El hierro: obtención y aplicaciones
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Autores: Silvia Cerdeira, Helena Ceretti y
Eduardo Reciulschi. Responsable disciplinar:
Silvia Blaustein. Área disciplinar:
Química. Temática: Aplicaciones de
materiales de interés tecnológico: hierro. Nivel:
Secundario, ciclo básico y ciclo orientado. Secuencia
didáctica
elaborada por Educ.ar. |
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Propósitos generales
• Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.• Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.
• Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.
Introducción a las actividades
La habilidad de obtener metales a partir de los minerales de la corteza terrestre es un aspecto fundamental para el desarrollo de las civilizaciones. Esta importancia está implícita en el nombre de las dos últimas etapas de la prehistoria: la Edad de Bronce y posteriormente la Edad de Hierro, hace aproximadamente 35 siglos.
¿Cómo se obtienen los metales? Los metales poco reactivos, como el oro, la plata o el platino, se encuentran libres en la naturaleza (Au, Ag, Pt, el número de oxidación es cero). En cambio, los metales más reactivos están formando compuestos, generalmente óxidos, carbonatos o sulfuros. En este caso, la obtención del metal requiere un proceso de reducción química (se emplea carbono) o electroquímica (electrólisis) (Ver secuencias didácticas «Electrólisis» y «Obtención del aluminio»).
La obtención del hierro, el metal más utilizado de la corteza terrestre, nos acerca al estudio de la metalurgia. Para comenzar es importante definir algunos términos:
El hierro es el segundo metal en abundancia en la corteza terrestre después del aluminio (Al: 8% m/m, Fe: 5% m/m). Además, el hierro y el níquel son los elementos constitutivos del núcleo de nuestro planeta. También los meteoritos contienen hierro. No se descarta la hipótesis de que la famosa espada Excalibur, que empuñó el rey Arturo, haya sido forjada a partir de hierro proveniente de un meteorito.
Objetivos de las actividades
Que los alumnos:
• busquen, seleccionen y organicen información sobre el proceso de obtención del hierro;• conozcan algunos términos vinculados con los procesos metalúrgicos, en particular del hierro;
• busquen información sobre la historia de la producción del hierro en la Argentina.
Actividad 1
El hierro pertenece a la familia de los metales reactivos. Por lo tanto, se encuentra en la corteza terrestre formando parte de diferentes minerales: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), pirita (FeS2). El proceso de reducción necesario para su obtención se realiza en un alto horno. El alto horno es una estructura construida en acero revestida con ladrillos refractarios de grandes dimensiones, y puede tener una altura de hasta 60 m y un diámetro de alrededor de 8 m. ¿Cómo funciona? Por la parte superior de la torre se introducen los minerales de hierro en forma de pellets (pequeñas «piedras»), carbón o coke y piedra caliza (CaCO3) como fundente. Desde la parte inferior se agrega aire caliente. La parte superior del horno tiene una temperatura de 250 °C, en la parte central la temperatura es de 900 a 1200 °C y la base del horno llega a los 1700 °C. El gradiente de temperatura permite que se desarrollen diferentes reacciones.
Formación de los agentes reductores
C (s) + CO2 (g) → 2 CO (g) (temperatura > 1700 °C)
2 C (s) + O2 (g) → 2 CO (g) (temperatura > 1700 °C)
Al descender desde la parte superior el carbón o coke reacciona con el oxígeno del aire insuflado desde la parte inferior del horno y se forma CO (g), este gas es el agente reductor.
Reducción de los minerales de hierro
3 CO (g) + Fe2O3 (s) → 2 Fe (l) + 3 CO2 (g) (temperatura > 900 °C)
Los minerales de hierro (óxidos) se reducen formando el metal. Debido a las altas temperaturas que se alcanzan en el horno, este se obtiene fundido. El hierro obtenido se denomina arrabio, contiene un 95% de Fe, 3-4% de C y cantidades variables de otras impurezas.
a) Busquen en la tabla periódica interactiva o en la tabla del programa ChemSketch, instalado en sus equipos portátiles, el punto de fusión del hierro.
