Hierro

En el hierro sólido se observan tres disposiciones diferentes de átomos de hierro a presiones ordinarias. Estos alótropos se denominan convencionalmente α , γ , δ y ε . A medida que el hierro fundido se enfría por debajo de su punto de congelación de 1538  °C, cristaliza en su alótropo δ, que tiene una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (bcc) . Al enfriarse aún más hasta 1394 °C, cambia a su alótropo de hierro γ, una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc), o austenita . A 912 °C y por debajo, la estructura cristalina vuelve a ser el alótropo de hierro α bcc. ^{[ 11 ]}  

A altas presiones, por encima de aproximadamente 10 GPa y temperaturas de unos pocos cientos de kelvin o menos, el hierro α se transforma en otra estructura hexagonal compacta (hcp), también conocida como hierro ε . La fase γ de mayor temperatura también se transforma en hierro ε, pero lo hace a mayor presión. ^{[ 12 ]} Las propiedades físicas del hierro a presiones y temperaturas muy altas se han estudiado extensamente debido a su relevancia para las teorías sobre los núcleos de la Tierra y otros planetas. ^{[ 13 ] [ 12 ]} Generalmente se presume que el núcleo interno de la Tierra consiste en una aleación de hierro- níquel con estructura ε (o β). ^{[ 14 ]}

Existe cierta evidencia experimental controvertida sobre una fase β estable a presiones superiores a 50 GPa y temperaturas de al menos 1500 K. Se supone que tiene una estructura ortorrómbica o de doble hélice hexagonal compacta (hcp). ^{[ 15 ]} (Curiosamente, el término "hierro β" a veces también se usa para referirse al hierro α por encima de su punto de Curie, cuando pasa de ser ferromagnético a paramagnético, aunque su estructura cristalina no haya cambiado. ^{[ 11 ]} )

Los puntos de fusión y ebullición del hierro, junto con su entalpía de atomización , son menores que los de los elementos 3d anteriores, desde el escandio hasta el cromo , lo que muestra la menor contribución de los electrones 3d al enlace metálico, ya que son atraídos cada vez más hacia el núcleo inerte por el núcleo; ^{[ 16 ]} sin embargo, son mayores que los valores del elemento anterior, el manganeso, porque este elemento tiene una subcapa 3d semillena y, en consecuencia, sus electrones d no se deslocalizan fácilmente. Esta misma tendencia aparece para el rutenio, pero no para el osmio . ^{[ 17 ]}

El punto de fusión del hierro está bien definido experimentalmente para presiones inferiores a 50 GPa. Para presiones mayores, los datos publicados (a fecha de 2007) aún varían en decenas de gigapascales y en más de mil kelvin. ^{[ 18 ]}

Por debajo de su punto de Curie de 770 °C (1420 °F; 1040 K) , el hierro α cambia de paramagnético a ferromagnético : los espines de los dos electrones desapareados en cada átomo generalmente se alinean con los espines de sus vecinos, creando un campo magnético general . ^{[ 20 ]} Esto sucede porque los orbitales de esos dos electrones (d _{z ²} y d _{x ² − y ²} ) no apuntan hacia los átomos vecinos en la red, y por lo tanto no participan en el enlace metálico. ^{[ 11 ]}   

En ausencia de una fuente externa de campo magnético, los átomos se dividen espontáneamente en dominios magnéticos de aproximadamente 10 micrómetros de diámetro ^{[ 21 ]} , de manera que los átomos en cada dominio tienen espines paralelos, pero algunos dominios tienen otras orientaciones. Por lo tanto, un trozo macroscópico de hierro tendrá un campo magnético global prácticamente nulo.

La aplicación de un campo magnético externo provoca que los dominios magnetizados en la misma dirección general crezcan a expensas de los adyacentes que apuntan en otras direcciones, reforzando así el campo externo. Este efecto se aprovecha en dispositivos que necesitan canalizar campos magnéticos para cumplir su función de diseño, como transformadores eléctricos , cabezales de grabación magnética y motores eléctricos . Las impurezas, los defectos de la red cristalina o los límites de grano y partícula pueden fijar los dominios en las nuevas posiciones, de modo que el efecto persiste incluso después de eliminar el campo externo, convirtiendo así el objeto de hierro en un imán (permanente) . ^{[ 20 ]}

Algunos compuestos de hierro, como las ferritas _, entre las que se incluye la magnetita , una forma cristalina del óxido mixto de hierro(II,III) Fe₃O₄ ( aunque el mecanismo a escala atómica, el ferrimagnetismo , es algo diferente), exhiben un comportamiento similar. Los fragmentos de magnetita con magnetización permanente natural ( piedras imán ) fueron los primeros instrumentos de navegación utilizados _como brújulas . Las partículas de magnetita se emplearon ampliamente en soportes de grabación magnética, como memorias de núcleo magnético , cintas magnéticas , disquetes y discos , hasta que fueron sustituidas por materiales a base de cobalto .

El hierro tiene cuatro isótopos estables : ⁵⁴ Fe (5,845 % del hierro natural), ⁵⁶ Fe (91,754 %), ⁵⁷ Fe (2,119 %) y ⁵⁸ Fe (0,282 %). También se han creado veinticuatro isótopos artificiales. De estos isótopos estables, solo el ⁵⁷ Fe tiene un espín nuclear ( −1/2 ) . Teóricamente , el nucleido ⁵⁴ Fe puede experimentar una doble captura electrónica para formar ⁵⁴ Cr, pero este proceso nunca se ha observado y solo se ha establecido un límite inferior para la vida media de 4,4 × ^10²⁰ años. ^{[ 22 ]}

El ^60Fe es un radionúclido extinto de larga vida media (2,6 millones de años). ^{[ 23 ]} No se encuentra en la Tierra, pero su producto de desintegración final es su descendiente, el nucleido estable ^60Ni . ^{[ 9 ]} Gran parte del trabajo anterior sobre la composición isotópica del hierro se ha centrado en la nucleosíntesis del ^60Fe mediante estudios de meteoritos y formación de menas. En la última década, los avances en espectrometría de masas han permitido la detección y cuantificación de variaciones mínimas y naturales en las proporciones de los isótopos estables del hierro. Gran parte de este trabajo está impulsado por las comunidades de ciencias de la Tierra y planetarias , aunque están surgiendo aplicaciones a sistemas biológicos e industriales. ^{[ 24 ]}

En fases de los meteoritos Semarkona y Chervony Kut, una correlación entre la concentración de ^60Ni , descendiente del ^60Fe , y la abundancia de isótopos estables de hierro proporcionó evidencia de la existencia de ^60Fe en el momento de la formación del Sistema Solar . Posiblemente, la energía liberada por la desintegración del ^60Fe , junto con la liberada por el ^26Al , contribuyó a la refundición y diferenciación de asteroides después de su formación hace 4600 millones de años. La abundancia de ^60Ni presente en material extraterrestre podría aportar más información sobre el origen y la historia temprana del Sistema Solar . ^{[ 25 ]}

