FERRO (ELEMENTO): CARATTERISTICHE, STRUTTURA CHIMICA, USI - CHIMICA - 2026

Il ferro è un metallo di transizione appartenente al Gruppo 8 o VIIIB della tavola periodica e rappresentato dal simbolo chimico Fe. È un metallo grigio, duttile, malleabile e ad alta resistenza, utilizzato in numerose applicazioni utili all'uomo e società.

Costituisce il 5% della crosta terrestre ed è anche il secondo metallo più abbondante dopo l'alluminio. Inoltre, la sua abbondanza è superata dall'ossigeno e dal silicio. Tuttavia, rispetto al nucleo terrestre, il 35% di esso è composto da ferro metallico e liquido.

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Al di fuori del nucleo terrestre, il ferro non è in forma metallica, poiché viene rapidamente ossidato se esposto all'aria umida. Si trova in rocce basaltiche, sedimenti carboniferi e meteoriti; generalmente legato al nichel, come nel minerale kamacite.

I principali minerali di ferro utilizzati per l'estrazione mineraria sono i seguenti: ematite (ossido ferrico, Fe ₂ O ₃ ), magnetite (ossido ferrosomerico, Fe ₃ O ₄ ), limonite (ossido ferroso idrato idrossido) e siderite (carbonato di ferro, FeCO ₃ ).

In media l'uomo ha un contenuto di 4,5 g di ferro, di cui il 65% è sotto forma di emoglobina. Questa proteina è coinvolta nel trasporto dell'ossigeno nel sangue e nella sua distribuzione ai diversi tessuti, per il suo successivo assorbimento da parte della mioglobina e della neuroglobina.

Nonostante i numerosi benefici del ferro per l'uomo, il metallo in eccesso può avere azioni tossiche molto gravi, soprattutto sul fegato, sul sistema cardiovascolare e sul pancreas; questo è il caso della malattia ereditaria emocromatosia.

Il ferro è sinonimo di costruzione, forza e guerre. D'altra parte, per la sua abbondanza, è sempre un'alternativa da considerare quando si tratta di sviluppo di nuovi materiali, catalizzatori, farmaci o polimeri; e nonostante il colore rosso della sua ruggine, è un metallo ecologico.

Storia

Antichità

Il ferro è stato lavorato per millenni. Tuttavia, è difficile trovare oggetti di ferro di epoche così antiche a causa della loro suscettibilità a corrodersi, che ne causa la distruzione. I più antichi oggetti in ferro conosciuti sono stati ricavati da quelli trovati all'interno dei meteoriti.

Questo è il caso di una specie di perline realizzate nel 3500 a.C., trovate a Gerzah, in Egitto, e di un pugnale trovato nella tomba di Tutankhamon. I meteoriti ferrosi sono caratterizzati da un alto contenuto di nichel, quindi la loro provenienza potrebbe essere identificata in questi oggetti.

Prove di ghisa sono state trovate anche ad Asmar, Mesopotamia, e Tail Chagar Bazaar, in Siria, tra il 3000 e il 2700 aC Sebbene la fusione del ferro sia iniziata nell'età del bronzo, ci sono voluti secoli prima che sostituisse il bronzo.

Inoltre, manufatti in ghisa furono trovati in India, dal 1800 al 1200 aC, e nel Levante, intorno al 1500 aC Si pensa che l'età del ferro sia iniziata nel 1000 aC, poiché il costo della loro produzione è stato ridotto.

Appare in Cina tra il 700 e il 500 a.C., probabilmente trasportato attraverso l'Asia centrale. I primi oggetti in ferro sono stati trovati a Luhe Jiangsu, in Cina.

Europa

Il ferro battuto veniva prodotto in Europa attraverso l'utilizzo delle cosiddette fucine di gala. Il processo richiedeva l'uso del carbone come combustibile.

Gli altiforni medievali erano alti 3,0 m, fatti di mattoni ignifughi e l'aria era fornita da soffietti manuali. Nel 1709, Abraham Darby creò un altoforno a coke per produrre ferro fuso, in sostituzione del carbone.

