Burdina

Burdina elementu kimiko bat da, Fe ikurra (Ferrum, latinezko izena) eta 26 zenbaki atomikoa dituena. Taula periodikoko 8. taldean kokatua dago eta trantsizio metalen lehen seriean aurkitzen da. 8.taldeko elementuek bezala, burdina hainbat oxidazio egoera izan ditzake, 0tik +6 -rako oxidazio egoera posibleak dira baina ohikoenak +2 eta +3 oxidazio egoerak dira. Burdinezko gainazalak gris kolorea izaten dute baina normalean atmosferako oxigenoarekin erreakzionatzen du, burdina oxido hidratatuak emateko.

Burdina
26 Manganesoa ← Burdina → Kobaltoa
26 Fe                                                                                                                                                                                                                                           Taula periodikoa
Ezaugarri orokorrak
Izena, ikurra, zenbakia	Burdina, Fe, 26
Serie kimikoa	Trantsizio-metalak
Taldea, periodoa, orbitala	8, 4, d
Masa atomikoa	55,845 g/mol
Konfigurazio elektronikoa	Ar 4s4 3d6
Elektroiak orbitaleko	2, 8, 14, 2
Propietate fisikoak
Egoera	solidoa (ferromagnetikoa)
Dentsitatea	(0 °C, 101,325 kPa) 7874 g/L
Urtze-puntua	1811 K (1538 °C, 2800 °F)
Irakite-puntua	3134 K (2861 °C, 5182 °F)
Urtze-entalpia	13,8 kJ·mol−1
Irakite-entalpia	349,6 kJ·mol−1
Bero espezifikoa	(25 °C) 13,81 J·mol−1·K−1
Lurrun-presioa P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K } 1890 2091 2346 2679 3132
Propietate atomikoak
Kristal-egitura	kubikoa, gorputzean zentratua
Oxidazio-zenbakia(k)	6, 5, 4, 3, 2, 1
Elektronegatibotasuna	1,83 (Paulingen eskala)
Ionizazio-potentziala	1.a: 762,5 kJ/mol 2.a: 1561,9 kJ/mol 3.a: 2957 kJ/mol
Erradio atomikoa (batezbestekoa)	140 pm
Erradio atomikoa (kalkulatua)	156 pm
Erradio kobalentea	125 pm
Van der Waalsen erradioa	- pm
Datu gehiago
Eroankortasun termikoa	(300 K) 80,2
Soinuaren abiadura	(293,15 K) 4910 m/s
Isotopo egonkorrenak
Burdinaaren isotopoak iso UN Sd-P D DE (MeV) DP 54Fe 5,8% >3.1×1022 u ε ? 54Cr 55Fe Sintetiko 2,73 urte ε 0,231 55Mn 56Fe 91,72% Fe egonkorra da 30 neutroirekin 57Fe 2,2% Fe egonkorra da 31 neutroirekin 58Fe 0,28% Fe egonkorra da 32 neutroirekin 59Fe Sintetiko 44,503 e β- 1,565 59Co 60Fe Sintetiko 1,5x106 urte β- 3,978 60Co

Bere masa dela eta, trantsizio-metal hau lurrazalean dagoen elementu ugarienetakoa da, elementu kimiko guztien artean laugarrena ugaritasunari dagokionez, osotasunaren % 5a. Bere ugaritasuna planeta harritsuetan, izar pisutsuetan ematen diren fusio-erreakzioengatik agertzen da. Unibertsoan paper berezi eta garrantzitsua betetzen duen elementua dugu.

Lurreko nukleoa burdin eta nikelez osatua dago, eta bere errotazioak Lurraren eremu magnetikoa sortzen du.

Bestalde, burdina historikoki ere garrantzitsua izan dugu (izan ere, oraindik metalurgia industriaren oinarria da), historiako aro bati erreferentzia egin arte: «Burdin Aroa».

Burdinak biologia mailan garrantzi handia du, oxigenoarekin konplexuak eratzen ditu hemoglobina eta mioglobinan. Burdinaren konplexuen bidez, oxigenoa garraia daiteke.

Ezaugarri nabarmenak

Metal gris, harikor, xaflakor eta zailtasun handikoa da, ezaugarri magnetikoak erakusten dituena. Ferromagnetikoa da giro tenperaturan.

Naturan hainbat mineralen parte bezala azaltzen da, horien artean asko oxidoak izanik eta eskuarki ez da aske aurkitzen. Burdin purua lortzeko burdin mineralak karbonoarekin erreduzitzen dira, ondoren ezpurutasunak garbituz.