El isótopo de hierro más abundante, ⁵⁶ Fe, es de particular interés para los científicos nucleares porque representa el punto final más común de la nucleosíntesis . ^{[ 26 ]} Dado que ⁵⁶ Ni (14 partículas alfa ) se produce fácilmente a partir de núcleos más ligeros en el proceso alfa en reacciones nucleares en supernovas (ver proceso de combustión de silicio ), es el punto final de las cadenas de fusión dentro de estrellas extremadamente masivas . Aunque es posible agregar más partículas alfa, no obstante la secuencia termina efectivamente en ⁵⁶ Ni porque las condiciones en los interiores estelares hacen que la competencia entre la fotodesintegración y el proceso alfa favorezca la fotodesintegración alrededor de ⁵⁶ Ni. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Este ⁵⁶ Ni, que tiene una vida media de aproximadamente 6 días, se crea en cantidad en estas estrellas, pero pronto se desintegra por dos emisiones sucesivas de positrones dentro de los productos de desintegración de supernova en la nube de gas remanente de supernova , primero a ⁵⁶ Co radiactivo, y luego a ⁵⁶ Fe estable. Por lo tanto, el hierro es el elemento más abundante en el núcleo de las gigantes rojas y el metal más abundante en los meteoritos de hierro y en los densos núcleos metálicos de planetas como la Tierra . ^{[ 29 ]} También es muy común en el universo, en relación con otros metales estables de peso atómico aproximadamente igual . ^{[ 29 ] [ 30 ]} El hierro es el sexto elemento más abundante en el universo y el elemento refractario más común. ^{[ 31 ]}

Aunque se podría obtener una pequeña ganancia de energía adicional mediante la síntesis de 62Ni ^, que tiene una energía de enlace ligeramente superior a la de ^56Fe , las condiciones en las estrellas no son adecuadas para este proceso. La producción de elementos en supernovas favorece enormemente al hierro sobre el níquel, y en cualquier caso, ^56Fe sigue teniendo una masa por nucleón menor que ^62Ni debido a su mayor fracción de protones más ligeros. ^{[ 32 ]} Por lo tanto, los elementos más pesados ​​que el hierro requieren una supernova para su formación, lo que implica la captura rápida de neutrones por núcleos iniciales de ^56Fe . ^{[ 29 ]}

En el futuro lejano del universo, suponiendo que no ocurra la desintegración de protones , la fusión fría mediante tunelización cuántica provocaría la fusión de los núcleos ligeros de la materia ordinaria en núcleos de ^56Fe . La fisión y la emisión de partículas alfa harían entonces que los núcleos pesados ​​se desintegraran en hierro, convirtiendo todos los objetos de masa estelar en esferas frías de hierro puro. ^{[ 33 ]}

La abundancia de hierro en planetas rocosos como la Tierra se debe a su abundante producción durante la fusión descontrolada y la explosión de supernovas de tipo Ia , que dispersan el hierro en el espacio. ^{[ 34 ] [ 35 ]}

El hierro metálico o nativo rara vez se encuentra en la superficie de la Tierra debido a su tendencia a oxidarse. Sin embargo, se cree que tanto el núcleo interno como el externo de la Tierra , que en conjunto representan el 35% de su masa total, están compuestos principalmente de una aleación de hierro, posiblemente con níquel . Se cree que las corrientes eléctricas en el núcleo externo líquido son el origen del campo magnético terrestre . Se cree que los demás planetas terrestres ( Mercurio , Venus y Marte ), así como la Luna, tienen un núcleo metálico compuesto principalmente de hierro. También se cree que los asteroides de tipo M están parcial o totalmente formados por una aleación de hierro metálico.

Los raros meteoritos de hierro son la principal forma de hierro metálico natural en la superficie terrestre. Se han encontrado objetos hechos de hierro meteorítico trabajado en frío en varios sitios arqueológicos que datan de una época en la que la fundición de hierro aún no se había desarrollado; y se ha informado que los inuit en Groenlandia usaban hierro del meteorito de Cabo York para herramientas y armas de caza. ^{[ 36 ]} Aproximadamente 1 de cada 20 meteoritos está compuesto por los minerales únicos de hierro-níquel taenita (35-80% de hierro) y kamacita (90-95% de hierro). ^{[ 37 ]} El hierro nativo también se encuentra raramente en basaltos que se han formado a partir de magmas que han entrado en contacto con rocas sedimentarias ricas en carbono, lo que ha reducido la fugacidad de oxígeno lo suficiente como para que el hierro cristalice. Esto se conoce como hierro telúrico y se ha descrito en algunas localidades, como la isla Disko en Groenlandia Occidental, Yakutia en Rusia y Bühl en Alemania . ^{[ 38 ]}

La ferropericlasa (Mg,Fe)O , una solución sólida de periclasa (MgO) y wüstita (FeO), constituye aproximadamente el 20% del volumen del manto inferior de la Tierra, lo que la convierte en la segunda fase mineral más abundante en esa región después de la perovskita de silicato (Mg,Fe)SiO₃ _; también es el principal huésped del hierro en el manto inferior. ^{[ 39 ]} En la base de la zona de transición del manto, la reacción γ- (Mg,Fe) _₂ [ SiO₄ ] ↔ (Mg,Fe) [ SiO₃ ] + (Mg,Fe)O transforma _la γ-olivina en una mezcla de perovskita _de silicato y ferropericlasa y viceversa. En la literatura, esta fase mineral del manto inferior también se denomina a menudo magnesiowüstita. ^{[ 40 ]} La perovskita de silicato puede formar hasta el 93% del manto inferior, ^{[ 41 ]} y la forma de magnesio y hierro, (Mg,Fe)SiO ₃ , se considera el mineral más abundante en la Tierra, constituyendo el 38% de su volumen. ^{[ 42 ]}

Aunque el hierro es el elemento más abundante en la Tierra, la mayor parte de este hierro se concentra en los núcleos interno y externo . ^{[ 43 ] [ 44 ]} La fracción de hierro que se encuentra en la corteza terrestre solo representa alrededor del 5 % de la masa total de la corteza y, por lo tanto, es solo el cuarto elemento más abundante en esa capa (después del oxígeno , el silicio y el aluminio ). ^{[ 45 ]}

La mayor parte del hierro en la corteza se combina con otros elementos para formar diversos minerales de hierro . Una clase importante son los _minerales de óxido de hierro , como _la hematita (Fe₂O₃ ₎ , la magnetita (Fe₃O₄ ₎ y la siderita (FeCO₃ ) _, que son los principales menas de hierro. Muchas rocas ígneas también contienen los minerales de sulfuro pirrotita y pentlandita . ^{[ 46 ] [ 47 ]} Durante la meteorización , el hierro tiende a lixiviarse de los depósitos de sulfuro como sulfato y de los depósitos de silicato como bicarbonato. Ambos se oxidan en solución acuosa y precipitan, incluso a un pH ligeramente elevado, como óxido de hierro(III) . ^{[ 48 ]}

Los grandes depósitos de hierro son formaciones de hierro bandeado , un tipo de roca que consiste en capas delgadas y repetidas de óxidos de hierro que se alternan con bandas de esquisto y sílex pobres en hierro . Las formaciones de hierro bandeado se depositaron entre 3700  millones y 1800  millones de años atrás . ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Los materiales que contienen óxidos o hidróxidos de hierro(III) finamente molidos, como el ocre , se han utilizado como pigmentos amarillos, rojos y marrones desde tiempos prehistóricos. También contribuyen al color de diversas rocas y arcillas , incluyendo formaciones geológicas enteras como las Colinas Pintadas en Oregón y el Buntsandstein ("arenisca de color", en inglés británico Bunter ). ^{[ 51 ]} A través del Eisensandstein (una "arenisca de hierro" del Jurásico , por ejemplo, de Donzdorf en Alemania) ^{[ 52 ]} y la piedra de Bath en el Reino Unido, los compuestos de hierro son responsables del color amarillento de muchos edificios y esculturas históricas. ^{[ 53 ]} El proverbial color rojo de la superficie de Marte se deriva de un regolito rico en óxido de hierro . ^{[ 54 ]}

En el mineral de sulfuro de hierro pirita (FeS₂ ₎ se encuentran cantidades significativas de hierro , pero es difícil extraerlo y, por lo tanto, no se explota. ^{[ 55 ]} De hecho, el hierro es tan común que la producción generalmente se centra solo en minerales con cantidades muy elevadas de este mineral. ^{[ 56 ]}

