Ferro

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Ferro
Aspetto
Aspetto dell'elemento
Metallo argenteo
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico ferro, Fe, 26
Serie metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco 8 (VIIB), 4, d
Densità 7874 kg/m³
Durezza 4,0
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 55,84 uma
Raggio atomico (calc.) 126 pm
Raggio covalente 140 (156) pm
Configurazione elettronica [Ar]3d64s2
e per livello energetico 2, 8, 14, 2
Stati di ossidazione 2,3,4,6 (anfotero)
Struttura cristallina cubica a corpo centrato
cubica a facce centrate fra 907 °C e 1400 °C
Proprietà fisiche
Stato della materia solido (ferromagnetico)
Punto di fusione 1808 K (1535 °C)
Punto di ebollizione 3273 K (3000 °C)
Volume molare 7,09 × 10-6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione 349,6 kJ/mol
Calore di fusione 13,8 kJ/mol
Tensione di vapore 7,05 Pa a 1808 K
Velocità del suono 4910 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS 7439-89-6
Elettronegatività 1,83 (scala di Pauling)
Calore specifico 440 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica 9,96 × 106 /(m·Ω)
Conducibilità termica 80,2 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione 762,5 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1561,9 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 2957 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione 5290 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
54Fe 5,8% Fe è stabile con 28 neutroni
55Fe sintetico 2,73 anni ε 0,231 55Mn
56Fe 91,72% Fe è stabile con 30 neutroni
57Fe 2,2% Fe è stabile con 31 neutroni
58Fe 0,28% Fe è stabile con 32 neutroni
59Fe sintetico 44,503 giorni β- 1,565 59Co
60Fe sintetico 1,5 × 106  anni β- 3,978 60Co
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il ferro è l'elemento chimico di numero atomico 26.

La parola "ferro" è usata nel linguaggio comune per indicare le "leghe di ferro" a bassa resistenza definiti acciai dolci. Tale elemento lo si trova sempre legato ad altri quali: carbonio, silicio, manganese, cromo, nichel, ecc. Con il carbonio il ferro forma le sue due leghe più conosciute: l'acciaio e la ghisa. A livello industriale si riesce ad ottenere ferro con una purezza che si avvicina al 100%, tale prodotto viene poi utilizzato per essere legato ad altri elementi chimici per ottenere leghe dalle più diverse caratteristiche.

Estremamente importante nella tecnologia per le sue caratteristiche meccaniche, la sua lavorabilità, in passato fu tanto importante da dare il nome ad un intero periodo storico, l'età del ferro.

Cenni storici[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Età del ferro e Storia della siderurgia.
Simbolo alchemico del ferro

Le prime prove di uso del ferro vengono dai Sumeri e dagli Ittiti, che già 4000 anni prima di Cristo lo usavano per piccoli oggetti come punte di lancia e gioielli ricavati dal ferro recuperato da meteoriti. Poiché le meteoriti cadono dal cielo, gli antichi greci chiamarono Sider = stelle il ferro e quel ch'era ad esso legato siderurgico.

In alchimia, durante il medioevo, il ferro era associato a Marte.

La storia dell'impiego e della produzione del ferro è comune a quella delle sue leghe ghisa e acciaio.

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Il ferro è il metallo più abbondante all'interno della Terra (costituisce il 34,6% della massa del nostro pianeta) ed è il quarto elemento per abbondanza nell'intero universo. La concentrazione di ferro nei vari strati della Terra varia con la profondità: è massima nel nucleo, che è costituito probabilmente da una lega di ferro e nichel e decresce fino al 4,75% nella crosta terrestre. La grande quantità di ferro presente al centro della Terra non può essere tuttavia causa del suo campo magnetico, poiché tale elemento si trova con ogni probabilità ad una temperatura elevata, dove non esiste ordinamento magnetico nel proprio reticolo cristallino (tale temperatura è detta temperatura di Curie). Il suo simbolo Fe è una abbreviazione della parola ferrum, il nome latino del metallo.