Metalurgi-industrian erabiltzen da gehienbat altzairua erdiesteko helburuarekin.

Fusio nuklearrarren bitartez produzitu daitekeen elementurik pisutsuena da eta fisioaren bitartez lor daitekeen arinena. Honen gakoa nukleoko lotura energian dago (nukleoan protoia, neutroitik banatzeko beharrezko energia), izan ere burdinak, eta nagusiki bere ⁵⁶Fe nukleoak, nukleoiko lotura energia handiena dauka. Ondorioz ⁵⁶Fe nukleoa unibertsoko egonkorrena dugu.

Alotropoak

Burdin puruaren fase diagrama

Burdinaren lau polimorfo ezagutzen dira: α, γ, δ, eta ε. Galdatutako burdina bere hozte puntutik (1538 °C) aurrera δ alotropoan kristaltzen da eta horrek gorputzean zentraturiko kuboa (bcc) izeneko kristal egitura dauka. 1394 °C-tik aurrera hoztean γ alotropora aldatzen da eta horrek aurpegian zentraturiko kubo (fcc) egitura dauka. 912 °C-tik behera α alotropora aldatzen da, bcc egitura duena. Azkenik, 770 °C-tik aurrera paramagnetiko izatetik ferromagnetiko izatera pasatzen da. Curie tenperatura gaindituta burdinaren propietate magnetikoak agertuz doaz, egitura aldatu gabe. Magnetizatu gabeko burdinean atomoen spin elektronikoek ingurukoekiko ardatz orientazio ezberdina dutenez elkar deuseztatzen dira, eremu magnetiko baliogabetuz. Magnetizatutakoan, ordea, spin elektronikoak lerrokatu egiten dira eta efektu magnetikoak sendotzen dira. 10GPa eta 100K inguruko tenperaturetan burdina α formatik ε alotropora aldatzen da, egitura hexagonal trinkoa (hcp) duena; γ fasea ere presio altuagoetan ε fasera aldatzen da. Presio altuko burdinaren forma hauek garrantzitsuak dira planetaren konposizioa aztertu ahal izateko.

Propietate mekanikoak

Burdinaren propietateak asko aldatzen dira purutasunarekin batera: industrialki ekoitzitako burdina puruenak (% 99,99) 20-30 Brinell-eko gogortasuna dauka. Konposizioaren karbono kopurua handitzean burdinaren gogortasuna eta trakzio indarra nabarmenki handitzen dira.

Planeten nukleoan duen garrantzia dela eta sakonki ikertu dira burdinaren propietate fisikoak tenperatura eta presio altuetan. Baldintza estandarretan egonkorra den burdina 15GPa-ko presioak jasan ditzake presio altuko forma batera aldatu aurretik.

Historia

Burdinaren produkzioa Brontze aroan hasi zen, baina mende ugari igaro ziren burdinaren erabilera nagusia izan zen arte. Asmar, Mesopotamia eta Tall Chagar Bazaar-eko burdinaren lagin urtuak K. a 3000 eta 2700 urteetan egin ziren. Hititek Antoliaren iparralde-erdialdean inperio bat sortu zuten K. a 1600 urtean. Badirudi hititek burdinaren produkzioa aurrera eraman zuten lehenak  izan zirela bere mineraletik abiatuta. Hauek burdina urtzen hasi ziren  K. a 1500 eta 1200 urteen artean eta bere fundizioa ekialde gertura zabaldu zen inperioak behera egin zuen arte K. a 1800 urtean.

Beste zenbait froga arkeologikoek badiote burdina K.a VIII mendean Zimbabwen eta Afrikako hego-ekialdean urtzen hasi zirela. Burdinezko lanak K.a XI mendearen amaieran hasi ziren sartzen Grezian. Bertatik, Europara zabaldu zen.

Iraultza industrialean, Henry Cort arrabio burdina forjatutako burdinara bihurtzen hasi zen  produkziozko sistema berritzaileak erabiliz.

Burdina urtua K.a V mendean produzitu zen Chinan baina Erdi Aro arte ez zen Europara zabaldu. Burdina urtua gerrarako, nekazaritzarako eta arkitekturarako erabiltzen zen Chinan. Erdi Aroan, aldiz, forjatutako burdina burdina urtutik lortzen zen. Honetarako karbonoa erabiltzen zen erregai gisa.