Según el informe «Reservas de metales en la sociedad» del Panel Internacional de Recursos , la reserva mundial de hierro en uso en la sociedad es de 2200 kg per cápita. Los países más desarrollados difieren en este aspecto de los países menos desarrollados (7000-14000 frente a 2000 kg per cápita). ^{[ 57 ]}

La oceanografía demostró el papel del hierro en los mares antiguos tanto en la biota marina como en el clima. ^{[ 58 ]}

Los potenciales de reducción estándar en solución acuosa ácida para algunos iones de hierro comunes se dan a continuación: ^{[ 11 ]}

El anión ferrato (VI) tetraédrico rojo-púrpura es un agente oxidante tan fuerte que oxida el amoníaco a nitrógeno (N ₂ ) y el agua a oxígeno: ^{[ 69 ]}

4 FeO ²⁻ ₄ + 34 H₂ O→ 4[Fe(H₂O)₆]³⁺+ 20OH ⁻+ 3 O ₂

El complejo hex aquo de color violeta pálido [ Fe(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ es un ácido tal que por encima de pH 0 se hidroliza completamente: ^{[ 72 ]}

Cuando el pH sube por encima de 0, se forman las especies hidrolizadas amarillas mencionadas anteriormente, y cuando sube por encima de 2–3, precipita óxido de hierro(III) hidratado de color marrón rojizo de la solución. Aunque Fe ³⁺ tiene configuración ad ⁵ , su espectro de absorción no es como el de Mn ²⁺ con sus débiles bandas d–d prohibidas por espín, porque Fe ^{3+ tiene una carga positiva mayor y es más polarizante, lo que reduce la energía de sus absorciones} de transferencia de carga ligando-metal . Por lo tanto, todos los complejos mencionados anteriormente son bastante coloreados, con la única excepción del ion hexaquo, e incluso este tiene un espectro dominado por la transferencia de carga en la región ultravioleta cercana. ^{[ 72 ]} Por otro lado, el ion hexaquo de hierro(II) de color verde pálido [ Fe(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ no sufre hidrólisis apreciable. No se desprende dióxido de carbono cuando se agregan aniones carbonato , lo que da como resultado que se precipite carbonato de hierro(II) blanco. En exceso de dióxido de carbono, este forma el bicarbonato ligeramente soluble, que se encuentra comúnmente en las aguas subterráneas, pero se oxida rápidamente en el aire para formar óxido de hierro(III) que explica los depósitos marrones presentes en un número considerable de arroyos. ^{[ 73 ]}

Debido a su estructura electrónica, el hierro tiene una química de coordinación y organometálica muy amplia.

Se conocen muchos compuestos de coordinación de hierro. Un anión típico de seis coordenadas es el hexacloroferrato(III), [FeCl ₆ ] ³⁻ , que se encuentra en la sal mixta tetrakis(metilamonio) hexacloroferrato(III) cloruro . ^{[ 74 ] [ 75 ]} Los complejos con múltiples ligandos bidentados tienen isómeros geométricos . Por ejemplo, el complejo trans - clorohidridobis(bis-1,2-(difenilfosfino)etano)hierro(II) se utiliza como material de partida para compuestos con la unidad Fe( dppe ) ₂ . ^{[ 76 ] [ 77 ]} El ion ferrioxalato con tres ligandos oxalato muestra quiralidad helicoidal con sus dos geometrías no superponibles etiquetadas como Λ (lambda) para el eje helicoidal levógiro y Δ (delta) para el eje helicoidal dextrógiro, de acuerdo con las convenciones de la IUPAC. ^{[ 72 ]} El ferrioxalato de potasio se utiliza en actinometría química y, junto con su sal sódica, experimenta fotorreducción aplicada en procesos fotográficos de estilo antiguo. El dihidrato de oxalato de hierro(II) tiene una estructura polimérica con iones oxalato coplanares que unen los centros de hierro con el agua de cristalización ubicada formando las tapas de cada octaedro, como se ilustra a continuación. ^{[ 78 ]}

Los complejos de hierro(III) son bastante similares a los de cromo (III), con la excepción de que el hierro(III) prefiere los ligandos donadores de oxígeno en lugar de los donadores de nitrógeno . Estos últimos tienden a ser más inestables que los complejos de hierro(II) y a menudo se disocian en agua. Muchos complejos Fe–O presentan colores intensos y se utilizan como pruebas para fenoles o enoles . Por ejemplo, en la prueba del cloruro férrico , utilizada para determinar la presencia de fenoles, el cloruro de hierro(III) reacciona con un fenol para formar un complejo de color violeta intenso: ^{[ 72 ]}

3 ArOH + FeCl ₃ → Fe(OAr) ₃ + 3 HCl (Ar = arilo )

Entre los complejos de haluro y pseudohaluro, los complejos de flúor de hierro(III) son los más estables, siendo el incoloro [FeF ₅ (H ₂ O)] ²⁻ el más estable en solución acuosa. Los complejos de cloro son menos estables y favorecen la coordinación tetraédrica como en [FeCl ₄ ] ⁻ ; [FeBr ₄ ] ⁻ y [FeI ₄ ] ⁻ se reducen fácilmente a hierro(II). El tiocianato es una prueba común para la presencia de hierro(III) ya que forma el rojo sangre [Fe(SCN)(H ₂ O) ₅ ] ²⁺ . Al igual que el manganeso(II), la mayoría de los complejos de hierro(III) son de alto espín, las excepciones son aquellos con ligandos que están altos en la serie espectroquímica como el cianuro . Un ejemplo de un complejo de hierro(III) de bajo espín es [Fe(CN) ₆ ] ³⁻ . El hierro muestra una gran variedad de estados de espín electrónico, incluyendo todos los valores posibles del número cuántico de espín para un elemento del bloque d, desde 0 (diamagnético) hasta 5/2 ( 5 electrones desapareados). Este valor siempre es la mitad del número de electrones desapareados. Los complejos con cero a dos electrones desapareados se consideran de bajo espín y aquellos con cuatro o cinco se consideran de alto espín. ^{[ 68 ]}

Los complejos de hierro(II) son menos estables que los complejos de hierro(III), pero la preferencia por los ligandos donadores de oxígeno es menos marcada, de modo que, por ejemplo , se conoce [ Fe(NH₃ ₎ ₆ _] ²⁺ ^{mientras que no se conoce} [ Fe(NH₃ ₎ ₆ _] ³⁺ ^. Tienen tendencia a oxidarse a hierro(III), pero esto puede atenuarse mediante un pH bajo y los ligandos específicos utilizados. ^{[ 73 ]}

La química organometálica del hierro estudia los compuestos organometálicos del hierro, donde los átomos de carbono están unidos covalentemente al átomo metálico. Son numerosos y variados, e incluyen complejos de cianuro , complejos de carbonilo , compuestos tipo sándwich y semisándwich .