La disponibilità di ferro a buon mercato è stato uno dei fattori che hanno portato alla rivoluzione industriale. In questo periodo iniziò l'affinamento della ghisa in ferro battuto, che veniva utilizzato per costruire ponti, navi, magazzini, ecc.

Acciaio

L'acciaio utilizza una maggiore concentrazione di carbonio rispetto al ferro battuto. L'acciaio fu prodotto in Luristan, in Persia, nel 1000 a.C. Durante la rivoluzione industriale furono ideati nuovi metodi di produzione di barre di ferro senza carbonio, che furono successivamente utilizzati per produrre acciaio.

Alla fine del 1850, Henry Bessemer ideò soffiare aria nella ghisa fusa per produrre acciaio dolce, il che rese la produzione di acciaio più economica. Ciò ha comportato una diminuzione della produzione di ferro battuto.

Proprietà

Aspetto

Lucentezza metallica con una sfumatura grigiastra.

Peso atomico

55.845 u.

Numero atomico (Z)

26

Punto di fusione

1.533 ºC

Punto di ebollizione

2.862 ºC

Densità

-Temperatura ambiente: 7,874 g / mL.

-Punto di fusione (liquido): 6,980 g / mL.

Calore di fusione

13,81 kJ / mol

Calore di vaporizzazione

340 kJ / mol

Capacità calorica molare

25,10 J / (mol K)

Energia ionizzata

-Primo livello di ionizzazione: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gassoso)

-Secondo livello di ionizzazione: 1.561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gassoso)

-Terzo livello di ionizzazione: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ gassoso)

elettronegatività

1,83 della scala Pauling

Radio atomica

Empirico 126 pm

Conduttività termica

80,4 W / (m · K)

Resistività elettrica

96,1 Ω · m (a 20 ºC)

Punto di Curie

770 ° C circa. A questa temperatura il ferro non è più ferromagnetico.

Isotopi

Isotopi stabili: ⁵⁴ Fe, con un'abbondanza del 5,85%; ⁵⁶ Fe, con un'abbondanza del 91,75%; ⁵⁷ Fe, con un'abbondanza del 2,12%; e ⁵⁷ Fe, con un'abbondanza dello 0,28%. Poiché ⁵⁶ Fe è l'isotopo più stabile e abbondante, non sorprende che il peso atomico del ferro sia molto vicino a 56 u.

Mentre gli isotopi radioattivi sono: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe e ⁶⁰ Fe.

Struttura e configurazione elettronica

-Allropes

Il ferro a temperatura ambiente si cristallizza nella struttura cubica centrata sul corpo (bcc), nota anche come α-Fe o ferrite (nel gergo metallurgico). Poiché può adottare diverse strutture cristalline in funzione della temperatura e della pressione, si dice che il ferro sia un metallo allotropico.

L'allotropo bcc è il ferro comune (ferromagnetico), quello che le persone conoscono così bene ed è attratto dai magneti. Quando viene riscaldato al di sopra di 771 ºC, diventa paramagnetico, e sebbene il suo cristallo si espanda solo, questa "nuova fase" era precedentemente considerata β-Fe. Anche gli altri allotropi del ferro sono paramagnetici.

Tra 910 ° C e 1394 ° C, il ferro si trova come austenite o γ-Fe allotropo, la cui struttura è cubica a facce centrate, fcc. La conversione tra austenite e ferrite ha un impatto importante sulla produzione dell'acciaio; poiché gli atomi di carbonio sono più solubili nell'austenite che nella ferrite.

E poi, sopra i 1394 ºC fino al punto di fusione (1538 ºC), il ferro torna ad adottare la struttura bcc, δ-Fe; ma a differenza della ferrite, questo allotropo è paramagnetico.

Ferro epsilon

Aumentando la pressione a 10 GPa, a una temperatura di poche centinaia di gradi centigradi, l'allotropo α o ferrite evolve nell'allotropo ε, epsilon, caratterizzato dalla cristallizzazione in una struttura esagonale compatta; cioè con gli atomi di Fe più compatti. Questa è la quarta forma allotropica del ferro.

Alcuni studi teorizzano sulla possibile esistenza di altri allotropi del ferro sotto tali pressioni, ma a temperature ancora più elevate.

