QUIMICA DEL HIERRO. ESTADOS COMUNES DE OXIDACIÓN DEL HIERRO. Gloria C. Bolaño Romero , Natalia C. Hernández Cuestas , Santiago A. Hernández Diaz , Brayan Y. Puertas Girón , María J. Zapata Rodriguez , Rafael Correa Turizo 1 1 1 1 1 1 2 Estudiantes programa de química, Universidad de Cartagena, Cartagena. Docente universidad de Cartagena 2 Química inorgánica Universidad de Cartagena, facultad de ciencias exactas y naturales 4 de marzo de 2022 *Autor de correspondencia: gbolanor@unicartagena.edu.co En la tabla periódica encontramos el hierro como un metal de transición con número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4, cuyo símbolo es Fe y masa atómica 55,8 UMA. Se presentarán los resultados al desprender hierro de lanas de acero o del bombril con ayuda de una solución acuosa como lo es el ácido sulfúrico, al decantar adquirimos una solución que contenía Fe 2+ , esta misma solución al reaccionar con el peróxido de hidrogeno será Fe 3+ , siendo estos sus dos estados de oxidación más comunes veremos cambios cualitativos que notaremos al hacerlos reaccionar con soluciones como hidróxido de sodio (NaOH), agua amoniacal, ferrocianuro de potasio (K 4 [Fe(CN) 6 ]), ferricianuro de potasio (K 3 [Fe(CN) 6 ]) y tiocianato de potasio (KSCN), cada reactivo se le agregará a cada solución tanto de Fe 2+ como de Fe 3+ , que se habrían separado en 5 tubos de ensayo para ver cambios más precisos, y divergentes. Palabras clave: Acero, hierro, desprendimiento, estado de oxidación. Abstract In the periodic table we find iron as a transition metal with atomic number 26 located in group 8, period 4, whose symbol is Fe and atomic mass 55.8 UMA. The results will end when detaching iron from steel wool or from the bombril with the help of an aqueous solution such as sulfuric acid, when decanting we acquire a solution that contained Fe 2+ , this same solution when reacting with hydrogen peroxide will be Fe 3+ , being These two most common oxidation states will see qualitative changes that we will notice when reacting with solutions such as sodium hydroxide (NaOH), ammonia water, potassium ferrocyanide (K 4 [Fe(CN) 6 ]), potassium ferricyanide (K 3 [Fe ( CN) 6 ]) and potassium thiocyanate (KSCN), each reagent will be added to each solution of both Fe 2+ and Fe 3+ , which will have been separated into 5 test tubes to see more precise changes, and divergent. Keywords: Steel, iron, detachment, oxidation state, 10 Química del Hierro 1. Introducción El hierro es un metal maleable, de color gris plateado y ferromagnético a temperatura ambiente y a condición atmosférica. Este metal es un buen agente reductor y, dependiendo de las condiciones, puede oxidarse hasta el estado 2+m 3+ o 6+. En la mayor parte de los compuestos de hierro está presente el ion ferroso, hierro (II), o el ion férrico, hierro (III), como una unidad distinta. Por lo común, los compuestos ferrosos son de color amarillo claro hasta café verdoso oscuro; el ion hidratado Fe (H2O)62+, que se encuentra en muchos compuestos y en solución, es verde claro. Este ion presenta poca tendencia a formar complejos de coordinación, excepto con reactivos fuertes, como el ion cianuro, las poliaminas y las porfirinas. El ion férrico, por razón de su alta carga (3+) y su tamaño pequeño, tiene una fuerte tendencia a capturar aniones. El ion hidratado Fe(H2O)63+, que se encuentra en solución, se combina con OH-, F-, Cl-, CN-, SCN-, N3-, C2O42- y otros aniones para forma complejos de coordinación El uso más extenso del hierro (fierro) es para la obtención de aceros estructurales; también se producen grandes cantidades de hierro fundido y de hierro forjado. 