Óxido de hierro (III)

¿Qué es el óxido de hierro (III)?

El óxido de hierro (III), u óxido férrico, es un sólido inorgánico formado por la reacción del hierro (Fe) y el oxígeno (O₂), donde se obtiene un estado de oxidación del hierro de +3. Su fórmula química es Fe₂O₃.

En la naturaleza se encuentra principalmente en la hematita, mineral que debe su nombre al color rojo de sus rayas. La hematita es la principal mena de hierro para uso industrial.

El color y apariencia del Fe₂O₃ dependen del tamaño y forma de sus partículas, así como de la identidad y cantidad de impurezas y agua presentes. Se conocen los pigmentos amarillo, naranja y rojo. No tiene brillo metálico.

No conduce la electricidad, pero mezclada con otros óxidos permite fabricar vidrios semiconductores. La forma cristalina alfa es antiferromagnética y la gamma es ferromagnética.

Se emplea como pigmento rojo en pinturas, gomas, cerámicas y papel. También en recubrimientos protectores para acero y otros metales. Su versatilidad se debe a su capacidad de teñido y poder de recubrimiento, su resistencia a la luz ultravioleta y a los álcalis.

Se usa en la preparación de granates o piedras finas de varios óxidos metálicos. Sirve para pulir vidrio, diamante y metales preciosos (en joyería). También se utiliza como catalizador en diversas reacciones. Se ha empleado para el tratamiento de aguas residuales.

Estructura del óxido de hierro (III)

• Alfa. La forma cristalina α-Fe₂O₃ tiene la estructura del corindón (mineral de Al₂O₃), donde los iones óxido (O^-2) forman capas empacadas hexagonales, con los iones Fe⁺³ ocupando dos tercios de los sitios octaédricos. En otras palabras, cada Fe⁺³ está rodeado octaédricamente por 6 iones O^-2. Su color cambia al aumentar el tamaño de partícula, desde rojo luminoso a violeta oscuro.
• Gamma. El γ-Fe₂O₃ presenta una estructura tipo espinela con arreglo empacado cúbico de iones óxido, con los iones Fe⁺³ distribuidos aleatoriamente entre los intersticios octaédricos y tetraédricos. Esta variedad cristalina, al calentarse en aire a más de 400 ºC cambia a la estructura alfa. Es marrón.
• Beta y épsilon. Son formas cristalinas raras de este óxido. El β-Fe₂O₃ cristaliza en un sistema romboédrico. Esta estructura es metaestable y al calentarse por encima de aproximadamente 500 ºC cambia a la variedad alfa. El ε-Fe₂O₃ cristaliza de forma ortorrómbica. También es metaestable, y a temperaturas entre 230 y 500 ºC, pasa a la estructura alfa.

Nomenclatura del óxido de hierro (III)

• Hematita: mineral natural de Fe₂O₃ que cristaliza en la forma alfa. También se conoce como especularita u oligisto.

• Maghemita o hematita magnética: forma gamma del Fe₂O₃, poco abundante en la naturaleza.

• Óxido férrico: Fe₂O_3.
• Óxidos de hierro (III) naturales: son los encontrados en la naturaleza. Se han usado desde épocas prehistóricas (en las pinturas de las cuevas de Altamira).
• Óxidos de hierro (III) sintéticos: se preparan sintéticamente, obteniendo una composición que corresponde a la de los minerales naturales. Se prefieren a los naturales por su matiz o tonalidad pura, propiedades consistentes y capacidad de teñido.

Propiedades del óxido de hierro (III)

• Apariencia física. Sólido, cuya coloración puede ser rojo luminoso, marrón rojizo y violeta oscuro, dependiendo de la estructura cristalina y el tamaño de partícula.
• Peso molecular. 159,69 g/mol.
• Punto de fusión. 1.566 ºC.
• Densidad. 5,24 g/cm³
• Solubilidad. Insoluble en agua, soluble en ácido clorhídrico (HCl) y ácido sulfúrico (H₂SO₄).
• Características. Los óxidos de hierro (III) se caracterizan por su baja intensidad de color, su excelente resistencia a la luz ultravioleta, su capacidad de teñido y excelente poder de recubrimiento.
• Toxicidad. Son no-tóxicos, no destiñen y son económicos.
• Reactividad. Son resistentes a los álcalis. No reaccionan con ácidos débiles ni bases débiles. Si no están contaminados con manganeso (Mn), no reaccionan con solventes orgánicos.
• Capacidad magnética. La forma alfa es paramagnética (es atraída por imanes, pero no se convierte en un material permanentemente magnetizado) o antiferromagnética. Es aislante eléctrica. La forma gamma es ferromagnética, es decir, al someterse a un campo magnético se produce ordenamiento de los dipolos magnéticos del material, el cual permanece cierto tiempo después de eliminar el campo magnético.