Isotopoak

Burdina naturalak lau isotopo egonkor ditu: % 5,824 ⁵⁴Fe, % 91,754 ⁵⁶Fe, % 2.119 ⁵⁷Fe eta % 0,282 ⁵⁸Fe. Isotopo horietatik spina (-1/2) duen bakarra ⁵⁷Fe da. Burdinaren isotoporik ugariena ⁵⁶Fe da eta nahiko interes zientifiko garrantzitsua du nukleosintesiaren amaierako puntua delako. Horrela, burdina elementu ugariena da erraldoi gorrien nukleotan eta metal ohikoen da meteoritoetan eta Lur planeta bezalako nukleo metalikoetan. Burdina unibertsoan dagoen seigarren elementu ugariena da.

Agerpena

Burdina meteorito baten zati bat

Burdina metalikoa gainazalean oso gutxitan aurkitzen da, oxidatzeko joera duelako, baina, bere oxidoak nagusi dira lehen mailako mineraletan. Burdinak lurrazaleko % 5-a osatzen duen bitartean, Lurreko barne eta kanpo nukleoen zati handia nikel-burdina aleazioz osatuta dago eta horrek planetaren masa osoaren % 35-a osatzen du. Gainazalean dagoen burdinaren parte handiena oxigenoarekin konbinatuta agertzen da hematita (Fe₂O₃), magnetita (Fe₃O₄) eta siderita (FeCO₃) bezalako mineralak eratuz. Arroka igneo askok ere petlandita (Ni,Fe)₉S₈ eta pirrotita sulfuro mineralak dituzte. Ferroperiklasa, periklasa (MgO) eta wustitaren (FeO) nahastea, Lurraren behe mantuaren bolumenaren %20-a osatzen du eta horrek zati horren bigarren fase mineral ugariena bihurtzen du.

Gutxi gora behera 20 meteoritotik bat nikel eta burdinezko, tenita eta kamazita mineralez osatuta daude. Arraroak diren arren, meteoritoak gainazalean dagoen Fe metalikoaren forma adierazgarrienetarikoak dira.

Burdinaren kimika eta konposatuak

Burdinak gehienbat +2 eta +3 oxidazio egoeretan konposatuak eratzen ditu. Baina badira beste zenbait konposatu +2 eta +3 oxidazio egoerak ez dituztenak, hala nola, potasio ferratoa (K₂FeO₄) +6 oxidazio egoeran. Bestalde, badira zenbait burdinaren konposatu organometaliko non metalaren oxidazio egoera -1,0,+1 edo -2 izan daitekeen, baina oso arraroak dira.

Burdina (II) oxidoa

Industria mailan ekoizten diren burdinaren konposaturik garrantzitsuenak burdina (II) sulfatoa (FeSO₄·H₂O) eta burdina (III) kloruroa (FeCl₃) dira. Burdina (II) sulfatoa burdina +2-aren iturririk garrantzitsuenetariakoa da baina Mohr gatza ((NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O)  baino nahiko ezegonkorragoa da. Burdina (II) konposatuak +3 oxidazio egoerara oxidatzeko joera dute airearekin kontaktuan daudenean.

Burdina bere taldeko elementurik erreaktiboena da. Ez du azido nitrikoarekin erreakzionatzen ezta beste zenbait oxidatzaileekin azalean agertzen den oxidoa dela eta; azken honek HCl-rekin erreakzionatzen du.

Konposatu binarioak

Burdina (III) oxidoa

Burdinak aireko oxigenoarekin oxidoak eta hidroxidoak ematen ditu. Konposatu ezagunenak burdina (II,III) oxidoa eta burdina (III) oxidoa dira. Burdin (II) oxidoa ere existitzen da baina giro tenperaturan ezegonkorra da. Sulfuroen artean, FeS₂ dugu, disulfuro bat, Fe²⁺ eta S₂^2- ioi dituena sodio kloruro egituran.

Burdina haluroak oso ezagunak dira, burdina (III) ioduroa izan ezik. Normalean, haluro ferrosoak hidrohaluroekin tratatzean sortzen dira.

${\ce {Fe + 2HX -> FeX2 + H2}}$ (X = F, Cl, Br, I)

Burdinak fluorrarekin, kloroarekin eta bromoarekin erreakzionatzen du dagokion haluro ferrikoa emateko.