2. Marco Conceptual- Teórico El hierro con el símbolo Fe (del latín ferrum, "hierro") es un elemento metálico, magnético, maleable de color blanco plateado. Tiene un número atómico de 26 y es uno de los elementos de transición de la tabla periódica. Una reacción redox es una reacción en la que hay transferencia de electrones entre especies químicas (átomos, iones o moléculas que participan en la reacción). Las reacciones redox ocurren a nuestro alrededor todo el tiempo. En química, el estado de oxidación (EO) es un indicador del grado de oxidación de un átomo que forma parte de un compuesto u otra especie química, como un ion. Formalmente, si todos los enlaces de un átomo a diferentes elementos son 100% iónicos, entonces es la carga hipotética. El estado de oxidación de estos elementos es 0, por lo que el hierro puede oxidarse perdiendo electrones, que se transfieren al oxígeno, que gana dos electrones y se reduce, pasando del estado de oxidación 0 a -2. Toda la reacción se puede resumir como: 2 Fe + 3 O2→2 Fe2O3 1. Materiales y Métodos MATERIALES Materiales Lana de acro ( bombril) Reactivos Solución de ferrocianuro de potasio (K4[Fe (CN)6]) 2 vasos prcipitados de 50 mL Solución de ferricianuro de potasio (K3[Fe (CN)6)] 12 tubos de ensayo grandes Solución de sulfocianuro (KSCN) 11 Química del Hierro 5 goteros Agua amoniacal 10% Embudo pequeño Solución de peróxido de hidrogeno (H2O2), 10%) Ácido sulfúrico (H2SO4), 3 M Hidróxido de sodio (NaOH), 2 M PROCEDIMIENTOS. 1. Preparar los iones Fe y Fe 2+ 3+ a) Se introdujó en el fondo de un tubo de ensayo, uno o dos hilos esponja de brillo de lana de acero y se le adicionaron 3 mL de ácido sulfúrico b) procedimos a filtrar la solución con el embudo. observamos el color de la solución. Esta solución contiene Fe . 2+ c) Agregamos 20 mL de agua y agitamos. Luego, dividimos el contenido en partes iguales en dos tubos de ensayo. d) A uno de los tubos anteriores le agregamos 2 o 3 gotas de peróxido de hidrógeno y observamos detenidamente lo que ocurrió y el color que se obtuvo. Esta solución contiene Fe 3+ e) Repartimos las soluciones de cada tubo, en 5 tubos de ensayo aproximadamente con 2 mL y se procedió a rotularlos. 2. Reacciones de los iones de Fe2+ y Fe3+ . a) Añadimos a cada uno de los tubos 2 gotas de solución de NaOH y se observó el color. Luego se le agregaron 2 gotas más. b) A otros 2 tubos se les añadió 2 gotas de agua amoniacal y pudimos observar el color. Y luego se le agregó de 5 a 10 gotas. c) A otros 2 tubos le adicionamos 2 gotas de ferrocianuro de potasio, K4[Fe(CN)6]. d) A otros 2 tubos incorporamos 2 gotas de ferricianuro de potasio, K3[Fe(CN)6]. e) A los últimos 2 agregamos 2 gotas de tiocianato de potasio, KSCN. 3. Resultados y Discusión. 1. Preparar los iones Fe2+ y Fe3+ 12 Química del Hierro Al introducir en el fondo de un tubo de ensayo varios hilos de esponja de brillo de lana de acero y adicionarle 6 mL de H2SO4, se presentó una reacción lenta, se observó que había burbujas en el fondo del tubo de ensayo y olor fétido. Luego se filtró la solución con embudo no viró la solución es incolora, se le agregaron 20 mL de H2O, después obtuvimos 24.8 mL, donde se repartieron en 2 tubos de ensayo. Después a la solución que contenía Fe3+ se le agregaron 6 gotas de H2O2, no viró se ve incoloro es decir no hubo ninguna reacción, después se repartieron