Il ferro è un metallo estratto da minerali: non si rinviene ferro puro in natura (nativo). Per estrarre il ferro dai suoi minerali, all'interno dei quali si trova nello stato ossidato, è necessario rimuovere le impurità per riduzione chimica del minerale. Il ferro si usa solitamente per produrre acciaio, che è una lega a base di ferro, carbonio ed altri elementi.

Il nucleo di ferro ha la più alta energia di legame per nucleone, perciò è l'elemento più pesante che è possibile produrre mediante fusione nucleare di nuclei atomici più leggeri e il più leggero che è possibile ottenere per fissione: quando una stella esaurisce tutti gli altri nuclei leggeri e arriva ad essere composta in gran parte di ferro, la reazione nucleare di fusione nel suo nucleo si ferma, provocando il collasso della stella su sé stessa e dando origine ad una supernova.

Secondo alcuni modelli cosmologici che teorizzano un universo aperto, vi sarà una fase dove, a seguito di lente reazioni di fusione e fissione nucleare, tutta la materia sarà convertita in ferro.

Forme allotropiche del ferro[modifica | modifica sorgente]

Esistono tre forme allotropiche del ferro, denominate:

  • ferro alfa
  • ferro gamma
  • ferro delta.

Come si può vedere dal seguente diagramma di fase del ferro puro, ognuna di tali forme allotropiche esiste in un determinato intervallo di temperatura:[1]

  • il ferro alfa esiste a temperature inferiori a 910 °C;
  • il ferro gamma esiste a temperature comprese tra 910 °C e 1394 °C;
  • il ferro delta esiste a temperature comprese tra 1394 °C e 1538 °C.

Le varie forme allotropiche del ferro sono differenti dal punto di vista strutturale: il ferro alfa e il ferro delta presentano un reticolo cubico a corpo centrato (con una costante di reticolo maggiore nel caso del ferro delta), mentre il ferro gamma presenta un reticolo cubico a facce centrate.[1]

Le soluzioni solide interstiziali del carbonio nel ferro assumono nomi differenti a seconda della forma allotropica del ferro in cui il carbonio è solubilizzato:[2]

  • ferrite alfa: carbonio in ferro alfa;
  • austenite: carbonio in ferro gamma;
  • ferrite delta: carbonio in ferro delta.
Diagramma di fase del ferro puro

Disponibilità[modifica | modifica sorgente]

Acque di colorazione rossastra, impartita dal ferro contenuto nelle rocce.
Frammenti di meteoriti contenenti ferro metallico.

Il ferro è uno degli elementi più comuni sulla Terra, di cui costituisce circa il 5% della crosta. La maggior parte di esso si trova in minerali costituiti da suoi vari ossidi, tra cui l'ematite, la magnetite, la limonite e la taconite.

Si ritiene che il nucleo terrestre sia costituito principalmente da una lega di ferro e nichel, la stessa di cui è costituito circa il 5% delle meteoriti. Benché rare, le meteoriti sono la principale fonte di ferro reperibile in natura allo stato metallico. Sono da ricordare quelle del Canyon Diablo, in Arizona (USA).

Produzione[modifica | modifica sorgente]

Ferro fuso durante la lavorazione dell'acciaio

Industrialmente, il ferro è estratto dai suoi minerali, principalmente l'ematite (Fe2O3) e la magnetite (Fe3O4), per riduzione con carbonio in una fornace di riduzione a temperature di circa 2000 °C. In una fornace di riduzione, la carica, una miscela di minerale di ferro, carbonio sotto forma di coke e calcare viene messa nella parte alta della fornace, mentre una corrente di aria calda viene forzata nella parte inferiore.

