Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Aprender a reducir el hierro contenido en el óxido de hierro significó un hito importantísimo en la historia de la Humanidad. Se habían obtenido antes otros metales, pero el hierro necesitaba unas condiciones mucho más energéticas y por eso tardó más en llegar. Actualmente el proceso industrial es complicado y requiere mucha energía, pero aquí se propone un experimento de laboratorio que permite obtener pequeñas cantidades de hierro con pocos requerimientos.
El experimento
Se sumerge la cabeza de una cerilla en agua para humedecerla. (Si la cerilla no es de seguridad funcionará mejor). Después la cabeza se introduce en carbonato de sodio en polvo para que se impregne de esta sal y a continuación en óxido de hierro(III) también en polvo. Se acerca a la llama azul de un mechero Bunsen (para obtener la energética llama azul deben estar abiertos los agujeros de entrada de aire del mechero); la cerilla se encenderá. La apagaremos cuando se haya quemado la mitad del palo.
Una vez fría, aplastar la parte carbonizada en un vidrio de reloj con ayuda de una espátula. Pasar un imán por debajo del vidrio de reloj y se verá que las partículas de hierro que se han formado se mueven. (Si se desea retirar el hierro producido, conviene envolver previamente el imán en un plástico para que sea fácil despegarle las pequeñas partículas de hierro que se le adhieran.
Obviamente, este no es un buen método para obtener hierro a gran escala, pero sí es muy didáctico porque ilustra el fundamento de la siderurgia.
Fundamento
La obtención de hierro en los altos hornos a partir de óxido de hierro y carbón (coque) es un proceso complejo constituido de múltiples etapas pero que se podría resumir mediante la siguiente reacción:
2 Fe2O3 + 3 C ⟶ 4 Fe + 3 CO2
Una etapa importante es la obtención de CO a partir del carbón; este CO es el verdadero reductor según la reacción:
Fe2O3 + 3 CO ⟶ 2 Fe + 3 CO2
En el proceso industrial se hace intervenir a otras sustancias para que cumplan objetivos secundarios pero necesarios. Así, como la mena de óxido de hierro que se utiliza suele venir acompañada de dióxido de silicio (SiO2) y silicatos, hay que deshacerse de ellos. Esto se consigue añadiendo carbonato de calcio (CaCO3, caliza) a la mena. Con el calor, el carbonato se descompone así:
CaCO3 ⟶ CaO + CO2
El óxido de calcio tiene naturaleza básica, por lo que reaccionará fácilmente con el SiO2, que es un óxido de tipo ácido acido, según este proceso ácido-base que produce escoria de silicato cálcico:
SiO2 + CaO ⟶ CaSiO3
En el experimento de obtención de hierro con una cerilla, óxido de hierro y carbonato de sodio es de esperar que se produzcan reacciones parecidas a las que tienen lugar en los altos hornos, pero lógicamente no todo va a ser igual. El carbón no se añade como reactivo, sino que se genera in situ al quemarse la cerilla; a su vez, parte de este carbón se quemará y producirá monóxido de carbono. El carbonato de sodio que se utiliza no tiene ni mucho menos la función del carbonato de calcio de los altor hornos; su papel es el de proporcionar una fase líquida (ya que funde a solo 851 oC) para mejorar el contacto entre el óxido de hierro y el carbón.
El hierro que se obtiene surgirá en forma de nódulos microscópicos. Al tener propiedades ferromagnéticas será atraído por un imán.
No habría que desdeñar la posible influencia de la cera o parafina en las cerillas que la contienen. La cera es un hidrocarburo de cadena larga cuya fórmula podemos simplificar como (CH2)n. Tiene propiedades reductoras, por lo que podría producirse una reacción rédox como esta:
Fe2O3 + (1/n) (CH2)n ⟶ 2 Fe + CO2 + H2O
Algunas cerillas quemadas son magnéticas
Hay cerillas que son atraídas por un imán potente después de quemarlas incluso si no las impregnamos con óxido de hierro. Esto se debe a que contienen pequeñas cantidades de Fe2O3 junto a otros óxidos como ZnO y MnO2 cuya función es controlar la temperatura de ignición. El MnO2 tiene propiedades magnéticas muy débiles. El Fe2O3 en teoría es ferromagnético, aunque su ferromagnetismo solo será destacable si microscópicamente el material está formado por granos o dominios magnéticos cuyos momentos magnéticos tengan direcciones y sentidos más o menos paralelos.
Referencias
- Blast furnace. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Blast_furnace.
- Extraction of iron on a match head. Education (Royal Society of Chemistry / Nuffield Foundation). https://edu.rsc.org/experiments/extraction-of-iron-on-a-match-head/722.article.
Este experimento pertenece al libro:
Denís Paredes Roibás, José M.ª Gavira Vallejo: 125 experimentos de química insólita para la Enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/125eqi/ .