El azul de Prusia o "ferrocianuro férrico", Fe₄ _[ Fe(CN) _₆ ] _₃ , es un complejo de hierro-cianuro antiguo y bien conocido, ampliamente utilizado como pigmento y en diversas aplicaciones. Su formación puede emplearse como una sencilla prueba química húmeda para distinguir entre soluciones acuosas de Fe²⁺ ^y Fe³⁺, ^ya que reaccionan (respectivamente) con ferricianuro de potasio y ferrocianuro de potasio para formar azul de Prusia. ^{[ 64 ]}

Otro ejemplo antiguo de un compuesto organoferrítico es el pentacarbonilo de hierro , Fe(CO) _₅ , en el que un átomo de hierro neutro está unido a los átomos de carbono de cinco moléculas _de monóxido de carbono . Este compuesto se puede utilizar para fabricar polvo de hierro carbonilo , una forma altamente reactiva de hierro metálico. La termólisis del pentacarbonilo de hierro produce dodecacarbonilo de trihierro , Fe₃ (CO) _₁₂ , un complejo con un grupo de tres átomos de hierro en su núcleo. El reactivo de Collman, tetracarbonilferrato disódico , es un reactivo útil en química orgánica; contiene hierro en estado de oxidación −2. El dímero de dicarbonilo de ciclopentadienilhierro contiene hierro en el raro estado de oxidación +1. ^{[ 79 ]}

Fórmula estructural del ferroceno y una muestra en polvo.

Un hito en este campo fue el descubrimiento en 1951 del compuesto sándwich extraordinariamente estable ferroceno Fe(C₅H₅ ^{)₂, por Pauson y Kealy [80] e independientemente por Miller y sus colegas, [81} _] cuya _sorprendente estructura ^molecular _fue ^determinada solo un ^{año después por} Woodward y Wilkinson [ ^{82 ] y} Fischer . [ ^{83 ] El} ferroceno sigue siendo una de las herramientas y modelos más importantes en esta clase. ^{[ 84 ]}

Las especies organometálicas centradas en hierro se utilizan como catalizadores . El complejo de Knölker , por ejemplo, es un catalizador de hidrogenación por transferencia para cetonas . ^{[ 85 ]}

_Los compuestos de hierro producidos a mayor escala en la industria son el sulfato de hierro(II) (FeSO₄ _· 7H₂O ) y el cloruro de hierro(III) (FeCl₃ ₎ . El primero es una de las fuentes de hierro(II) más fácilmente disponibles, pero es menos estable a la oxidación atmosférica que la sal de Mohr ( (NH₄ ₎ ₂Fe ₍ SO₄ ₎ ₂ _· 6H₂O ) . Los compuestos de hierro(II) tienden a oxidarse a compuestos ^de hierro(III) en el aire. ^[ ₆₄ ^]

El hierro es uno de los elementos indudablemente conocidos en el mundo antiguo. ^{[ 86 ]} Se ha trabajado, o forjado , durante milenios. Sin embargo, los artefactos de hierro de gran antigüedad son mucho más raros que los objetos de oro o plata debido a la facilidad con que el hierro se corroe. ^{[ 87 ]} La tecnología se desarrolló lentamente, e incluso después del descubrimiento de la fundición, pasaron muchos siglos antes de que el hierro reemplazara al bronce como el metal predilecto para herramientas y armas.

Hierro meteorítico

GA Wainwright encontró en Gerzeh , Egipto , cuentas hechas de hierro meteórico que datan del 3500 a. C. o antes. ^{[ 88 ]} Las cuentas contienen un 7,5 % de níquel, lo cual es una señal de origen meteórico, ya que el hierro que se encuentra en la corteza terrestre generalmente tiene solo minúsculas impurezas de níquel.

El hierro meteórico era muy apreciado debido a su origen celestial y se utilizaba con frecuencia para forjar armas y herramientas. ^{[ 88 ]} Por ejemplo, en la tumba de Tutankamón se encontró una daga hecha de hierro meteórico , con proporciones similares de hierro, cobalto y níquel a las de un meteorito hallado en la zona, depositado por una antigua lluvia de meteoritos. ^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]} Los objetos que probablemente fueron hechos de hierro por los egipcios datan de entre el 3000 y el 2500 a. C. ^{[ 87 ]}

El hierro meteorítico es relativamente blando y dúctil, y se forja fácilmente en frío , pero puede volverse quebradizo al calentarse debido a su contenido de níquel . ^{[ 92 ]}

Hierro forjado

La primera producción de hierro comenzó en la Edad del Bronce Medio , pero pasaron varios siglos antes de que el hierro desplazara al bronce. Se han encontrado muestras de hierro fundido de Asmar , Mesopotamia y Tall Chagar Bazaar en el norte de Siria, que datan de entre el 3000 y el 2700 a. C. ^{[ 93 ]} Los hititas establecieron un imperio en el centro-norte de Anatolia alrededor del 1600 a. C. Parecen ser los primeros en comprender la producción de hierro a partir de sus minerales y lo valoraban mucho en su sociedad. ^{[ 94 ]} Los hititas comenzaron a fundir hierro entre el 1500 y el 1200 a. C., y la práctica se extendió al resto del Cercano Oriente después de la caída de su imperio en el 1180 a. C. ^{[ 93 ]} El período posterior se denomina Edad del Hierro .

Se han encontrado artefactos de hierro fundido en la India que datan de 1800 a 1200 a. C., ^{[ 95 ]} y en el Levante desde aproximadamente 1500 a. C. (lo que sugiere fundición en Anatolia o el Cáucaso ). ^{[ 96 ] [ 97 ]} Supuestas referencias (compárese con la historia de la metalurgia en el sur de Asia ) al hierro en los Vedas indios se han utilizado para afirmar un uso muy temprano del hierro en la India y para datar los textos como tales. El término ayas (metal) del Rigveda se refiere al cobre, mientras que el hierro, que se llama śyāma ayas , literalmente "cobre negro", se menciona por primera vez en el Atharvaveda post-Rigveda . ^{[ 98 ]}

Algunas evidencias arqueológicas sugieren que el hierro se fundía en Zimbabue y el sureste de África ya en el siglo VIII a. C. ^{[ 99 ]} La metalurgia del hierro se introdujo en Grecia a finales del siglo XI a. C., desde donde se extendió rápidamente por toda Europa. ^{[ 100 ]}

La difusión de la metalurgia del hierro en Europa Central y Occidental está asociada con la expansión celta . Según Plinio el Viejo , el uso del hierro era común en la época romana . ^{[ 88 ]} En las tierras de lo que hoy se considera China , el hierro aparece aproximadamente entre el 700 y el 500 a. C. ^{[ 101 ]} La fundición de hierro pudo haber sido introducida en China a través de Asia Central. ^{[ 102 ]} La evidencia más antigua del uso de un alto horno en China data del siglo I d. C., ^{[ 103 ]} y los hornos de cubilote se usaban ya en el período de los Reinos Combatientes (403-221 a. C.). ^{[ 104 ]} El uso del alto horno y del horno de cubilote siguió estando muy extendido durante las dinastías Tang y Song . ^{[ 105 ]}

Durante la Revolución Industrial en Gran Bretaña, Henry Cort comenzó a refinar el hierro, desde el arrabio hasta el hierro forjado (o hierro en barras), utilizando sistemas de producción innovadores. En 1783 patentó el proceso de pudelación para refinar el mineral de hierro. Posteriormente, otros, entre ellos Joseph Hall , lo mejoraron . ^{[ 106 ]}

Hierro fundido

El hierro fundido se produjo por primera vez en China durante el siglo V a. C., ^{[ 107 ]} pero apenas se utilizó en Europa hasta la época medieval. ^{[ 108 ] [ 109 ]} Los primeros artefactos de hierro fundido fueron descubiertos por arqueólogos en lo que hoy es el condado de Luhe , Jiangsu , en China. El hierro fundido se utilizaba en la antigua China para la guerra, la agricultura y la arquitectura. ^{[ 110 ]} Durante la época medieval , se encontraron en Europa medios para producir hierro forjado a partir de hierro fundido (en este contexto conocido como arrabio ) utilizando fraguas de refinamiento . Para todos estos procesos, se requería carbón vegetal como combustible. ^{[ 111 ]}

