Il ferro è un metallo di transizione che appartiene al gruppo 8 o VIIIB della tavola periodica ed è rappresentato dal simbolo chimico Fe. È un metallo grigiastro, duttile, malleabile e molto tenace, utilizzato in numerose applicazioni di grande utilità per l'uomo e la donna. 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.
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 ferrosi utilizzati per l'estrazione mineraria sono i seguenti: ematite (ossido ferrico, FeDueO3), magnetite (ossido ferroso, Fe3O4), limonite (idrossido di ossido ferroso idrato, [FeO (OH) · nHDueO]) e siderite (carbonato di ferro, FeCO3).
In media, l'uomo ha un contenuto di 4,5 g di ferro, di cui il 65% è sotto forma di emoglobina. Questa proteina interviene nel trasporto dell'ossigeno nel sangue e nella sua distribuzione ai diversi tessuti, per il suo successivo assorbimento da parte di mioglobina e 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 dell'emocromatosia ereditaria.
Il ferro è sinonimo di costruzione, forza e guerre. D'altra parte, per la sua abbondanza, è sempre un'alternativa da considerare quando si parla di sviluppo di nuovi materiali, catalizzatori, farmaci o polimeri; e nonostante il colore rosso della sua ruggine, è un metallo ecologico.
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Il ferro è stato lavorato per millenni. Tuttavia, è difficile trovare oggetti di ferro di epoche così antiche a causa della loro suscettibilità alla corrosione, che ne causa la distruzione. I più antichi oggetti di ferro conosciuti sono stati realizzati con quelli trovati all'interno dei meteoriti.
Questo è il caso di una specie di perline realizzate nel 3500 aC, 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, motivo per cui è stato possibile identificare la loro origine 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 a.C. Anche se la fusione del ferro iniziò nell'età del bronzo, ci vollero secoli prima che sostituisse il bronzo.
Inoltre, manufatti in ghisa sono stati trovati in India, dal 1800 al 1200 a.C. e nel Levante, intorno al 1500 aC. Si pensa che l'età del ferro sia iniziata nell'anno 1000 a.C., quando il costo della sua produzione fu 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.
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..
L'acciaio utilizza una concentrazione di carbonio più elevata rispetto al ferro battuto. L'acciaio è stato prodotto in Luristan, Persia, nel 1000 a.C. Nella rivoluzione industriale furono ideati nuovi metodi per produrre barre di ferro senza carbonio, che furono successivamente utilizzate per produrre acciaio.
Alla fine degli anni 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..
Lucentezza metallica con una sfumatura grigiastra.
55.845 u.
26
1.533 ºC
2.862 ºC
-Temperatura ambiente: 7,874 g / mL.
-Punto di fusione (liquido): 6,980 g / mL.
13,81 kJ / mol
340 kJ / mol
25,10 J / (mol K)
-Primo livello di ionizzazione: 762,5 kJ / mol (Fe+ gassoso)
-Secondo livello di ionizzazione: 1.561,9 kJ / mol (FeDue+ gassoso)
-Ionizzazione di terzo livello: 2.957, kJ / mol (Fe3+ gassoso)
1,83 della scala Pauling
Empirico 126 pm
80,4 W / (m · K)
96,1 Ω · m (a 20 ºC)
770 ° C circa. A questa temperatura il ferro non è più ferromagnetico..
Isotopi stabili: 54Fe, con un'abbondanza del 5,85%; 56Fe, con un'abbondanza del 91,75%; 57Fe, con un'abbondanza del 2,12%; Y 57Fe, con un'abbondanza dello 0,28%. Essere il 56Fe 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: 55Fede, 59Fede e 60Fede.
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 a seconda della temperatura e della pressione, si dice che il ferro sia un metallo allotropico.
L'allotropo bcc è il ferro comune (ferromagnetico), quello di cui le persone sanno così tanto ed è attratto dai magneti. Quando viene riscaldato sopra i 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 910ºC e 1394ºC, 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, al di sopra di 1394 ºC fino al suo punto di fusione (1538 ºC), il ferro torna ad adottare la struttura bcc, δ-Fe; ma a differenza della ferrite, questo allotropo è paramagnetico.