Formación de escoria para eliminar las impurezas de la mena
CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g) (temperatura: 800-900 °C)
CaO (s) + SiO2 (s) → CaSiO3 (l) (temperatura: 1200 °C)
6 CaO (s) + P4O10 (s) → 2 Ca3(PO4)2 (l) (temperatura: 1200 °C)
La piedra caliza (CaCO3) se agrega como fundente y ayuda a que se forme la escoria (silicatos y fosfatos de calcio) y que esta funda fácilmente. La escoria que se obtiene como subproducto se destina a la industria cementera.
MnO (s) + C (s) → Mn (l)+ CO (g) (temperatura: 1400 °C)
SiO2 (s) + 2 C (s) → Si (l) + 2 CO (g) (temperatura: 1400 °C)
P4O10 (s) + 10 C (s) → 4 P (l) + 10 CO (g) (temperatura: 1400 °C)
Los minerales de hierro contienen diferentes cantidades de impurezas que también reaccionan y se incorporan en ciertas proporciones al hierro fundido.
b) Empleen el programa Draw o Paint, de sus equipos portátiles, para realizar un esquema de un alto horno. Muestren el gradiente térmico y los cuatro procesos que ocurren en las diferentes regiones del horno.
c) Para complementar la información sobre el diseño y funcionamiento de un alto horno se sugiere ver los capítulos «Minerales del hierro», del programa Materiales y Materias primas de Canal Encuentro.
Al mirar este material documental se recomienda ir tomando nota de los términos asociados con la metalurgia del hierro que son mencionados por el conductor.
d) ¿Por qué se emplean como materias primas los óxidos de hierro y no la pirita? La pirita es un sulfuro de hierro que al reaccionar en el alto horno generará como subproducto SO2 (g). Este óxido de azufre no puede ser emitido a la atmósfera pues contribuye a la formación de lluvia ácida (ver secuencia didáctica «Lluvia ácida»).
•
¿Qué otros gases se generan en el alto horno?
•
¿Qué se hace con ellos?
Actividad 2
a) Busquen en diversas fuentes de información (internet, periódicos, libros) material acerca del desarrollo de la producción del hierro en la Argentina. A modo de guía o palabras clave busquen: Altos Hornos Zapla, Aceros Zapla, SOMISA, Acindar, General Savio.
b) ¿Hay yacimientos de minerales de hierro en la Argentina? ¿Y de piedra caliza y coke? Busquen información sobre el tema. Si los hay, investiguen sobre ellos, su ubicación y la historia sobre su explotación. A modo de guía o palabras clave, busquen: Mina 9 de Octubre, Río Turbio.
c) Ubiquen en un mapa de la Argentina las zonas asociadas con la producción del hierro. Empleen la aplicación Google Earth para localizar geográficamente dichas zonas.
Actividad 3
a) Utilicen el programa Writer o Word, de sus equipos portátiles, para elaborar un glosario con los términos asociados a la metalurgia del hierro vistos en las actividades anteriores. Diseñen la forma de organizar los términos. Pueden introducir links para relacionarlos.b) Organicen grupos de tres o cuatro alumnos. Cada grupo seleccionará un tema del material consultado, que le haya resultado interesante, por ejemplo: la minería extractiva, el proceso tecnológico en el alto horno, la historia sobre la obtención del hierro, los aspectos ambientales asociados con la obtención del hierro.
c) Empleen el programa Impress o PowerPoint de sus equipos portátiles para elaborar una presentación sobre el tema seleccionado. Luego pueden hacer una puesta en común empleando la plataforma Squeak para que todos compartan el material.
d) Incluyan los mapas obtenidos en la actividad 2.
Bibliografía / webgrafía recomendadas
ALDABE, S. ARAMENDÍA, P. y LACREAU, L. Química I. Fundamentos. Colihue. Buenos Aires: 1999.
Historia y cultura - Edad del hierro
Estructura interna de la Tierra