Los altos hornos medievales medían unos 3 metros de altura y estaban hechos de ladrillo refractario; el aire forzado se suministraba generalmente mediante fuelles manuales. ^{[ 109 ]} Los altos hornos modernos han crecido mucho más, con hogares de catorce metros de diámetro que les permiten producir miles de toneladas de hierro al día, pero esencialmente funcionan de forma muy similar a como lo hacían en la época medieval. ^{[ 111 ]} 

En 1709, Abraham Darby I estableció un alto horno alimentado con coque para producir hierro fundido, reemplazando el carbón vegetal, aunque continuó utilizando altos hornos. La consiguiente disponibilidad de hierro barato fue uno de los factores que impulsaron la Revolución Industrial . Hacia finales del siglo XVIII, el hierro fundido comenzó a reemplazar al hierro forjado para ciertos fines, debido a su menor costo. El contenido de carbono en el hierro no se consideró la causa de las diferencias en las propiedades del hierro forjado, el hierro fundido y el acero hasta el siglo XVIII. ^{[ 93 ]}

Dado que el hierro se estaba volviendo más barato y abundante, también se convirtió en un material estructural importante tras la construcción del innovador primer puente de hierro en 1778. Este puente aún se mantiene en pie hoy como un monumento al papel que desempeñó el hierro en la Revolución Industrial. Posteriormente, el hierro se utilizó en vías férreas, barcos, buques, acueductos y edificios, así como en cilindros de hierro en máquinas de vapor . ^{[ 111 ]} Los ferrocarriles han sido fundamentales para la formación de la modernidad y las ideas de progreso ^{[ 112 ]} y varios idiomas se refieren a los ferrocarriles como camino de hierro (por ejemplo, francés chemin de fer , alemán Eisenbahn , turco demiryolu , ruso железная дорога , chino, japonés y coreano鐵道, vietnamita đường sắt ).

En 1774, Antoine Lavoisier utilizó la reacción del vapor de agua con hierro metálico dentro de un tubo de hierro incandescente para producir hidrógeno en sus experimentos, lo que condujo a la demostración de la conservación de la masa , que fue fundamental para cambiar la química de una ciencia cualitativa a una cuantitativa. ^{[ 115 ]}

Para algunos fines limitados, cuando se requiere, el hierro puro se produce en el laboratorio en pequeñas cantidades mediante la reducción del óxido o hidróxido puro con hidrógeno, o bien formando pentacarbonilo de hierro y calentándolo a 250  °C para que se descomponga y forme polvo de hierro puro. ^{[ 48 ]} Otro método es la electrólisis de cloruro ferroso sobre un cátodo de hierro. ^{[ 118 ]}

La producción industrial de hierro o acero consta de dos etapas principales. En la primera etapa, el mineral de hierro se reduce con coque en un alto horno , y el metal fundido se separa de las impurezas gruesas, como los minerales de silicato . Esta etapa produce una aleación —arrabio— que contiene cantidades relativamente grandes de carbono. En la segunda etapa, la cantidad de carbono en el arrabio se reduce mediante oxidación para producir hierro forjado, acero o hierro fundido. ^{[ 120 ]} En esta etapa se pueden agregar otros metales para formar aceros aleados .

Debido a preocupaciones ambientales, se han desarrollado métodos alternativos para el procesamiento del hierro. La " reducción directa del hierro " reduce el mineral de hierro a un grumo ferroso llamado hierro "esponjoso" o hierro "directo", que es apto para la fabricación de acero. ^{[ 109 ]} El proceso de reducción directa comprende dos reacciones principales:

El gas natural se oxida parcialmente (con calor y un catalizador): ^{[ 109 ]}

2 CH ₄ + O ₂ → 2 CO + 4 H ₂

Luego, el mineral de hierro se trata con estos gases en un horno, produciendo hierro esponja sólido: ^{[ 109 ]}

Fe ₂ O ₃ + CO + 2 H ₂ → 2 Fe + CO ₂ + 2 H ₂ O

La sílice se elimina añadiendo un fundente de caliza como se describió anteriormente. ^{[ 109 ]}

La ignición de una mezcla de polvo de aluminio y óxido de hierro produce hierro metálico mediante la reacción termita :

Fe ₂ O ₃ + 2 Al → 2 Fe + Al ₂ O ₃

Alternativamente, el arrabio puede transformarse en acero (con hasta un 2 % de carbono) o hierro forjado (hierro comercialmente puro). Para ello se han utilizado diversos procesos, como forjas de refinamiento , hornos de pudelación , convertidores Bessemer , hornos de hogar abierto , hornos de oxígeno básico y hornos de arco eléctrico . En todos los casos, el objetivo es oxidar parte o la totalidad del carbono, junto con otras impurezas. Por otro lado, se pueden añadir otros metales para fabricar aceros aleados. ^{[ 111 ]}

La electrólisis de óxido fundido (MOE) utiliza la electrólisis de óxido de hierro fundido para producir hierro metálico. Se estudia en experimentos a escala de laboratorio y se propone como un método para la producción industrial de hierro que no genera emisiones directas de dióxido de carbono. Utiliza un cátodo de hierro líquido, un ánodo formado por una aleación de cromo, aluminio y hierro, ^{[ 124 ]} y el electrolito es una mezcla de óxidos metálicos fundidos en la que se disuelve mineral de hierro. La corriente mantiene el electrolito fundido y reduce el óxido de hierro. Además del hierro líquido, se produce oxígeno gaseoso. Las únicas emisiones de dióxido de carbono provienen de la electricidad generada a partir de combustibles fósiles utilizada para calentar y reducir el metal. ^{[ 125 ] [ 126 ] [ 127 ]}

El hierro es el metal más utilizado, representando más del 90 % de la producción mundial de metales. ^{[ 130 ]} Su bajo costo y alta resistencia lo convierten a menudo en el material preferido para soportar esfuerzos o transmitir fuerzas, como en la construcción de maquinaria y herramientas , rieles , automóviles , cascos de barcos , barras de refuerzo de hormigón y la estructura portante de edificios. Dado que el hierro puro es bastante blando, se suele combinar con elementos de aleación para fabricar acero. ^{[ 131 ]}

Tipos de aceros y aleaciones

El hierro α es un metal bastante blando que solo puede disolver una pequeña concentración de carbono (no más del 0,021 % en masa a 910  °C). ^{[ 135 ]} La austenita (hierro γ) es igualmente blanda y metálica, pero puede disolver considerablemente más carbono (hasta un 2,04 % en masa a 1146  °C). Esta forma de hierro se utiliza en el tipo de acero inoxidable empleado para la fabricación de cubiertos y equipos hospitalarios y de servicio de alimentos. ^{[ 21 ]}

El hierro disponible comercialmente se clasifica según su pureza y la abundancia de aditivos. El arrabio tiene entre un 3,5 y un 4,5 % de carbono ^{[ 136 ]} y contiene cantidades variables de contaminantes como azufre , silicio y fósforo . El arrabio no es un producto comercializable, sino un paso intermedio en la producción de hierro fundido y acero. La reducción de contaminantes en el arrabio que afectan negativamente las propiedades del material, como el azufre y el fósforo, produce hierro fundido con un contenido de entre un 2 y un 4 % de carbono, entre un 1 y un 6 % de silicio y pequeñas cantidades de manganeso ^{[ 120 ]} . El arrabio tiene un punto de fusión en el rango de 1420 a 1470 K, que es inferior al de cualquiera de sus dos componentes principales, lo que lo convierte en el primer producto en fundirse cuando el carbono y el hierro se calientan juntos ^{[ 11 ]} . Sus propiedades mecánicas varían mucho y dependen de la forma que adopta el carbono en la aleación ^{[ 17 ] .}