${\ce {2 Fe + 3 X2 -> 2 FeX3}}$ (X = F, Cl, Br)

Ioduro ferrikoa termodinamikoki ezegonkorra da Fe³⁺-aren oxidazio potentziala  eta I₂-aren erredukzio potentzial altua dela eta.

Burdin (II, III) oxidoa

${\ce {2I- + 2Fe^{3+}-> I2 + 2Fe^{2+}}}$ (E⁰ = +0.23 V)

Disoluzioko kimika

Erredukzio potentzial estandarrak ingurune azidoan hurrengo hauek dira:

${\ce {Fe^2+ +2e- -> Fe}}$                                               Eº:-0.447V

${\ce {Fe^3+ +3e- -> Fe}}$                                                Eº: -0.037V

${\ce {FeO4^2- + 8H+ + 3e- -> Fe^3+ + 4H2O}}$            Eº:+2.20V

Ferrato (VI) anioia oso oxidatzaile sendoa da eta nitrogenoa eta amoniakoa giro tenperaturan oxidatzen ditu, baita ura ere pH azido edo neutroetan.

Burdinaren Pourbaix diagrama

Fe³⁺ ioiak hexaaqua konplexuak eratzen du uretan eta hurrengo hidrolisiak ematen ditu uretan:

${\ce {[Fe(H2O)6]^3+ <=> [Fe(H2O)5(OH)]^2+ + H+}}$                  K=10^-3.05

${\ce {[Fe(H2O)5(OH)]^2+ <=> [Fe(H2O)4(OH)2] + H+}}$             K=10^-3.26

Koordinazio konposatuak

Burdinazko koordinazio-konposaturik ezagunenetariko bat hexakloruroferrato (III) anioia da, [FeCl₆]^3-.

Burdina metalikoaren produkzioa

Burdina hautsa

Burdinaren edo altzairuaren produkzioaren prozesuak bi etapa ditu nagusiki, lehenengo etapan arrabioa produzitzen da labeetan, bigarren etapan arrabioa altzairuan edo burdina urtu bihurtzen da.

Industrian burdinaren produkzioa burdinaren mineraletik abiatzen da, normalean hematitatik Fe₂O₃ edo magnetitatik Fe₃O₄. Oxido hauek karbonoarekin (koke) erreduzitzen dira tenperatura altuetan, normalean 2000 °C-etan, prozesuan kareharria erabiltzen da, silikatoak lehengaitik eliminatzeko erabiltzen da. Labearen goiko aldean burdina mea, kokea eta kareharria jartzen da, tenperaturaren eraginez burdina urtzen da, eta labearen beheko aldera jaisten da, bitartean kokea oxidatu egiten da CO gasa emateko eta gas honek burdina erreduzitzen du, burdina lortuz.

Labean ematen diren erreakzioak, kokearen oxidazioa:

${\ce {2 C + O2 -> 2 CO}}$

Karbono monoxidoak burdina erreduzitzen du, karbono dioxidoa askatuz.

${\ce {Fe2O3 + 3 CO -> 2 Fe + 3 CO2}}$

Burdina oxidoak tenperatura altuko guneetan zuzenean koke-arekin erreakzionatzen du.

${\ce {2 Fe2O3 + 3 C -> 4 Fe + 3 CO2}}$

Ez-purutasunak kentzeko kareharria gehitzen da (kaltzio karbonatoa), honek silikatoak eliminatzen ditu lortzen den burdina ahalik eta puruena izateko. Lehenengo CaO eratzen da karbono dioxidoa askatuz eta kaltzio oxidoak silikatoekin erreakzionatzen du burdinetik bananduz:

${\ce {CaCO3 ->CaO + CO2}}$

${\ce {CaO + SiO2 -> CaSiO3}}$

Ez-purutasunek burdina baino dentsitate txikiagoa dutenez burdinaren gainean geratzen dira, beraz banandu egiten dira. Burdina hozten denean arrabioa lortzen da eta altzairua sortzeko erabili ohi da. Ez-purutasunak edo sarra errepideak eraikitzeko material bezala edo ongarri bezala erabili daitezke.

Zuzenezko-burdinaren erredukzioa

Ingurugiroa gehiago errespetatzen duten metodo alternatiboak ere garatu dira burdinaren erredukzioa egiteko. Prozesu honek bi etapa ditu.

Gas naturala partzialki oxidatzen da (Beroa eta katalizatzailearekin):

${\ce {2 CH4 + O2 -> 2 CO + 4 H2}}$

Burdina minerala gasarekin tratatzen da labe baten, burdina solidoa eratuz.