-Metallo di collegamento

Indipendentemente dall'allotropo del ferro e dalla temperatura che "scuote" i suoi atomi di Fe, o dalla pressione che li compatta, interagiscono tra loro con gli stessi elettroni di valenza; Questi sono quelli mostrati nella loro configurazione elettronica:

3d ⁶ 4 s ²

Pertanto, ci sono otto elettroni che partecipano al legame metallico, sia che sia indebolito o rafforzato durante le transizioni allotropiche. Allo stesso modo, sono questi otto elettroni che definiscono le proprietà del ferro come la sua conduttività termica o elettrica.

-Numeri di ossidazione

I numeri di ossidazione più importanti (e comuni) per il ferro sono +2 (Fe ²⁺ ) e +3 (Fe ³⁺ ). In effetti, la nomenclatura convenzionale considera solo questi due numeri o stati. Tuttavia, ci sono composti in cui il ferro può guadagnare o perdere un altro numero di elettroni; cioè, si presume l'esistenza di altri cationi.

Ad esempio, il ferro può anche avere numeri di ossidazione di +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) e +7 (Fe ^{7 +} ). La specie ferrata anionica, FeO ₄ ^2- , ha ferro con un numero di ossidazione di +6, poiché i quattro atomi di ossigeno lo hanno ossidato a tal punto.

Allo stesso modo, il ferro può avere numeri di ossidazione negativi; come: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) e -1 (Fe ^- ). Tuttavia, i composti con centri di ferro con questi guadagni di elettroni sono molto rari. Ecco perché, sebbene superi il manganese sotto questo aspetto, quest'ultimo forma composti molto più stabili con la sua gamma di stati di ossidazione.

Il risultato, ai fini pratici, è sufficiente considerare Fe ²⁺ o Fe ³⁺ ; gli altri cationi sono riservati a ioni o composti alquanto specifici.

Come si ottiene?

Ornamenti in acciaio, la più importante lega di ferro. Fonte: Pxhere.

Raccolta delle materie prime

Dobbiamo procedere alla localizzazione dei minerali dei minerali più appropriati per l'estrazione del ferro. I minerali più utilizzati per ottenerlo sono i seguenti: ematite (Fe ₂ O ₃ ), magnetite (Fe ₃ O ₄ ), limonite (FeO · OH · nH ₂ O) e siderite (FeCO ₃ ).

Quindi il primo passo nell'estrazione è raccogliere le rocce con i minerali di ferro. Queste rocce vengono frantumate per romperle in piccoli pezzi. Successivamente, c'è una fase di selezione dei frammenti delle rocce con minerale di ferro.

Nella selezione vengono seguite due strategie: utilizzo di un campo magnetico e sedimentazione in acqua. I frammenti di roccia sono sottoposti ad un campo magnetico e in esso i frammenti minerali sono orientati, potendo così essere separati.

Nel secondo metodo i frammenti rocciosi vengono scaricati nell'acqua e quelli che contengono ferro, perché più pesanti, si depositano sul fondo dell'acqua, lasciando la ganga nella parte superiore dell'acqua perché più leggera.

Altoforno

Altoforno dove viene prodotto l'acciaio. Fonte: Pixabay.

I minerali di ferro vengono trasportati negli altiforni, dove vengono scaricati insieme al carbone da coke, che ha il ruolo di fornitore di combustibile e carbonio. Inoltre, viene aggiunto calcare o calcare, che svolge la funzione di flusso.

L'altoforno, con la miscela precedente, viene iniettata aria calda alla temperatura di 1.000 ºC. Il ferro viene fuso dalla combustione del carbone che porta la temperatura a 1.800 ºC. Una volta liquida, si chiama ghisa, che si accumula sul fondo del forno.

La ghisa viene rimossa dal forno e versata in contenitori per essere trasportata in una nuova fonderia; mentre la scoria, un'impurità situata sulla superficie della ghisa, viene scartata.

La ghisa viene versata attraverso l'uso di siviere in un forno convertitore, insieme al calcare come flusso, e l'ossigeno viene introdotto ad alte temperature. Pertanto, il contenuto di carbonio viene ridotto, raffinando la ghisa per trasformarla in acciaio.

