Ferro

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Ferro

Eccursione, usi e proprietà

Il ferro costituisce il 5% della crosta terrestre ed è secondo in abbondanza all’alluminio tra i metalli e quarto in abbondanza dopo ossigeno, silicio e alluminio tra gli elementi. Il ferro, che è il principale costituente del nucleo terrestre, è l’elemento più abbondante sulla Terra nel suo complesso (circa il 35%) ed è relativamente abbondante nel Sole e nelle altre stelle. Nella crosta il metallo libero è raro, si presenta come ferro terrestre (legato con il 2-3 per cento di nichel) nelle rocce basaltiche in Groenlandia e nei sedimenti carbonacei negli Stati Uniti (Missouri) e come ferro meteorico a basso contenuto di nichel (5-7 per cento di nichel), kamacite. Il nichel-ferro, una lega nativa, si verifica in depositi terrestri (21-64% di ferro, 77-34% di nichel) e in meteoriti come taenite (62-75% di ferro, 37-24% di nichel). (Per le proprietà mineralogiche di ferro nativo e nichel-ferro, vedere elementi nativi .) Le meteoriti sono classificate come ferro, ferro-pietra, o pietrose secondo la proporzione relativa del loro contenuto di ferro e silicato-minerale. Il ferro si trova anche combinato con altri elementi in centinaia di minerali; di maggiore importanza come minerale di ferro sono l’ematite (ossido ferrico, Fe2O3), la magnetite (tetrossido di triferro, Fe3O4), la limonite (idrossido di ossido ferrico idrato, FeO(OH)∙nH2O), e la siderite (carbonato ferroso, FeCO3). Le rocce ignee hanno una media di circa il 5% di contenuto di ferro. Il metallo viene estratto per fusione con carbonio (coke) e calcare. (Per informazioni specifiche sull’estrazione e la produzione di ferro, vedi lavorazione del ferro.)

La quantità media di ferro nel corpo umano è circa 4,5 grammi (circa 0.004 per cento), di cui circa il 65 per cento è sotto forma di emoglobina, che trasporta l’ossigeno molecolare dai polmoni in tutto il corpo; 1 per cento nei vari enzimi che controllano l’ossidazione intracellulare; e la maggior parte del resto immagazzinato nel corpo (fegato, milza, midollo osseo) per la futura conversione in emoglobina. Carne rossa, tuorlo d’uovo, carote, frutta, grano intero e verdure verdi contribuiscono alla maggior parte dei 10-20 milligrammi di ferro richiesti ogni giorno da un adulto medio. Per il trattamento delle anemie ipocromiche (causate da carenza di ferro), si usa uno qualsiasi di un gran numero di composti organici o inorganici di ferro (di solito ferroso).

Il ferro, come comunemente disponibile, contiene quasi sempre piccole quantità di carbonio, che vengono raccolte dal coke durante la fusione. Questi modificano le sue proprietà, dalle ghise dure e fragili che contengono fino al 4% di carbonio agli acciai a basso contenuto di carbonio più malleabili che contengono meno dello 0,1% di carbonio.

Sono presenti tre veri allotropi del ferro nella sua forma pura. Il ferro delta, caratterizzato da una struttura cristallina cubica centrata sul corpo, è stabile sopra una temperatura di 1.390 °C (2.534 °F). Al di sotto di questa temperatura c’è una transizione al ferro gamma, che ha una struttura cubica a facce centrate (o cubica ravvicinata) ed è paramagnetico (capace di essere solo debolmente magnetizzato e solo finché il campo magnetizzante è presente); la sua capacità di formare soluzioni solide con il carbonio è importante nella produzione di acciaio. A 910 °C (1.670 °F) c’è una transizione al ferro alfa paramagnetico, che è anche di struttura cubica a corpo centrato. Sotto i 773 °C (1.423 °F), il ferro alfa diventa ferromagnetico (cioè, capace di essere permanentemente magnetizzato), indicando un cambiamento nella struttura elettronica ma nessun cambiamento nella struttura cristallina. Sopra i 773 °C (il suo punto di Curie), perde completamente il suo ferromagnetismo. Il ferro alfa è un metallo morbido, duttile, brillante, grigio-bianco e con un’alta resistenza alla trazione.

Il ferro puro è abbastanza reattivo. In uno stato molto finemente diviso il ferro metallico è piroforico (cioè, si accende spontaneamente). Si combina vigorosamente con il cloro su un leggero riscaldamento e anche con una varietà di altri non-metalli, inclusi tutti gli alogeni, lo zolfo, il fosforo, il boro, il carbonio e il silicio (le fasi di carburo e silicio giocano ruoli importanti nella metallurgia tecnica del ferro). Il ferro metallico si dissolve facilmente in acidi minerali diluiti. Con acidi non ossidanti e in assenza di aria, si ottiene ferro allo stato di ossidazione +2. Con la presenza di aria o quando si usa acido nitrico diluito caldo, parte del ferro va in soluzione come ione Fe3+. I mezzi fortemente ossidanti – per esempio, l’acido nitrico concentrato o gli acidi contenenti bicromato – passivano il ferro (cioè, gli fanno perdere la sua normale attività chimica), tuttavia, proprio come il cromo. L’acqua senza aria e gli idrossidi diluiti senza aria hanno poco effetto sul metallo, ma viene attaccato dall’idrossido di sodio concentrato a caldo.

Il ferro naturale è una miscela di quattro isotopi stabili: ferro-56 (91,66%), ferro-54 (5,82%), ferro-57 (2.19 per cento) e ferro-58 (0,33 per cento).

I composti del ferro possono essere studiati sfruttando un fenomeno noto come effetto Mössbauer (il fenomeno per cui un raggio gamma viene assorbito e reradiato da un nucleo senza rinculo). Anche se l’effetto Mössbauer è stato osservato per circa un terzo degli elementi, è soprattutto per il ferro (e in misura minore per lo stagno) che l’effetto è stato uno strumento di ricerca importante per il chimico. Nel caso del ferro l’effetto dipende dal fatto che il nucleo del ferro-57 può essere eccitato ad uno stato di alta energia dall’assorbimento della radiazione gamma di frequenza molto definita che è influenzata dallo stato di ossidazione, dalla configurazione elettronica e dall’ambiente chimico dell’atomo di ferro e può quindi essere usata come una sonda del suo comportamento chimico. Il marcato effetto Mössbauer del ferro-57 è stato utilizzato per studiare il magnetismo e i derivati dell’emoglobina e per realizzare un orologio nucleare molto preciso.