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 compattati. Questa è la quarta forma allotropica del ferro.
Alcuni studi teorizzano la possibile esistenza di altri allotropi di ferro sotto tali pressioni, ma a temperature ancora più elevate.
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:
[Ar] 3d6 4sDue
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..
I numeri di ossidazione più importanti (e comuni) del ferro sono +2 (FeDue+) e il +3 (Fe3+). 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 (Fe4+), +5 (Fe5+), +6 (Fe6+) e +7 (Fe7+). La specie anionica ferrata, FeO4Due-, 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 ad esempio: -4 (Fe4-), -2 (FeDue-) 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, per motivi pratici, basta considerare il FeDue+ o Fede3+; gli altri cationi sono riservati a ioni o composti alquanto specifici.
È necessario procedere alla localizzazione dei minerali dei minerali più appropriati per l'estrazione del ferro. I minerali più utilizzati per ottenerlo sono i seguenti: ematite (FeDueO3), magnetite (Fe3O4) limonite (FeO · OH · nHDueO) e siderite (FeCO3).
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 rocciosi con minerale di ferro.
Nella selezione vengono seguite due strategie: utilizzo di un campo magnetico e sedimentazione in acqua. I frammenti di roccia sono soggetti 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 di essa perché è più leggera.
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.
Nell'altoforno, con la miscela precedente, si inietta 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 la produzione di acciai speciali.
Poiché è un metallo a basso costo di produzione, malleabile, duttile e resistente alla corrosione, è stato reso il metallo più utile per l'uomo, sotto le sue diverse forme: forgiato, fuso e acciaio di diverse tipologie.
Il ferro viene utilizzato per la costruzione di:
-Ponti
-Basi per edifici
-Porte e finestre
-Scafi delle navi
-Strumenti diversi
-Tubi per acqua potabile
-Tubi per la raccolta delle acque reflue
-Mobili da giardino
-Barre 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.
Il ferro metallico può anche essere 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 diretti a selezionare regioni del corpo attraverso l'applicazione di un campo magnetico..
Allo stesso modo, possono fungere da supporti catalitici nelle reazioni in cui i legami di carbonio sono rotti, C-C.
L'ossido ferroso, FeO, è usato come pigmento per i cristalli. Ossido ferrico, FeDueO3, 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.
Ossido ferrico, Fe3O4, Viene 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.
Solfato ferroso eptaidrato, FeSO47HDueOppure, 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..
Solfato ferrico, FeDue(SW4)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.
Cloruro ferroso, FeClDue, È usato come agente mordente e riducente. Nel frattempo, cloruro ferrico, FeCl3, È usato come agente di clorazione per metalli (argento e rame) e alcuni composti organici.
Il trattamento Fe3+ con lo ione esocianoferrato [Fe (CN)6]-4 produce un precipitato blu, chiamato blu di Prussia, utilizzato nelle pitture e nelle lacche.
In generale, si raccomanda un'assunzione di 18 mg / die di ferro. Tra gli alimenti che lo forniscono nella dieta quotidiana ci sono i seguenti:
I molluschi forniscono ferro in forma eme, quindi non vi è alcuna 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 fornire 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, riempite con 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 del 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.
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 citocromo ossidasi e / o attività ossidasi; solfito ossidasi, citocromo P450 ossidasi, mieloperossidasi, perossidasi, catalasi, ecc..
-Proteine contenenti ferro-zolfo, correlate alle attività dell'ossiriduttasi, coinvolte nella produzione di energia: succinato deidrogenasi, isocitrato deidrogenasi e aconitasi, o 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 della conservazione del ferro: ferritina, transferrina, aptoglobina, ecc..
I rischi di un'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 appare 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 emorragie gastrointestinali e il rilascio da parte del ferro di sostanze vasoattive, come la serotonina e l'istamina. Alla fine possono verificarsi necrosi massiva del fegato e insufficienza epatica.
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 segni successivi della malattia: diabete, perdita del desiderio sessuale, impotenza, insufficienza cardiaca e insufficienza epatica.
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 coinvolto nella regolazione del ferro corporeo.
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