Las fundiciones blancas contienen su carbono en forma de cementita o carburo de hierro (Fe₃C ₎ . ^{[ 17 ]} Este compuesto duro y quebradizo domina las propiedades mecánicas de las fundiciones blancas, haciéndolas duras, pero insensibles a los impactos. La superficie fracturada de una fundición blanca está llena de finas facetas de carburo de hierro fracturado, un material muy pálido, plateado y brillante, de ahí su nombre. El enfriamiento lento de una mezcla de hierro con un 0,8 % de carbono por debajo de 723  °C hasta la temperatura ambiente da como resultado capas separadas y alternas de cementita y hierro α, que es blando y maleable y se denomina perlita por su apariencia. El enfriamiento rápido, por otro lado, no permite tiempo para esta separación y crea martensita dura y quebradiza . El acero puede entonces templarse recalentándolo a una temperatura intermedia, cambiando las proporciones de perlita y martensita. El producto final con un contenido de carbono inferior al 0,8% es una mezcla de perlita-αFe, y el que tiene un contenido de carbono superior al 0,8% es una mezcla de perlita-cementita. ^{[ 17 ]}

En el hierro gris, el carbono existe como finas láminas de grafito separadas , lo que también hace que el material sea quebradizo debido a las láminas de grafito de bordes afilados que producen puntos de concentración de tensión dentro del material. ^{[ 137 ]} Una variante más reciente del hierro gris, denominada hierro dúctil , se trata especialmente con trazas de magnesio para alterar la forma del grafito a esferoides o nódulos, reduciendo las concentraciones de tensión y aumentando enormemente la tenacidad y la resistencia del material. ^{[ 137 ]}

El hierro forjado contiene menos del 0,25 % de carbono, pero grandes cantidades de escoria que le dan una característica fibrosa. ^{[ 136 ]} El hierro forjado es más resistente a la corrosión que el acero. Ha sido reemplazado casi por completo por el acero dulce , que se corroe más fácilmente que el hierro forjado, pero es más barato y más disponible. El acero al carbono contiene 2,0 % de carbono o menos, ^{[ 138 ]} con pequeñas cantidades de manganeso , azufre , fósforo y silicio. Los aceros aleados contienen cantidades variables de carbono, así como otros metales, como cromo , vanadio , molibdeno , níquel, tungsteno , etc. Su contenido de aleación aumenta su costo, por lo que generalmente solo se emplean para usos especializados. Sin embargo, un acero aleado común es el acero inoxidable . Los recientes avances en la metalurgia ferrosa han dado lugar a una gama cada vez mayor de aceros microaleados, también denominados « HSLA » o aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen pequeñas adiciones para producir alta resistencia y, a menudo, una tenacidad espectacular a un coste mínimo. ^{[ 138 ] [ 139 ] [ 140 ]}

Las aleaciones con composiciones elementales de alta pureza (como las aleaciones de hierro electrolítico ) poseen propiedades específicamente mejoradas, tales como ductilidad , resistencia a la tracción , tenacidad , resistencia a la fatiga , resistencia al calor y resistencia a la corrosión.

Además de sus aplicaciones tradicionales, el hierro también se utiliza para la protección contra la radiación ionizante. Si bien es más ligero que otro material de protección tradicional, el plomo , es mucho más resistente mecánicamente. ^{[ 141 ]}

La principal desventaja del hierro y el acero es que el hierro puro, y la mayoría de sus aleaciones, se oxidan gravemente si no se protegen de alguna manera, un costo que asciende a más del 1% de la economía mundial. ^{[ 142 ]} La pintura , la galvanización , la pasivación , el recubrimiento plástico y el pavonado se utilizan para proteger el hierro de la oxidación excluyendo el agua y el oxígeno o mediante protección catódica . El mecanismo de oxidación del hierro es el siguiente: ^{[ 142 ]}

Cátodo: 3 O ₂ + 6 H ₂ O + 12 e ⁻ → 12 OH ⁻

Ánodo: 4 Fe → 4 Fe ²⁺ + 8 e ⁻ ; 4 Fe ²⁺ → 4 Fe ³⁺ + 4 e ⁻

En general: 4 Fe + 3 O ₂ + 6 H ₂ O → 4 Fe ³⁺ + 12 OH ⁻ → 4 Fe(OH) ₃ o 4 FeO(OH) + 4 H ₂ O

El electrolito suele ser sulfato de hierro(II) en las zonas urbanas (que se forma cuando el dióxido de azufre atmosférico ataca al hierro), y partículas de sal en la atmósfera en las zonas costeras. ^{[ 142 ]}

Debido a que el Fe es económico y no tóxico, se han dedicado muchos esfuerzos al desarrollo de catalizadores y reactivos a base de Fe . Sin embargo, el hierro es menos común como catalizador en procesos comerciales que metales más caros. ^{[ 143 ]} En biología, las enzimas que contienen Fe son omnipresentes. ^{[ 144 ]}

Los catalizadores de hierro se utilizan tradicionalmente en el proceso Haber-Bosch para la producción de amoníaco y en el proceso Fischer-Tropsch para la conversión de monóxido de carbono en hidrocarburos para combustibles y lubricantes. ^{[ 145 ]} El hierro en polvo en un medio ácido se utiliza en la reducción de Bechamp , la conversión de nitrobenceno en anilina . ^{[ 146 ]}

El óxido de hierro(III) mezclado con polvo de aluminio puede encenderse para producir una reacción termita , que se utiliza en la soldadura de grandes piezas de hierro (como raíles ) y en la purificación de minerales. El óxido y el oxihidróxido de hierro(III) se utilizan como pigmentos rojizos y ocres .

El cloruro de hierro(III) se utiliza en la purificación del agua y el tratamiento de aguas residuales , en el teñido de telas, como colorante en pinturas, como aditivo en la alimentación animal y como agente de grabado para el cobre en la fabricación de placas de circuitos impresos . ^{[ 147 ]} También se puede disolver en alcohol para formar tintura de hierro, que se utiliza como medicamento para detener el sangrado en canarios . ^{[ 148 ]}

El sulfato de hierro(II) se utiliza como precursor de otros compuestos de hierro. También se emplea para reducir el cromato en el cemento. Se utiliza para fortificar alimentos y tratar la anemia por deficiencia de hierro . El sulfato de hierro(III) se utiliza para sedimentar partículas diminutas de aguas residuales en el agua de los tanques. El cloruro de hierro(II) se utiliza como agente floculante reductor, en la formación de complejos de hierro y óxidos de hierro magnéticos, y como agente reductor en síntesis orgánica. ^{[ 147 ]}

El nitroprusiato de sodio es un fármaco utilizado como vasodilatador . Está incluido en la Lista de Medicamentos Esenciales de la Organización Mundial de la Salud . ^{[ 149 ]}

La adquisición de hierro supone un problema para los organismos aerobios porque el hierro férrico es poco soluble cerca del pH neutro. Por ello, estos organismos han desarrollado mecanismos para absorber el hierro en forma de complejos, a veces incorporando hierro ferroso antes de oxidarlo de nuevo a hierro férrico. ^{[ 10 ]} En particular, las bacterias han desarrollado agentes secuestrantes de muy alta afinidad llamados sideróforos . ^{[ 156 ] [ 157 ] [ 158 ]}