${\ce {Fe2O3 + CO + 2 H2 -> 2 Fe + CO2 + 2 H2O}}$

Silikatoak kareharria gehituz eliminatzen dira, labeetako prozesamenduan egiten den bezala.

Termita-erreakzioa

Aluminio hautsaren eta burdina oxidoaren errekuntzaren produktua da burdina.

${\ce {Fe2O3 + 2 Al -> 2 Fe + Al2O3}}$

Aplikazioak

Metalgintza

Burdina metal erabiliena da, mundu mailako produkzioa % 90-ekoa izanda. Bere kostu urriak eta bere erresistentzia dela eta ingeneritzan, eraikuntza makinarian eta tresna-makinetan, autoetan, itsasontzi kroskoetan eta eraikin askotako konposatu estrukturaletan erabiltzen da. Burdina purua nahiko biguna eta erreaktiboa izanda, aleazio elementuekin konbinatzen da altzairua sortzeko.

Burdina karbono fase diagrama

Ferrita (α-burdina) metal nahiko biguna da eta konzentrazio oso urrian karbonoa disolbatu daiteke. Austenita (y-burdina) nahiko leuna eta metalikoa ere bada eta burdinaren forma hau altzairu herdolgaitz bezala erabiltzen da mahai tresnetan, medikuntza-materialetan…

Aplikazio tradizionalez gain burdina erradiazio ionizanteen babeserako erabiltzen da. Burdina eta altzairua erraz oxidatzen dira, oxidazioa saihesteko pinturaz, galbanizazio prozesu bidez eta pasibazioz babestu daiteke.

Konposatu metalikoak

Burdinaren erabilera garrantzitsuena metalurgia izan arren, haren konposatuak oso hedatuta daude industrian. Burdina katalizatzaileak Haber-Bosch prozesuetan erabiltzen dira  amoniakoa egiteko eta Fischer-Tropsch prozesuetan karbono monoxidoa hidrokarburo bihurtzeko.

Burdina (III) kloruroa ura purifikatzeko eta hondakin-uren tratamenduetan erabiltzen da. Baita oihalen tindaketetan, margoen agente koloratzaile gisa eta animalientzako elikagaietan dauden mendekotasun sortzaileetan. Burdina (II) sulfatoa beste burdin konposatuen aitzindari moduan erabiltzen da. Baita, elikagaiak indartzeko eta burdina faltagatik sortzen den anemia tratatzeko. Burdina (III) sulfatoa ur hondakinen partikulak sedimentatzeko erabiltzen da. Burdina (II) kloruroa malutapena erreduzitzeko agente gisa erabiltzen da, burdin konplexua eta burdina oxido magnetikoen eraketan, eta sintesi organikoan erreduzitzaile gisa.

Biokimika

Burdinaren konposatu bioinorganikoak hemoproteinak dira, hala nola, hemogoblina, mioglobina eta P450 zitokromoa. Hauek gasen garraioan, proteinen sintesian eta elektroien transferentzian parte hartzen dute.

Burdina duten elikagaien artean haragi gorriak, ostrak, dilistak, oilaskoa, arrain eta garbantzuak ditugu. Beste zenbaitetan badira zenbait ogi eta zereal burdinetan aberatsak direnak. Elikagaietatik hartzen dugun burdina normalean burdina (II) fumarato bezala aurkitzen da.

Organismoan burdina eza konpentsatzen baldin ez bada anemia ekar dezake. Gaixotasun honek globulu gorri eta hemoglobina eza adierazten du. Normalean burdina eza hau baxua izaten da baina tratatu egiten baldin ez bada, bihotzeko taupada arinak eta irregularrak sor ditzake baita haurdunaldian arazoak ere.

Burdina kontzentrazio altuak odolean burdina askearen maila gehiegizkoa izatea ekar dezake. Ondorioz, burdinezko peroxidoek ADN-a kaltetu ditzake.

Kimioterapia jasaten duten pertsonek anemia edo burdina eza jasaten dute. Ondorioz, zainetako terapia baten bidez, burdinaren kontzentrazioak handitu egiten dira. Burdinaren kontzentrazioa altua haragi gorrien kontsumo handiagatik gerta daiteke.

Ikus, gainera

• Altzairu
• Bessemer prozesua

Kanpo estekak

• Datuak: Q677
• Multimedia: Iron / Q677