color marrón oscuro fundiendo las cantidades necesarias de azufre y hierro. Se obtiene como subproducto en la metalurgia del plomo:

PbS + Fe = FeS + Pb.

Se utiliza en el laboratorio para la preparación de ácido sulfhídrico:

FeS + 2HCl = FeCl{2} + H{2}S.

Disulfuro de hierro (pirita) (FeS{2}). Esta sustancia guarda la misma relación con el sulfuro ferroso que el peróxido de hidrógeno con el agua. Se encuentra abundantemente en la naturaleza en forma de cristales cúbicos de color amarillo latón y en masas compactas. A veces se le llama "el oro de los tontos" por su semejanza superficial con el metal precioso. Se utiliza en grandes cantidades como fuente de dióxido de azufre en la fabricación de ácido sulfúrico, ya que arde fácilmente en el aire, formando óxido férrico y dióxido de azufre:

2FeS{2} + 11O = Fe{2}O{3} + 4SO{2}.

Carbonato ferroso (FeCO{3}). Este compuesto se encuentra en la naturaleza como siderita y es un mineral valioso. Puede disolverse hasta cierto punto en agua que contiene dióxido de carbono, al igual que el carbonato de calcio, y las aguas que lo contienen se llaman aguas ferruginosas. Se supone que estas aguas ferruginosas poseen ciertas virtudes medicinales y constituyen una clase importante de aguas minerales.

Sales férricas. Las sales férricas suelen obtenerse tratando una solución acidificada de una sal ferrosa con un agente oxidante:

2FeCl{2} + 2HCl + O = 2FeCl{3} + H{2}O,

2FeSO{4} + H{2}SO{4} + O = Fe{2}(SO{4}){3} + H{2}O.

Por lo general, son de color amarillo o violeta, bastante solubles y, en general, no cristalizan bien. Calentadas con agua en ausencia de ácido libre, se hidrolizan aún más fácilmente que las sales de aluminio. Las sales férricas más conocidas son el cloruro y el sulfato.

Cloruro férrico (FeCl{3}). Esta sal puede obtenerse de manera muy conveniente disolviendo hierro en ácido clorhídrico y luego haciendo pasar cloro a través de la solución:

Fe + 2HCl = FeCl{2} + 2H,

FeCl{2} + Cl = FeCl{3}.

Cuando la sal pura se calienta con agua, se hidroliza parcialmente:

FeCl{3} + 3 H{2}O Fe(OH){3} + 3HCl.

Sin embargo, esta es una reacción reversible, por lo que la hidrólisis puede evitarse añadiendo primero una cantidad considerable del producto soluble de la reacción, es decir, ácido clorhídrico.

Sulfato férrico (Fe{2}(SO{4}){3}). Este compuesto puede prepararse tratando una solución ácida de vitriolo verde con un agente oxidante. Es difícil de cristalizar y complicado de obtener en estado puro. Cuando se añade la cantidad adecuada de un sulfato alcalino al sulfato férrico en solución, se forma un alumbre de hierro, que se obtiene fácilmente en grandes cristales. Los alumbres de hierro más conocidos tienen las fórmulas KFe(SO{4}){2}.12H{2}O y NH{4}Fe(SO{4}){2}.12H{2}O. Se utilizan comúnmente cuando se requiere una sal férrica pura.

Hidróxido férrico (Fe(OH){3}). Cuando se tratan soluciones de sales férricas con hidróxido de amonio, se forma hidróxido férrico como un precipitado de color rojo óxido, insoluble en agua.

Cianuros de hierro. Se conocen un gran número de cianuros complejos que contienen hierro, siendo los más importantes el ferrocianuro de potasio, o prusiato amarillo de potasa (K{4}FeC{6}N{6}), y el ferricianuro de potasio, o prusiato rojo de potasa (K{3}FeC{6}N{6}). Estos compuestos son las sales potásicas de los ácidos complejos con las fórmulas H{4}FeC{6}N{6} y H{3}FeC{6}N{6}.

Oxidación de las sales ferrosas. Ya se ha visto que cuando una sal ferrosa se trata con un agente oxidante en presencia de un ácido libre, se forma una sal férrica:

2FeSO{4} + H{2}SO{4} + O = Fe{2}(SO{4}){3} + H{2}O.