Successivamente, l'acciaio viene fatto passare attraverso forni elettrici per produrre acciai speciali.

applicazioni

-Metal ferro

Ponte in ferro in Inghilterra, una delle tante costruzioni realizzate con ferro o sue leghe. Fonte: nessun autore leggibile dalla macchina fornito. Jasonjsmith ha assunto (in base alle rivendicazioni sul copyright).

Essendo un metallo poco costoso, malleabile, duttile, diventato resistente alla corrosione, è diventato il metallo più utile per l'uomo, sotto le sue diverse forme: forgiato, fuso e acciaio di diverso tipo.

Il ferro viene utilizzato per la costruzione di:

-Ponti

-Basics per edifici

-Porte e finestre

-Scafi di barche

-Diversi strumenti

-Tubi per acqua potabile

-Tubi per la raccolta delle acque reflue

-Mobili per giardini

-Griglia per la sicurezza domestica

Viene utilizzato anche nella produzione di utensili domestici, come pentole, padelle, coltelli, forchette. Inoltre, è utilizzato nella produzione di frigoriferi, stufe, lavatrici, lavastoviglie, frullatori, forni, tostapane.

Insomma, il ferro è presente in tutti gli oggetti che circondano l'uomo.

Nanoparticelle

Il ferro metallico viene anche preparato come nanoparticelle, che sono altamente reattive e mantengono le proprietà magnetiche del solido macroscopico.

Queste sfere di Fe (e le loro molteplici morfologie aggiuntive) vengono utilizzate per purificare le acque di composti organoclorurati e come trasportatori di farmaci erogati a regioni selezionate del corpo attraverso l'applicazione di un campo magnetico.

Possono anche servire come supporti catalitici nelle reazioni in cui i legami di carbonio, CC, vengono rotti.

-Composti di ferro

Ossidi

L'ossido ferroso, FeO, è usato come pigmento per i cristalli. L'ossido ferrico, Fe ₂ O ₃ , è la base per una serie di pigmenti che vanno dal giallo al rosso, noto come rosso veneziano. La forma rossa, chiamata rouge, viene utilizzata per lucidare metalli preziosi e diamanti.

L'ossido ferrico, Fe ₃ O ₄ , è utilizzato nelle ferriti, sostanze con elevata accessibilità magnetica e resistività elettrica, utilizzabili in alcune memorie di computer e nel rivestimento di nastri magnetici. È stato anche usato come pigmento e agente lucidante.

Solfati

Il solfato ferroso eptaidrato, FeSO ₄ · 7H ₂ O, è la forma più comune di solfato ferroso, noto come vetriolo verde o coppera. È usato come agente riducente e nella produzione di inchiostri, fertilizzanti e pesticidi. Trova impiego anche nella galvanica del ferro.

Il solfato ferrico, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , viene utilizzato per ottenere allume di ferro e altri composti ferrici. Serve come coagulante nella purificazione delle acque reflue e come mordente nella tintura dei tessuti.

Cloruri

Il cloruro ferroso, FeCl ₂ , è usato come agente mordente e riducente. Nel frattempo, il cloruro ferrico, FeCl ₃ , viene utilizzato come agente clorurante per metalli (argento e rame) e alcuni composti organici.

Il trattamento di Fe ³⁺ con lo ione esocianoferrato ^-4 produce un precipitato blu, chiamato blu di Prussia, utilizzato nelle pitture e nelle lacche.

Alimenti di ferro

Le vongole sono una ricca fonte alimentare di ferro. Fonte: Pxhere.

In generale, si raccomanda un'assunzione di ferro di 18 mg / die. Tra gli alimenti che lo forniscono nella dieta quotidiana ci sono i seguenti:

I molluschi forniscono ferro in forma eme, quindi non c'è inibizione nell'assorbimento intestinale di esso. La vongola fornisce fino a 28 mg di ferro per 100 g di essa; quindi, questa quantità di vongole sarebbe sufficiente a soddisfare il fabbisogno giornaliero di ferro.

Gli spinaci contengono 3,6 mg di ferro per 100 g. La carne dell'organo di manzo, ad esempio il fegato di vitello, contiene 6,5 mg di ferro per 100 g. È probabile che il contributo del sanguinaccio sia leggermente superiore. La salsiccia di sangue è costituita da porzioni dell'intestino tenue, ripiene di sangue di manzo.