Usos del óxido de hierro (III)

• Construcción. Los pigmentos de óxido de hierro (III) se usan sobre todo para colorear cemento y otros materiales de construcción: baldosas de concreto, ladrillos de pavimentación, cemento fibroso, bitumen o mortero, entre otros. Pueden incorporarse a muchos aglutinantes debido a su matiz de color puro, buen poder de recubrimiento, buena resistencia a la abrasión y baja tendencia a sedimentar.

• En pinturas y recubrimientos. Por su resistencia a ácidos y bases se emplea como pigmentos de pinturas y barnices. Su resistencia a altas temperaturas hace que sean buenos en esmaltes. Los pigmentos basados en hematita sintética se usan en revestimientos de protección contra la corrosión, especialmente los marinos. Su estructura cristalina retrasa la penetración de la humedad y de las sustancias corrosivas presentes en el salitre. Protege bien en recubrimientos para interiores, exteriores y piezas metálicas. En el mantenimiento y repintado de puentes, su uso conduce a protección contra humedad, rocío o niebla densa, y a fácil secado a bajas temperaturas ambientales. También se utiliza en papel para recubrir paredes.
• En la industria del plástico y gomas. Los óxidos de hierro (III) se emplean para colorear plásticos y gomas. En esta aplicación se prefieren los óxidos de hierro (III) sintéticos. Aunque los óxidos de hierro (III) naturales son más económicos, su uso ha disminuido frente a los sintéticos.
• En vidrio y joyería. Son usados también en pulido de vidrio, metales preciosos, diamantes y piedras preciosas. También sirven como colorantes en la fabricación de vidrios.
• En material magnético de grabación. La forma gamma se ha empleado como material magnético en la producción de medios de grabación magnéticos (sistemas de almacenamiento de información, como audio y videocasetes), en estudios de radiodifusión, disquetes, cintas de computación y discos duros o blandos de ordenadores.
• En la industria alimenticia, farmacéutica y cosmética. Los pigmentos basados en óxidos de hierro (III) sintéticos producidos a partir de materiales de partida puros se consideran no-tóxicos. Por ello, se emplean como colorantes de productos alimenticios, farmacéuticos y cosméticos.
• En catálisis de reacciones químicas. Los óxidos de hierro (III) se utilizan como catalizadores o base de catalizadores en diversos procesos químicos. Junto con acetato de celulosa, se han probado como soporte de nanopartículas de metales para emplearlos como catalizadores en la degradación de compuestos orgánicos tóxicos que contaminan las aguas residuales. Por su capacidad de absorber la luz del espectro visible, se han propuesto para la fotocatálisis en la foto degradación de la contaminación orgánica.
• En la reducción del calentamiento global. La hematita se ha estudiado como sorbente en reacciones de captura de dióxido de carbono (CO₂). Se investiga si esto serviría para ayudar a solucionar el problema de los efectos del calentamiento global producido por la concentración elevada de CO₂ en la atmósfera.
• Otros usos. Por su capacidad adsorbente, el Fe₂O₃ se emplea en la fabricación de sensores de flúor u otros gases, y en detectores de humedad. Mezclado con otros óxidos, se utiliza en la elaboración de cristales semiconductores. Se ha empleado como mejorador de las propiedades electroquímicas en baterías recargables de litio.

Referencias

1. Iron(III) Oxide. Recuperado de americanelements.com.
2. Cotton, F.A., Wilkinson, G. Advanced Inorganic Chemistry. John Wiley & Sons.
3. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Fifth Edition. VCH. Verlagsgessellschaft mbH.
4. La funcionalidad de los óxidos de hierro. Recuperado de revistademetalurgia.revistas.csic.es.
5. Iron oxides as efficient sorbents for CO₂ capture. Journal of Materials Research and Technology. Recuperado de sciencedirect.com.