Nella fornace, il carbon coke reagisce con l'ossigeno dell'aria producendo monossido di carbonio:

2 C + O2 → 2 CO

Il monossido di carbonio riduce il minerale di ferro (nell'equazione seguente, ematite) per fondere il ferro, diventando biossido di carbonio nella reazione:

3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2

Il calcare serve a fondere le impurità presenti nel materiale, principalmente biossido di silicio, sabbia ed altri silicati. Al posto del calcare (carbonato di calcio) è possibile usare la dolomite (carbonato di magnesio). Altre sostanze possono essere usate a seconda delle impurità che devono essere rimosse dal minerale. L'alta temperatura della fornace decompone il calcare in ossido di calcio (calce viva):

CaCO3CaO + CO2

Poi l'ossido di calcio si combina con il diossido di silicio per formare la scoria

CaO + SiO2CaSiO3

La scoria fonde nel calore dell'altoforno (il diossido di silicio da solo resterebbe solido) e galleggia sopra il ferro liquido, più denso. Lateralmente, l'altoforno ha dei condotti da cui è possibile spillare la scoria liquida o il ferro fuso, a scelta. Il ferro così ottenuto è detto ghisa di prima fusione, mentre la scoria, chimicamente inerte, può essere usata come materiale per la costruzione di strade o in agricoltura come concime, per arricchire suoli poveri di minerali.

Nel 2000 sono state prodotte nel mondo circa 1100 milioni di tonnellate di minerale di ferro, per un valore commerciale stimato di circa 25 miliardi di dollari, da cui si sono ricavate 572 milioni di tonnellate di ghisa di prima fusione. Anche se l'estrazione di minerali di ferro avviene in 48 paesi, il 70% della produzione complessiva è coperto dai primi cinque: Cina, Brasile, Australia, Russia e India.

Analisi[modifica | modifica sorgente]

Densità[modifica | modifica sorgente]

La densità può variare. Sono stati rilevati casi dai 7432 kg/m3 ai 7800 kg/m3 fino agli 8345 kg/m3.

Analisi colorimetrica[modifica | modifica sorgente]

Gli ioni ferro(II) (Fe2+) e ferro(III) (Fe3+) formano complessi di colore rosso con numerosi composti organici. Due di questi complessi sono usati a scopo analitico, la concentrazione dello ione ferro(II) o ferro(III) viene dedotta dalla misura dell'intensità del colore del complesso formatosi.

Metodo del tiocianato[modifica | modifica sorgente]

Il campione, in soluzione acida per acido cloridrico o acido nitrico 0,05 M - 0,5 M viene trattato con un eccesso di soluzione di tiocianato di potassio (KSCN); gli ioni tiocianato formano con gli ioni di ferro(III) dei complessi colorati rosso-ruggine, in eccesso di tiocianato lo ione complesso maggioritario è Fe[(SCN)6]3-. Gli ioni ferro(II) non reagiscono, ma possono essere preventivamente ossidati a ioni ferro(III).

L'assorbanza della soluzione viene letta alla lunghezza d'onda di circa 480 nm.

Tra i cationi che possono interferire nella misura vi sono l'argento, il rame, il nichel, il cobalto, lo zinco, il cadmio, il mercurio e il bismuto; tra gli anioni vi sono i fosfati, i fluoruri, gli ossalati e i tartrati, che possono formare complessi abbastanza stabili con gli ioni di ferro(III), competendo con il tiocianato. I sali di mercurio(I) e di stagno(II) vanno ossidati ai corrispondenti sali di mercurio(II) e di stagno(IV), perché distruggono il complesso colorato.

Qualora la presenza di interferenti sia eccessiva, è possibile precipitare gli ioni ferro(III) in forma di idrossido per trattamento con una soluzione acquosa di ammoniaca concentrata, separare l'idrossido di ferro(III) ottenuto e scioglierlo nuovamente nell'acido cloridrico diluito; oppure estrarre il complesso tiocianato di ferro (III) con una miscela 5:2 di 1-pentanolo ed etere etilico.

Metodo dell'o-fenantrolina[modifica | modifica sorgente]

Gli ioni ferro(II) formano un complesso rosso-arancione con l'o-fenantrolina [(C12H18N2)3Fe]2+, la cui intensità dipende dal pH nell'intervallo tra 2 e 9.