En esta reacción se consume oxígeno y la valencia del hierro cambia de 2 a 3. La misma ecuación puede escribirse así:

2Fe++, 2SO{4}— + 2H+, SO{4}— + O = 2Fe+++, 3SO{4}— + H{2}O.

Los iones hidrógeno han sido oxidados a agua, mientras que la carga de cada ion de hierro ha aumentado de 2 a 3.

De manera similar, la conversión de cloruro ferroso en cloruro férrico puede escribirse así:

Fe++, 2Cl- + Cl = Fe+++, + 3Cl-.

Aquí nuevamente la valencia del hierro y la carga del ion de hierro han aumentado de 2 a 3, aunque no ha intervenido oxígeno en la reacción. Sin embargo, como regla general, estos cambios se producen mediante el uso de un agente oxidante y se denominan oxidaciones.

El término "oxidación" se aplica a todas las reacciones en las que se incrementa la valencia del metal de un compuesto, o, en otras palabras, a todas las reacciones en las que se incrementa la carga de un catión.

Reducción de las sales férricas. Los cambios que ocurren cuando una sal férrica se convierte en una sal ferrosa son el reverso de los que se acaban de describir. Esto se observa en la ecuación:

FeCl{3} + H = FeCl{2} + HCl

En esta reacción la valencia del hierro ha cambiado de 3 a 2. La misma ecuación puede escribirse así:

Fe+++, 3Cl{-} + H = Fe++, + H+ + 3Cl{-}

Se observa que la carga de los iones de hierro ha disminuido de 3 a 2. Como estos cambios son el reverso de los cambios de oxidación recién considerados, se denominan reacciones de reducción. El término "reducción" se aplica a todos los procesos en los que se disminuye la valencia del metal de un compuesto, o, en otras palabras, a todos los procesos en los que se disminuye la carga de los cationes.

Níquel y cobalto

Estos elementos se encuentran escasamente en la naturaleza, generalmente combinados con arsénico o con arsénico y azufre. Ambos elementos se han encontrado en estado libre en meteoritos. Al igual que el hierro, forman dos series de compuestos, pero las sales correspondientes a las sales ferrosas son las más comunes, siendo difíciles de obtener las que corresponden a las sales férricas. Así tenemos los cloruros NiCl{2}.6H{2}O y CoCl{2}.6H{2}O; los sulfatos NiSO{4}.7H{2}O y CoSO{4}.7H{2}O; los nitratos Ni(NO{3}){2}.6H{2}O y Co(NO{3}){2}.6H{2}O.

El níquel se utiliza ampliamente como aleación con otros metales. Aleado con cobre forma el metal de las monedas con el que se fabrican las piezas de cinco centavos; con cobre y zinc forma la plata alemana, y cuando se añade en pequeñas cantidades al acero se obtiene acero niquelado, que es muy superior al acero común para ciertos fines. Cuando se deposita por electrólisis sobre la superficie de otros metales como el hierro, forma un recubrimiento que puede pulirse mucho y protege al metal de la oxidación, ya que el níquel no es afectado por el aire húmedo. Las sales de níquel suelen ser de color verde.

Los compuestos de cobalto fundidos con vidrio le dan un color azul intenso. En forma de polvo, este vidrio a veces se utiliza como pigmento llamado esmalte. Las sales de cobalto que contienen agua de cristalización suelen ser de color rojo cereza; cuando se deshidratan se vuelven azules.

EJERCICIOS

1. En la fabricación del hierro fundido, ¿por qué se calienta el aire antes de introducirlo en el horno?

2. Escribe las ecuaciones que muestran cómo se puede obtener cada uno de los siguientes compuestos de hierro a partir del metal mismo: cloruro ferroso, hidróxido ferroso, sulfato ferroso, sulfuro ferroso, carbonato ferroso, cloruro férrico, sulfato férrico, hidróxido férrico.

3. Explica por qué una solución de carbonato de sodio, al añadirse a una solución de una sal férrica, precipita un hidróxido y no un carbonato.

4. Calcula el porcentaje de hierro en cada uno de los minerales de hierro comunes.

5. Una tonelada de acero preparada por el proceso Bessemer contiene, según el análisis, 0.2% de carbono. ¿Cuál es el peso mínimo de carbono que debe añadirse para que el acero pueda templarse?