El hierro y su densidad: todo lo que necesitas saber

1.0 Hierro (Fe): La base de los materiales estructurales y un elemento vital para la vida

Hierro (símbolo químico Fe, derivado del latín hierro) es un metal de transición del grupo 8 de la tabla periódica, con un número atómico de 26, masa atómica relativa de 55,845Tiene una densidad de 7,86 g/cm³ y un punto de fusión de 1539 °C. Su color gris plateado es uno de los metales más abundantes en la corteza terrestre. En la naturaleza, se encuentra comúnmente en los estados de oxidación ferroso (Fe²⁺) y férrico (Fe³⁺).

1.1 Propiedades físicas y químicas:

• Brillo metálico, aspecto gris plateado, duro pero dúctil;
• Alto punto de fusión (1539°C), adecuado para procesamiento a alta temperatura;
• Un metal reactivo, reacciona fácilmente con el oxígeno, el agua y los ácidos;
• Los estados de oxidación comunes son +2 y +3.

1.2 Aplicaciones principales:

Fabricación de acero:

La aplicación más importante del hierro es la producción de acero. El acero es una aleación de hierro y carbono, a menudo mezclado con manganeso, cromo, níquel y otros elementos para mejorar la resistencia, la tenacidad y la resistencia a la corrosión. El acero se utiliza ampliamente en:

• Construcción estructural (por ejemplo, puentes, edificios de gran altura)
• Fabricación de maquinaria y equipo
• Transporte (automóviles, barcos, ferrocarriles)
• Electrodomésticos y artículos de uso diario

Productos químicos y fertilizantes industriales:

Los compuestos de hierro se utilizan para producir tintes, catalizadores, agentes de tratamiento de agua y fertilizantes a base de hierro.

1.3 Papel biológico:

El hierro es un oligoelemento esencial para los organismos vivos. Sus principales funciones incluyen:

• Constituye la hemoglobina y la mioglobina, interviene en el transporte de oxígeno;
• Participando en el metabolismo energético mitocondrial;
• Actúa como componente de diversas enzimas y proteínas.

1.4 Importancia histórica y cultural:

• El uso humano del hierro se remonta a la Edad del Hierro (alrededor de 1200 a. C.), cuando las herramientas y armas de hierro reemplazaron a las de bronce, avanzando significativamente la producción agrícola y la capacidad militar;
• La adopción generalizada de la tecnología de fundición de hierro marcó un hito clave en la civilización humana.
• Hasta el día de hoy, el hierro sigue siendo el material metálico más utilizado a nivel mundial.

Densidades de elementos seleccionados

2.0 Comprensión de la densidad: definición, cálculo y el hierro como ejemplo

2.1 ¿Qué es la densidad?

La densidad es una medida de la cantidad de materia contenida en una unidad de volumen. Refleja cuán compactas están las partículas de una sustancia. Cuanto más compactas estén, más partículas caben en un espacio determinado. Dado que las partículas tienen masa, los materiales con mayor densidad pesarán más para el mismo volumen.

Las unidades comunes de densidad incluyen:

• Unidad SI:kilogramos por metro cúbico (kg/m³)
• Unidades de laboratorio:gramos por centímetro cúbico (g/cm³) o gramos por mililitro (g/mL)
• La densidad se representa comúnmente con la letra griega ρ (rho)

2.2 Fórmula de cálculo de densidad

Densidad (ρ) = Masa (m) / Volumen (V)

Dónde:

• La masa generalmente se mide en gramos (g)
• El volumen se puede expresar en mililitros (mL)o centímetros cúbicos (cm³)
  (Nota: 1 mL = 1 cm³)

2.3 Ejemplo: Densidad de un bloque de hierro

Un bloque de hierro tiene una masa de 23,6 gramos, con dimensiones de 2,0 cm × 2,0 cm × 0,75 cm. Determine su densidad y si es probable que esté hecho de hierro.

Volumen = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 cm³
Densidad = 23,6 g ÷ 3,0 cm³ = 7,87 g/cm³

Conclusión:
El objeto tiene una densidad de aproximadamente 7,87 g/cm³, que es muy cercana a la densidad estándar del hierro puro. Por lo tanto, lo más probable es que se trate de hierro puro o de una aleación a base de hierro.

2.4 Densidad del hierro y de las aleaciones de hierro

La densidad de hierro puro es aproximadamente 7,874 g/cm³
(o 491,5 lb/ft³, 0,284 lb/in³)

La siguiente tabla muestra las densidades de los tipos comunes de hierro y sus aleaciones a temperatura ambiente. Estos valores son útiles para la selección de materiales y los cálculos de ingeniería.

Nota-1: 6,95 a 7,35 g/cm3 (0,251 a 0,265 lb/in.3).

Nota-2: 7,20 a 7,34 g/cm3 (0,260 a 0,265 lb/in.3).

3.0 Factores que afectan la densidad del hierro

3.1 Estructura atómica

La densidad del hierro está influenciada por su estructura cristalina:

• Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC):La ferrita (hierro α, BCC) tiene una densidad ligeramente menor en comparación con la austenita (hierro γ, FCC) debido a su eficiencia de empaquetamiento atómico.
• Estructura cúbica centrada en las caras (FCC):Encontrado en austenita (hierro γ), que tiene una mayor densidad

3.2 Transiciones de temperatura y fase

A medida que aumenta la temperatura, el hierro experimenta transiciones de fase que afectan su estructura cristalina y, por tanto, su densidad:

• hierro α (BCC)transiciones a hierro gamma (FCC) aproximadamente 912°C
• hierro gamma (FCC)se transforma en hierro δ (BCC) alrededor de 1394 °C
• El punto de fusiónde hierro es aproximadamente 1538°

3.3 Adición de elementos de aleación

• Añadiendo elementos como carbónAltera la estructura y densidad del hierro.
• Por ejemplo, el aumento del contenido de carbono en el acero conduce a la formación de perlita, y baja el temperatura de transición de fasealrededor 727°C.

4.0 Preguntas frecuentes sobre la densidad del hierro

Otro: Densidad del aluminio

Referencias:

https://www.princeton.edu/~maelabs/mae324/glos324/iron.htm

https://web.fscj.edu/Milczanowski/psc/lect/Ch4/slide6.htm

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/iron-fertilizers