L'assorbanza della soluzione viene letta alla lunghezza d'onda di 510 nm.

Gli ioni ferro(III) vengono preventivamente ridotti a ioni ferro(II) per trattamento con cloruro di idrossilammonio o idrochinone.

Tra gli interferenti vi sono il bismuto, l'argento, il rame, il nichel, il cobalto e gli ioni perclorato.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi acciaio, acciai legati e ghisa.

Il ferro è il metallo in assoluto più usato dall'umanità, rappresenta da solo il 95% della produzione di metalli del mondo. Il suo basso costo e la sua resistenza (nella forma detta acciaio) ne fanno un materiale da costruzione indispensabile, specialmente nella realizzazione di automobili, di scafi di navi e di elementi portanti di edifici. I composti del ferro più utilizzati comprendono:

  • la ghisa di prima fusione, contenente tra il 4% ed 5% di carbonio e quantità variabili di diverse impurezze quali lo zolfo, il silicio ed il fosforo. Il suo principale impiego è quello di intermedio nella produzione di ghisa di seconda fusione (la ghisa propriamente detta) e di acciaio;
  • la ghisa di seconda fusione, cioè la ghisa vera e propria, che contiene tra il 2% ed il 3,5% di carbonio e livelli inferiori delle impurezze sopra menzionate, tali da non incidere negativamente sulle proprietà reologiche del materiale. Ha un punto di fusione compreso tra 1150 °C e 1200 °C, inferiore a quello di ferro e carbonio presi singolarmente, ed è, quindi, il primo prodotto a fondere quando ferro e carbonio sono scaldati insieme. È un materiale estremamente duro e fragile, si spezza facilmente, persino quando viene scaldato al calor bianco;
  • l'acciaio al carbonio, che contiene quantità di carbonio variabile tra lo 0,10% e l'1,65%. Secondo il tenore o percentuale di carbonio si dividono in:
    • extradolci (meno dello 0,15%);
    • dolci (da 0,15% a 0,25%);
    • semiduri (da 0,25% a 0,50%);
    • duri (oltre lo 0,50%);
  • il ferro comune (tecnicamente detto battuto o dolce), contenente meno dello 0,5% di carbonio (quindi da un punto di vista chimico si tratta comunque di acciaio). È un materiale duro e malleabile. Spesso tuttavia con il termine ferro viene indicato comunemente sia l'acciaio extradolce che quello dolce;
  • un ferro particolarmente puro, noto come "ferro Armco" viene prodotto dal 1927 con particolari procedimenti ed è impiegato dove si richiede una elevatissima permeabilità magnetica ed un'isteresi magnetica trascurabile.
  • gli acciai speciali, addizionati oltre al carbonio di altri metalli quali il cromo, il vanadio, il molibdeno, il nichel e il manganese per conferire alla lega particolari caratteristiche di resistenza fisica o chimica;
  • l'ossido di ferro(III) (Fe2O3), nelle varietà magnetite e maghemite usato per le sue proprietà magnetiche come materiale per la produzione di supporti di memorizzazione - ad esempio supportato sui polimeri nei nastri magnetici.

Ruolo biologico[modifica | modifica sorgente]

Il ferro è essenziale per la vita di tutti gli esseri viventi, eccezione fatta per pochi batteri.

Gli animali inglobano il ferro nel complesso eme un componente essenziale delle proteine coinvolte nelle reazioni redox, come la respirazione. Eccessi di ferro aumentano quindi le reazioni redox provocando così un aumento dei radicali liberi. Per evitare ciò, il ferro nel nostro organismo è legato a proteine, che regolano il suo stato di ossidazione. Il ferro inorganico si trova anche negli aggregati ferro-zolfo di molti enzimi, come le azotasi e le idrogenasi.