I legumi, come le lenticchie, contengono 6,6 mg di ferro per 198 g. La carne rossa contiene 2,7 mg di ferro per 100 g. I semi di zucca contengono 4,2 mg per 28 g. La quinoa contiene 2,8 mg di ferro per 185 g. La carne scura di tacchino contiene 2,3 mg per 100 g. I broccoli contengono 2,3 mg per 156 mg.

Il tofu contiene 3,6 mg per 126 g. Nel frattempo, il cioccolato fondente contiene 3,3 mg per 28 g.

Ruolo biologico

Le funzioni che il ferro svolge, specialmente negli esseri viventi vertebrati, sono innumerevoli. Si stima che più di 300 enzimi necessitino di ferro per la loro funzione. Tra gli enzimi e le proteine ​​che lo utilizzano, vengono nominati i seguenti:

-Proteine ​​che hanno il gruppo eme e non hanno attività enzimatica: emoglobina, mioglobina e neuroglobina.

-Enzimi con il gruppo eme coinvolti nel trasporto di elettroni: citocromi a, bef, e attività citocromo ossidasi e / o ossidasi; solfito ossidasi, citocromo P450 ossidasi, mieloperossidasi, perossidasi, catalasi, ecc.

-Proteine ​​contenenti ferro-zolfo, legate all'attività ossiriduttasi, coinvolte nella produzione di energia: succinato deidrogenasi, isocitrato deidrogenasi e aconitasi, oppure enzimi coinvolti nella replicazione e riparazione del DNA: DNA-polimerasi e DNA-eliclasi.

-Enzimi non eme che utilizzano il ferro come cofattore per la loro attività catalitica: fenilalanina idrolasi, tirosina idrolasi, triptofano idrolasi e lisina idrolasi.

-Proteine ​​non eme responsabili del trasporto e dello stoccaggio del ferro: ferritina, transferrina, aptoglobina, ecc.

rischi

Tossicità

I rischi derivanti dall'esposizione al ferro in eccesso possono essere acuti o cronici. Una delle cause dell'avvelenamento acuto da ferro può essere l'assunzione eccessiva di compresse di ferro, sotto forma di gluconato, fumarato, ecc.

Il ferro può causare irritazione della mucosa intestinale, il cui disagio si manifesta immediatamente dopo l'ingestione e scompare dopo 6-12 ore. Il ferro assorbito si deposita in diversi organi. Questo accumulo può causare disturbi metabolici.

Se la quantità di ferro ingerita è tossica, può causare perforazione intestinale con peritonite.

Nel sistema cardiovascolare produce ipovolemia che può essere causata da sanguinamento gastrointestinale e il rilascio da parte del ferro di sostanze vasoattive, come la serotonina e l'istamina. Alla fine, possono verificarsi necrosi massiccia del fegato e insufficienza epatica.

Emocromatosia

L'emocromatosia è una malattia ereditaria che presenta un'alterazione del meccanismo di regolazione del ferro dell'organismo, che si manifesta con un aumento della concentrazione ematica di ferro e il suo accumulo in diversi organi; compreso il fegato, il cuore e il pancreas.

I sintomi iniziali della malattia sono i seguenti: dolori articolari, dolori addominali, affaticamento e debolezza. Con i seguenti sintomi e conseguenti segni della malattia: diabete, perdita del desiderio sessuale, impotenza, insufficienza cardiaca e insufficienza epatica.

Emosiderosi

L'emosiderosi è caratterizzata, come suggerisce il nome, dall'accumulo di emosiderina nei tessuti. Ciò non causa danni ai tessuti, ma può evolversi in un danno simile a quello osservato nell'emocromatosia.

L'emosiderosi può essere causata dalle seguenti cause: aumento dell'assorbimento di ferro dalla dieta, anemia emolitica che rilascia ferro dai globuli rossi e trasfusioni di sangue eccessive.

L'emosiderosi e l'emocromatosia potrebbero essere dovute a un inadeguato funzionamento dell'ormone epcidina, un ormone secreto dal fegato che è coinvolto nella regolazione del ferro corporeo.

Riferimenti

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