Tras su absorción en las células humanas , el almacenamiento de hierro se regula con precisión. ^{[ 10 ] [ 159 ]} Un componente principal de esta regulación es la proteína transferrina , que se une a los iones de hierro absorbidos del duodeno y los transporta en la sangre a las células. ^{[ 10 ] [ 160 ]} La transferrina contiene Fe ³⁺ en el centro de un octaedro distorsionado, unido a un nitrógeno, tres oxígenos y un anión carbonato quelante que atrapa el ion Fe ³⁺ : tiene una constante de estabilidad tan alta que es muy eficaz para captar iones Fe ³⁺ incluso de los complejos más estables. En la médula ósea, la transferrina se reduce de Fe ³⁺ a Fe ²⁺ y se almacena como ferritina para incorporarse a la hemoglobina. ^{[ 152 ]}

Los compuestos de hierro bioinorgánicos (moléculas de hierro biológico) más conocidos y estudiados son las hemoproteínas : ejemplos de ellas son la hemoglobina , la mioglobina y el citocromo P450 . ^{[ 10 ]} Estos compuestos participan en el transporte de gases, la síntesis de enzimas y la transferencia de electrones . ^{[ 152 ]} Las metaloproteínas son un grupo de proteínas con cofactores de iones metálicos . Algunos ejemplos de metaloproteínas de hierro son la ferritina y la rubredoxina . ^{[ 152 ]} Muchas enzimas vitales para la vida contienen hierro, como la catalasa , ^{[ 161 ]} las lipoxigenasas , ^{[ 162 ]} y la IRE-BP . ^{[ 163 ]}

La hemoglobina es un transportador de oxígeno que se encuentra en los glóbulos rojos y contribuye a su color, transportando oxígeno en las arterias desde los pulmones hasta los músculos donde se transfiere a la mioglobina , que lo almacena hasta que se necesita para la oxidación metabólica de la glucosa , generando energía. ^{[ 10 ]} Aquí la hemoglobina se une al dióxido de carbono , producido cuando la glucosa se oxida, que es transportado a través de las venas por la hemoglobina (predominantemente como aniones bicarbonato ) de regreso a los pulmones donde se exhala. ^{[ 152 ]} En la hemoglobina, el hierro está en uno de los cuatro grupos hemo y tiene seis posibles sitios de coordinación; cuatro están ocupados por átomos de nitrógeno en un anillo de porfirina , el quinto por un nitrógeno imidazol en un residuo de histidina de una de las cadenas proteicas unidas al grupo hemo, y el sexto está reservado para la molécula de oxígeno a la que puede unirse reversiblemente. ^{[ 152 ]} Cuando la hemoglobina no está unida al oxígeno (y entonces se denomina desoxihemoglobina), el ion Fe²⁺ ^en el centro del grupo hemo (en el interior hidrofóbico de la proteína) se encuentra en una configuración de alto espín . Por lo tanto, es demasiado grande para caber dentro del anillo de porfirina, que en su lugar se curva formando una cúpula con el ion Fe²⁺ ^a unos 55 picómetros por encima. En esta configuración, el sexto sitio de coordinación reservado para el oxígeno está bloqueado por otro residuo de histidina. ^{[ 152 ]}

Cuando la desoxihemoglobina capta una molécula de oxígeno, este residuo de histidina se desplaza y regresa una vez que el oxígeno se une firmemente para formar un enlace de hidrógeno con él. Esto provoca que el ion Fe²⁺ ^cambie a una configuración de bajo espín, lo que resulta en una disminución del 20 % en el radio iónico, de modo que ahora puede encajar en el anillo de porfirina, que se vuelve plano. ^{[ 152 ]} Además, este enlace de hidrógeno produce la inclinación de la molécula de oxígeno, lo que resulta en un ángulo de enlace Fe–O–O de alrededor de 120° que evita la formación de puentes Fe–O–Fe o Fe–O₂ _–Fe que conducirían a la transferencia de electrones, la oxidación de Fe²⁺ ^a Fe³⁺ ^y la destrucción de la hemoglobina. Esto resulta en un movimiento de todas las cadenas proteicas que lleva a que las otras subunidades de la hemoglobina cambien de forma a una forma con mayor afinidad por el oxígeno. Por lo tanto, cuando la desoxihemoglobina capta oxígeno, su afinidad por más oxígeno aumenta, y viceversa. ^{[ 152 ]} La mioglobina, por otro lado, contiene solo un grupo hemo y, por lo tanto, este efecto cooperativo no puede ocurrir. Así, mientras que la hemoglobina está casi saturada de oxígeno en las altas presiones parciales de oxígeno que se encuentran en los pulmones, su afinidad por el oxígeno es mucho menor que la de la mioglobina, que se oxigena incluso a bajas presiones parciales de oxígeno, como las que se encuentran en el tejido muscular. ^{[ 152 ]} Como lo describe el efecto Bohr (llamado así en honor a Christian Bohr , padre de Niels Bohr ), la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno disminuye en presencia de dióxido de carbono. ^{[ 152 ]}

El monóxido de carbono y el trifluoruro de fósforo son venenosos para los humanos porque se unen a la hemoglobina de forma similar al oxígeno, pero con mucha más fuerza, de modo que el oxígeno ya no puede transportarse por todo el cuerpo. La hemoglobina unida al monóxido de carbono se conoce como carboxihemoglobina . Este efecto también juega un papel menor en la toxicidad del cianuro , pero allí el efecto principal es, con mucho, su interferencia con el funcionamiento adecuado de la proteína de transporte de electrones citocromo a . ^{[ 152 ]} Las proteínas citocromo también involucran grupos hemo y participan en la oxidación metabólica de la glucosa por el oxígeno. El sexto sitio de coordinación está entonces ocupado por otro nitrógeno de imidazol o un azufre de metionina , de modo que estas proteínas son en gran medida inertes al oxígeno, con la excepción del citocromo a, que se une directamente al oxígeno y, por lo tanto, se envenena muy fácilmente con cianuro. ^{[ 152 ]} Aquí, la transferencia de electrones tiene lugar mientras el hierro permanece en espín bajo pero cambia entre los estados de oxidación +2 y +3. Dado que el potencial de reducción de cada paso es ligeramente mayor que el anterior, la energía se libera paso a paso y, por lo tanto, puede almacenarse en el trifosfato de adenosina . El citocromo a es ligeramente distinto, ya que se encuentra en la membrana mitocondrial, se une directamente al oxígeno y transporta protones y electrones, como sigue: ^{[ 152 ]}

4 Cytc ²⁺ + O ₂ + 8H ⁺ _dentro → 4 Cytc ³⁺ + 2 H ₂ O + 4H ⁺ _fuera

Aunque las hemoproteínas son la clase más importante de proteínas que contienen hierro, las proteínas hierro-azufre también son muy importantes, ya que participan en la transferencia de electrones, lo cual es posible dado que el hierro puede existir de forma estable en los estados de oxidación +2 o +3. Estas tienen uno, dos, cuatro u ocho átomos de hierro, cada uno coordinado aproximadamente de forma tetraédrica a cuatro átomos de azufre; debido a esta coordinación tetraédrica, siempre tienen hierro de alto espín. El compuesto más simple de este tipo es la rubredoxina , que tiene solo un átomo de hierro coordinado a cuatro átomos de azufre de residuos de cisteína en las cadenas peptídicas circundantes. Otra clase importante de proteínas hierro-azufre son las ferredoxinas , que tienen múltiples átomos de hierro. La transferrina no pertenece a ninguna de estas clases. ^{[ 152 ]}

La capacidad de los mejillones marinos para adherirse a las rocas en el océano se ve facilitada por el uso de enlaces organometálicos a base de hierro en sus cutículas ricas en proteínas . Según réplicas sintéticas, la presencia de hierro en estas estructuras aumentó el módulo elástico 770 veces, la resistencia a la tracción 58 veces y la tenacidad 92 veces. La cantidad de tensión necesaria para dañarlos permanentemente aumentó 76 veces. ^{[ 165 ]}