en 5 tubos de ensayo solución de Fe2+ 2 mL y en otros 5 tubos de ensayo se repartió en cada uno 2 mL de Fe3+ y se rotulo cada uno. Cuando la reacción fue lenta y hubo burbujas al fondo en el tubo de ensayo lo que hizo el H2SO4 fue ayudar a sacar los iones de Fe de la esponja de lana de acero ya que en su composición mayormente esta compuesta de hierro y un pequeño porcentaje de carbono, no hubo cambio de color ya que por lo dicho anteriormente ayudaba a que los iones de Fe quedaran en la solución para poder hacer las reacciones con otras soluciones que fueron asignadas al agregar el agua lo único que sucede es que la solución alcanza una alta temperatura. 2. Reacciones de los iones de Fe2+ y Fe3+ Se agregó a dos tubos de ensayo a cada uno dos gotas de NaOH y se observó el color y no hubo cambios en el color. Después de eso se utilizaron otros 2 tubos de ensayo de Fe2+ y Fe3+, uno de cada uno, a estos se le incorporaron 12 gotas de agua amoniacal y en el Fe2+ no viro de color se conservó incoloro, en el Fe3+ hubo un viraje en el color ya que se puso de color naranja. Luego, se tomaron dos tubos de ensayos más y a cada uno se le adicionaron 2 gotas de K4[Fe(CN)6] El tubo de ensayo con Fe2+ viró a color azul esmeralda, y el tubo de ensayo con Fe3+ este viró a color azul y tuvo un precipitado verde, luego de 10 minutos viró a color verde. En el siguiente paso se hizo lo mismo se tomaron 2 tubos de ensayo y a cada uno se le añadieron 2 gotas de K3[Fe(CN)6], el tubo de ensayo que contenía solución de Fe2+ viró a color azul y el tubo de ensayo que contenía solución de Fe3+ este se torno color amarillo, a los dos últimos tubos de ensayo que quedaron se les adiciono 2 gotas a cada uno de KSCN, al tubo de ensayo con la etiqueta Fe2+ no hubo ningún cambio y al tubo de ensayo con la etiqueta Fe3+ viró a color rojo. En todos los procesos cuando viró el color de la solución es porque hubo un cambio en el estado de oxidación del Fe, el azul que se forma en con el Fe2+ en presencia de K3[Fe(CN)6] este es un agente oxidante se llama azul de turnbull es una sal hidratada , esta reacción se utiliza como ensayo cualitativo para Fe2+, en el caso para Fe3+en presencia de K4[Fe(CN)6] fue de color verde y el precipitado azul se llama azul de Prusia que es una sal hidratada como el azul de turnbull, las soluciones que no tuvieron cambio de color fue porque no reaccionaron, el Fe3+ cuando se le adiciono KSCN y se puso color rojo es por que el Fe3+ en presencia del Anión SCN- se vira a rojo. 13 Química del Hierro Lana de acero con ácido sulfúrico (Fig.1) Solución con 20mL de agua y dividido en 2 partes iguales Filtración de Fe ( Fig.1) 2+ solución de Fe3+ con peróxido de hidrogeno y Fe2+ sin peróxido (Fig.4) (Fig.3) 14 Química del Hierro Soluciones Fe2+ y Fe3+ con agua amoniacal al 10% (Fig.6) Soluciones repartidas en 5 tubos de ensayo cada una Fe2+ y Fe3+(Fig.5) Soluciones Fe2+ y Fe3+ con ferricianuro de potasio (Fig.8) Soluciones Fe2+ y Fe3+ con ferrocianuro de potasio (Fig.7) 15 Química del Hierro Soluciones Fe2+ y Fe3+ con tiocianato de potasio (Fig.9) 16 Química del Hierro Conclusiones A partir de los resultados obtenidos se concluye: ● En esta practica se observaron algunas reacciones que presentó el hierro, las cuales nos indicaron que existió un cambio químico en la reacción debido a que en cada una de ellas se evidenció que el hierro se oxidó perdiendo dos electrones y mediante transferencia se le atribuyeron al oxigeno, pasando de estado de oxidación 0 a 2+, también se percibió un olor fétido muy nota, de la misma manera, se apreciaron los distintos visajes de la reacción, y estos fueron piezas claves para indicar que dicha reacción haber terminado o llegado a un punto de equilibrio. 