Esiste inoltre una classe di enzimi basati sul ferro che è responsabile di un'ampia gamma di funzioni di svariate forme di vita quali: la metano-monoossigenasi (converte il metano in metanolo), la ribonucleotide riduttasi (converte il ribosio in desossiribosio), le emeritritine (fissazione e trasporto dell'ossigeno negli invertebrati marini) e l'acido fosfatasi porpora (idrolizza gli esteri dell'acido fosforico).

La distribuzione degli ioni ferro nei mammiferi è regolata in maniera molto rigorosa.[3] Quando, ad esempio, il corpo è soggetto ad un'infezione, l'organismo "sottrae" il ferro rendendolo meno disponibile anche ai batteri (si veda transferrina). Questo è il caso dell'epcidina, una proteina prodotta dal fegato, che legando e degradando la ferroportina, inibisce il rilascio di ferro dagli enterociti e dai macrofagi.

Tra le migliori fonti alimentari di ferro si annoverano la carne, il pesce, i fagioli, il tofu e i ceci. Contrariamente a quanto generalmente ritenuto, gli spinaci nonostante ne siano ricchi, il ferro contenuto in essi non viene reso biodisponibile per l'assorbimento, e piuttosto gli spinaci sono quei vegetali che quando assunti ne diminuiscono appunto la biodisponibilità (perché con essi si formano dei composti di coordinazione) sprecandolo.

Il ferro assunto tramite integratori alimentari è spesso nella forma di fumarato o gluconato di ferro (II) ma il loro uso è sconsigliato a causa del corretto dosaggio e la conseguente riduzione dell'elemento. Le dosi consigliate di ferro da assumere quotidianamente variano con l'età, il genere ed il tipo di cibo. Il ferro assunto come eme ha una maggiore biodisponibilità rispetto a quello presente in altri composti. I livelli di assunzione raccomandati (LARN) sono:

  • 10 mg/die per gli uomini dai 18 ai 60
  • 10 mg/die alle donne over 50
  • 12 mg/die per adolescenti maschi e femmine senza mestruazioni
  • 18 mg/die per donne dai 14 ai 50 e nutrici
  • 30 mg/die nelle gestanti.

Metabolismo[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Assorbimento del ferro alimentare.

Il ferro viene assorbito a livello del duodeno. Il ferro legato al gruppo eme è di più facile assorbimento rispetto al ferro non eme. La carne contiene circa un 40% di ferro eme e un 60% di ferro non eme. Del ferro contenuto nella carne (eme e non eme) ne viene assorbito circa il 10-30%[4] (percentuale che sale fino al 40% se si considera il solo ferro eme[5]). Gli alimenti vegetali contengono solo ferro non eme, di più difficile assorbimento. Del ferro di origine vegetale si assorbe infatti meno del 5%[4]. In totale una persona priva di carenze assorbe in media circa il 10% del ferro introdotto con la dieta[5].

Del ferro introdotto con la dieta circa un 80% è incorporato nel gruppo eme (non è influente lo stato di ossidazione); il restante 20% è immagazzinato come ferro non emico, che deve essere necessariamente nella forma ridotta[6].

La riduzione avviene facilmente a pH acido, quindi nello stomaco o in presenza di sostanze riducenti, come la vitamina C.

Nelle cellule e nei fluidi corporei (sangue e linfa) il ferro non è mai libero, ma legato a specifiche proteine di trasporto. All'interno delle cellula della mucosa intestinale, il ferro si lega all'apoferritina; il complesso neoformato si chiama ferritina. Dopodiché il ferro viene liberato e ossidato per raggiungere il circolo sanguigno. Nel sangue il ferro viene nuovamente ridotto e si lega alla transferrina. Come tale viene trasportato al fegato, dove si deposita come ferritina ed emosiderina. Dal fegato, a seconda delle necessità dell'organismo, il ferro viene trasportato ai vari organi, ad esempio al tessuto muscolare, dove è fondamentale per la sintesi della mioglobina o a livello del midollo osseo rosso dove è impiegato per la sintesi dell'emoglobina.