La deficiencia de hierro es la deficiencia nutricional más común en el mundo. ^{[ 10 ] [ 177 ] [ 178 ] [ 179 ]} Cuando la pérdida de hierro no se compensa adecuadamente con una ingesta dietética suficiente de hierro, se produce un estado de deficiencia latente de hierro , que con el tiempo conduce a anemia por deficiencia de hierro si no se trata, la cual se caracteriza por un número insuficiente de glóbulos rojos y una cantidad insuficiente de hemoglobina. ^{[ 180 ]} Los niños, las mujeres premenopáusicas (mujeres en edad fértil) y las personas con una dieta deficiente son los más susceptibles a la enfermedad. La mayoría de los casos de anemia por deficiencia de hierro son leves, pero si no se tratan pueden causar problemas como latidos cardíacos rápidos o irregulares, complicaciones durante el embarazo y retraso del crecimiento en lactantes y niños. ^{[ 181 ]}

El cerebro es resistente a la deficiencia aguda de hierro debido al lento transporte de hierro a través de la barrera hematoencefálica. ^{[ 182 ]} Las fluctuaciones agudas en el estado del hierro (marcadas por los niveles de ferritina sérica) no reflejan el estado del hierro cerebral, pero se sospecha que la deficiencia nutricional prolongada de hierro reduce las concentraciones de hierro cerebral con el tiempo. ^{[ 183 ] [ 184 ]} En el cerebro, el hierro desempeña un papel en el transporte de oxígeno, la síntesis de mielina, la respiración mitocondrial y como cofactor para la síntesis y el metabolismo de neurotransmisores. ^{[ 185 ]} Los modelos animales de deficiencia nutricional de hierro informan cambios biomoleculares similares a los observados en la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington. ^{[ 186 ] [ 187 ]} Sin embargo, la acumulación de hierro relacionada con la edad en el cerebro también se ha vinculado con el desarrollo de la enfermedad de Parkinson. ^{[ 188 ]}

La absorción de hierro está estrictamente regulada por el cuerpo humano, que no posee mecanismos fisiológicos regulados para su excreción. Solo se pierden pequeñas cantidades de hierro diariamente debido a la descamación de las células epiteliales de las mucosas y la piel, por lo que el control de los niveles de hierro se logra principalmente regulando su absorción. ^{[ 189 ]} La regulación de la absorción de hierro se ve afectada en algunas personas como resultado de un defecto genético que se localiza en la región del gen HLA-H en el cromosoma 6 y conduce a niveles anormalmente bajos de hepcidina , un regulador clave de la entrada de hierro al sistema circulatorio en mamíferos. ^{[ 190 ]} En estas personas, la ingesta excesiva de hierro puede provocar trastornos de sobrecarga de hierro , conocidos médicamente como hemocromatosis . ^{[ 10 ]} Muchas personas tienen una susceptibilidad genética no diagnosticada a la sobrecarga de hierro y desconocen los antecedentes familiares del problema. Por esta razón, las personas no deben tomar suplementos de hierro a menos que sufran deficiencia de hierro y hayan consultado a un médico. Se estima que la hemocromatosis es la causa del 0,3 al 0,8 % de todas las enfermedades metabólicas de los caucásicos. ^{[ 191 ]}

Las sobredosis de hierro ingerido pueden causar niveles excesivos de hierro libre en la sangre. Los altos niveles de hierro ferroso libre en la sangre reaccionan con peróxidos para producir radicales libres altamente reactivos que pueden dañar el ADN , las proteínas , los lípidos y otros componentes celulares. La toxicidad del hierro ocurre cuando la célula contiene hierro libre, lo que generalmente sucede cuando los niveles de hierro superan la disponibilidad de transferrina para unirse al hierro. El daño a las células del tracto gastrointestinal también puede impedir que regulen la absorción de hierro, lo que lleva a mayores aumentos en los niveles en sangre. El hierro típicamente daña las células en el corazón , el hígado y otros, causando efectos adversos que incluyen coma , acidosis metabólica , shock , insuficiencia hepática , coagulopatía , daño orgánico a largo plazo e incluso la muerte. ^{[ 192 ]} Los humanos experimentan toxicidad por hierro cuando el hierro supera los 20 miligramos por cada kilogramo de masa corporal; 60 miligramos por kilogramo se considera una dosis letal . ^{[ 193 ]} El consumo excesivo de hierro, a menudo resultado de que los niños ingieran grandes cantidades de tabletas de sulfato ferroso destinadas al consumo de adultos, es una de las causas toxicológicas más comunes de muerte en niños menores de seis años. ^{[ 193 ]} La ingesta de referencia dietética (IRD) establece el nivel máximo de ingesta tolerable (UL) para adultos en 45  mg/día. Para niños menores de catorce años, el UL es de 40  mg/día. ^{[ 194 ]}

El tratamiento médico de la toxicidad por hierro es complejo y puede incluir el uso de un agente quelante específico llamado deferoxamina para unirse al exceso de hierro y expulsarlo del cuerpo. ^{[ 192 ] [ 195 ] [ 196 ]}

El hierro es vital para el funcionamiento del cerebro humano. Su regulación es estricta, lo que limita el impacto tanto de la deficiencia como del exceso. Si estos sistemas se ven sobrecargados por una deficiencia nutricional, especialmente durante el embarazo y la infancia, pueden existir consecuencias para la salud a largo plazo, pero resulta difícil establecer conexiones directas, ya que la deficiencia nutricional suele estar relacionada con otros problemas de salud. El exceso de hierro se correlaciona con algunas afecciones neurodegenerativas, pero se desconoce la causa. ^{[ 197 ]}

El papel del hierro en la defensa contra el cáncer puede describirse como un "arma de doble filo" debido a su presencia generalizada en procesos no patológicos. ^{[ 198 ]} Las personas que reciben quimioterapia pueden desarrollar deficiencia de hierro y anemia , para lo cual se utiliza la terapia con hierro intravenoso para restaurar los niveles de hierro. ^{[ 199 ]} La sobrecarga de hierro, que puede ocurrir por un alto consumo de carne roja, ^{[ 10 ]} puede iniciar el crecimiento tumoral y aumentar la susceptibilidad al inicio del cáncer, ^{[ 199 ]} particularmente para el cáncer colorrectal . ^{[ 10 ]}

El hierro desempeña un papel esencial en los sistemas marinos y puede actuar como nutriente limitante para la actividad planctónica. ^{[ 200 ]} Por ello, una disminución excesiva de hierro puede provocar una disminución de las tasas de crecimiento en organismos fitoplanctónicos como las diatomeas. ^{[ 201 ]} El hierro también puede ser oxidado por microorganismos marinos en condiciones de alta concentración de hierro y baja concentración de oxígeno. ^{[ 202 ]}

El hierro puede ingresar a los sistemas marinos a través de los ríos adyacentes y directamente desde la atmósfera. Una vez que el hierro ingresa al océano, puede distribuirse por toda la columna de agua a través de la mezcla oceánica y a través del reciclaje a nivel celular. ^{[ 203 ]} En el Ártico, el hielo marino juega un papel importante en el almacenamiento y distribución del hierro en el océano, agotando el hierro oceánico al congelarse en invierno y liberándolo de nuevo al agua cuando ocurre el deshielo en verano. ^{[ 204 ]} El ciclo del hierro puede fluctuar las formas de hierro de acuosas a particuladas alterando la disponibilidad de hierro para los productores primarios. ^{[ 205 ]} El aumento de la luz y el calor aumenta la cantidad de hierro que se encuentra en formas utilizables por los productores primarios. ^{[ 206 ]}