4. Cuestionario 1. escriba las ecuaciones de todas las reacciones, sus observaciones y conclusiones. Fe(s) + H2SO4 � Fe2+O(s) + SO2 (ac) + H2O Fe metálico pasa a Fe(II), según la semirreacción: ● ● Fe –> Fe2+ + 2eFe2+O + H2O2 � Fe3+2O3 + H2O Reacciones de los iones Fe2+ y Fe3+ ● Fe2+ NaOH � Fe(OH)2 + Na ● Fe3+ NaOH � Fe(OH)3 + Na ● ● Fe2+NH4OH � Fe(OH)3 + NH4 ● Fe3+ NH4OH� Fe(OH)3 + NH4 ● 4Fe2+K4[Fe(CN)6]� 4 K + Fe4[Fe(CN)6] ● 4Fe3+ 3K4[Fe(CN)6]� K+ + Fe4[Fe(CN)6]3 ● 3Fe2+ 2K3[Fe(CN)6] � 6 K + Fe3[Fe(CN)6]2 ● 4Fe3+K3[Fe(CN)6] � 3 K + Fe4[Fe(CN)6] 17 Química del Hierro ● Fe2+KSCN� FeSCN + K 3 ● Fe +KSCN�Fe(SCN)3 + K 2. investigue los usos industriales del Hierro. ● ● ● En la creación del acero se usa el hierro quedando la composición de este en un 98% y un 2% de carbono. Pila de super-hierro es la pila de MnO -Zn que contiene K FeO en sustitución de MnO , esta se usa en marcapasos. se usa para la creación de aleaciones que son utilizadas para construcción de superficies 2 2 4 2 3. ¿Cómo se da la extracción de hierro, donde son los principales yacimientos en Colombia y en el mundo? ● Una vez se descubre la veta de 12 metros de grosor, el siguiente paso es desprender la roca, generalmente lo hacen con explosiones, donde escavan y hacen una mezcla de nitrato de amonio y diesel que actuará como explosivo, y efectúan la misma, donde se obtendrá roca y mineral. Estos fragmentos son una mezcla de diferentes minerales, pero generalmente el 60% de ellos lo conforma el hierro, es tanto el hierro que se puede conseguir en estos minerales que con tan solo un camión minero que puede cargar 220 toneladas, se pueden extraer el hierro suficiente como para fabricar 130 automóviles. En Australia siendo uno de los países con mayor yacimiento de hierro se pueden obtener 200.000 toneladas de mineral al día. Estos minerales por ser muy grandes pasan a ser pulverizados o triturados, luego de esto, pasarán por una serie de filtros para conseguir el hierro puro. La producción del hierro entre otros minerales varía frecuentemente pero entre los países con mayor producción en el 2019 tenemos: Iran – 38.000 toneladas, Kazajistán- 43.000, Canada- 54.000, Estados Unidos – 48.000 toneladas, Ucrania – 62.000 toneladas, Sudafrica – 77.000 toneladas, Rusia – 99.000 toneladas, India – 210.000 toneladas, China – 350.000 toneladas, Brazil – 480.000 toneladas este tiene mayor acceso a los mercados asiáticos lo cual favorece la producción y Australia – 930.000 toneladas cuenta con la mejor calidad de mineral. Colombia es el sexto productor en Latinoamérica con cerca de 716 toneladas para el año 2016, la producción está concentrada en un grupo de minas en el interior del país que proveen el mineral para la única industria siderúrgica integrada de Colombia. Tiene sus depósitos en Paz de Río y en Guayatá municipios de Boyacá y también en Ubalá y Guasca municipios de Cundinamarca. 18 Química del Hierro Referencias ● Agencia Nacional de Minería, 2017, Producción Nacional de Minerales 2016. ● U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2017. ● UPME, 2013. Estudio para la caracterización del mercado nacional e internacional de minerales. Informe preparado por CRU para UPME. Bogotá ● INGEOMINAS, 1987. Recursos Minerales de Colombia, Tomo I. Bogotá 19