Il ferro-eme è una sostanza pro-ossidante che favorisce la formazione di N-nitroso composti nel lume intestinale e in generale la produzione di radicali liberi.

Isotopi[modifica | modifica sorgente]

Gli isotopi stabili del ferro esistenti in natura sono quattro: 54Fe, 56Fe, 57Fe e 58Fe.

Le abbondanze relative di ciascuno sono grossomodo le seguenti: 54Fe (5,8 %), 56Fe (91,7 %), 57Fe (2,2 %) e 58Fe (0,3 %). 60Fe è un nuclide radioattivo ormai estinto che ha un'emivita di 1,5 milioni di anni. Molti lavori di datazione basati sul ferro si basano proprio sulla misura del tenore di 60Fe in meteoriti e minerali.

56Fe riveste un particolare interesse per i fisici nucleari, dato che è il nucleo più stabile esistente. È l'unico nuclide che non è possibile coinvolgere in reazioni di fissione o di fusione nucleare traendone energia.

Nel corpo delle meteoriti Semarkona e Chervony Kut si è osservata una correlazione tra la concentrazione di 60Ni - il prodotto del decadimento di 60Fe - e le abbondanze degli altri isotopi stabili del ferro; questo prova che 60Fe esisteva all'epoca della nascita del sistema solare. È inoltre possibile che l'energia prodotta dal suo decadimento abbia contribuito, insieme a quella del decadimento di 26Al, alla ri-fusione ed alla differenziazione degli asteroidi al tempo della loro formazione, 4,6 miliardi di anni fa.

Tra gli isotopi stabili, solo 57Fe possiede uno spin nucleare (-½).

L'isotopo 54Fe può decadere emettendo due protoni, modalità estremamente rara, possibile solo a nuclei atomici con un numero pari di protoni e fortemente carenti di neutroni. L'unico altro nucleo atomico che esibisce tale fenomeno è lo 54Zn.

Composti[modifica | modifica sorgente]

Questo mucchio di minerale di ferro verrà usato per produrre acciaio.

Gli stati di ossidazione più comuni del ferro comprendono:

  • il ferro(0), che dà complessi organometallici come Fe(CO)5
  • il ferro(II), che dà composti di Fe2+, è molto comune (il suffisso -oso è obsoleto, IUPAC).
  • il ferro(III), che dà composti di Fe3+, è anche molto comune, per esempio nella ruggine (il suffisso -ico è obsoleto, IUPAC).
  • il ferro(IV), Fe4+, che dà composti talvolta denominati di ferrile, è stabile in alcuni enzimi (e.g. perossidasi).
  • È anche noto il ferro(VI), uno stato raro, presente per esempio nel ferrato di potassio.
  • il carburo di ferro Fe3C è conosciuto come cementite.

Si veda anche ossido di ferro.

Precauzioni[modifica | modifica sorgente]

Un apporto eccessivo di ferro tramite l'alimentazione è tossico perché l'eccesso di ioni ferro(II) reagisce con i perossidi nel corpo formando radicali liberi[senza fonte]. Finché il ferro rimane a livelli normali, i meccanismi anti-ossidanti del corpo riescono a mantenere il livello di radicali liberi sotto controllo.

Un eccesso di ferro può produrre disturbi (emocromatosi); per questo l'assunzione di ferro tramite medicinali (e integratori) va eseguita sotto stretto controllo medico e solo in caso di problematiche legate alla carenza di ferro.

Citazioni letterarie[modifica | modifica sorgente]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b Smith, op. cit., p. 241
  2. ^ Smith, op. cit., pp. 277-279
  3. ^ PLoS Biology: How Mammals Acquire and Distribute Iron Needed for Oxygen-Based Metabolism
  4. ^ a b Assorbimento del ferro
  5. ^ a b Assorbimento del ferro, Associazione per lo Studio dell'Emocromatosi e delle Malattie da Sovraccarico di Ferro
  6. ^ Iron Absorption Information Center for Sickle Cell and Thalassemic Disorders, Harvard University

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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