Il ferro è l'elemento chimico di numero atomico 26. Il suo simbolo è Fe, dal latino ferrum. Il ferro è conosciuto fin dall'antichità e, per le sue qualità di durezza, tenacia e resilienza, la sua importanza per l'umanità ha contrassegnato un'intera era: la cosiddetta «età del ferro» viene fatta iniziare dalla fine del II millennio a.C. (XII secolo a.C.); solo verso la fine del secolo scorso si è iniziato a sostituirlo per applicazioni meccaniche e solo in parte, con leghe più leggere basate su alluminio e magnesio.
Il ferro è il primo elemento del gruppo 8 del sistema periodico, facente parte del blocco d, ed è quindi un elemento di transizione della prima serie, cioè quella del 4° periodo. Nella vecchia nomenclatura la triade ferro, cobalto e nichel faceva parte del gruppo VIII della tavola periodica, un gruppo allargato che era collettivamente detto proprio gruppo del ferro, in quanto le similitudini chimiche che si riscontravano entro la triade orizzontale (Fe, Co, Ni) si ravvisavano maggiori che procedendo in verticale con le due triadi successive (Ru, Rh, Pd e Os, Ir, Pt), i cui elementi, caratterizzati da notevole inerzia chimica, venivano d'altro canto accomunati nel cosiddetto "gruppo del platino".
Il ferro chimicamente puro in condizioni ambiente è un metallo relativamente tenero, duttile e malleabile, buon conduttore di elettricità e calore e chimicamente piuttosto reattivo. Un campione di ferro puro abraso di fresco mostra lucentezza metallica grigio-argentea, che però all'aria, per azione dell'ossigeno e dell'umidità, va lentamente persa perché la superficie poi si ricopre di una patina arancio bruna incoerente, nota come ruggine; questa consiste di ossidi e ossidi-idrossidi misti (tra cui FeOOH). La ruggine, tuttavia, non protegge il metallo sottostante da ulteriore corrosione, con il conseguente notevole impatto economico, che si è cercato di quantificare. Anche per questo il ferro allo stato elementare, il "ferro nativo", è estremamente raro sulla Terra.
Al di sotto del punto di Curie (768 °C) esibisce ferromagnetismo, una proprietà che prende il nome, per antonomasia, proprio dal ferro;Proprietà condivisa anche con il suo minerale magnetite, un ossido misto di Fe(II) e Fe(III). nel ferro, infatti, questo fenomeno si manifesta più intensamente che nel cobalto o nel nichel, che sono gli elementi immediatamente successivi nella tavola periodica.Anche per questa notevole proprietà Fe, Co e Ni erano stati assimilati nell'ex gruppo VIII, detto anche gruppo del ferro, o triade del ferro. Nella tavola periodica di Mendeleev e ancora in versioni datate della tavola periodica, fino almeno agli anni sessanta del secolo scorso, questo gruppo figurava come gruppo allargato comprendente questi tre elementi come capostipiti.
Questo elemento si trova quasi 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. La parola "ferro" è scorrettamente usata nel linguaggio comune per indicare anche le "leghe di ferro" a bassa resistenza, gli acciai dolci.
A livello industriale si riesce ad ottenere ferro con una purezza che si avvicina al 100%. Questo 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 e la sua lavorabilità, in passato fu tanto importante da dare il nome ad un intero periodo storico: l'età del ferro.
Etimologia Come già accennato, il nome italiano dell'elemento, risalente al 1257, come pure il suo simbolo Fe, prendono origine da ferrum, il nome latino di questo elemento metallico e ferrum è da ricondurre secondo alcuni al sanscrito dharti, termine avente il significato di «tenere, fermezza», un concetto quindi attinente alla durezza, che si addice a un metallo più duro e resistente del bronzo o altri metalli allora conosciuti; a tale concetto viene anche accostato, come affine, l'aggettivo latino firmus, derivante anch'esso dalla medesima radice sanscrita.
Secondo altri, ferrum viene dall'espressione [aes] fabrum ([metallo] lavorato) dopo cambio di a in e, fenomeno comune in zone tirreniche, e successiva assimilazione di b nella r seguente: fabrum > februm > ferrum.
In greco antico il termine che indicava il ferro era invece σίδηρος (síderos), «metallo duro, ferro». In italiano la sua radice si ritrova, ad esempio, in termini come «siderurgia», «siderite» (minerale ferroso) e in «siderofilo» (detto in geochimica di un elemento che preferisce legarsi o concentrarsi in fasi ferrose). L'etimo greco non ha invece a che fare con termini apparentemente simili, come «sidereo» o «siderale», che invece derivano dal latino sidus (astro, stella, cielo, costellazione), come pure accade per «considerare, desiderare», che anch'essi si rifanno etimologicamente a sidus.
Formazione Il ferro si forma per Nucleosintesi stellare all'interno delle stelle di grande massa.
Storia
Le prime prove di uso del ferro vengono dai Sumeri e dagli Ittiti, che già 4000 anni avanti Cristo lo usavano per piccoli oggetti come punte di lancia e gioielli ricavati dal ferro recuperato da meteoriti. Durante il medioevo in alchimia il ferro era associato a Marte.
La storia dell'impiego e della produzione del ferro è comune a quella delle sue leghe al carbonio: ghisa e acciaio.
Caratteristiche Gli studiosi hanno stimato che il ferro sia il metallo più abbondante all'interno della Terra, in quanto presente in grandi quantità nel nucleo e nel mantello terrestre, assieme a nichel e zolfo. Limitatamente alla crosta terrestre, il ferro, invece, è il quarto elemento più abbondante con una percentuale in peso pari a circa 6,3%, preceduto da ossigeno (46%), silicio (27%) e alluminio (8,1%), mentre si stima che sia il sesto elemento per abbondanza nell'intero universo (con una percentuale in peso di circa 0,11%), preceduto da idrogeno (75%), elio (23%), ossigeno (1%), carbonio (0,5%) e neon (0,13%).
La grande quantità di ferro presente al centro della Terra non può essere tuttavia causa del campo geomagnetico, poiché questo elemento si trova con ogni probabilità a una temperatura superiore alla temperatura di Curie oltre la quale non esiste ordinamento magnetico nel reticolo cristallino.
Il ferro è un metallo che viene estratto dai suoi minerali, costituiti da composti chimici del ferro stesso, prevalentemente ossidi. Infatti sulla crosta terrestre il ferro non si rinviene quasi mai allo stato elementare metallico (ferro nativo), ma quasi totalmente sotto forma di composti in cui è presente allo stato ossidato. Per ottenere ferro metallico è necessario procedere ad una riduzione chimica dei suoi minerali. Il ferro si usa solitamente per produrre acciaio che è una lega a base di ferro, carbonio ed altri elementi.
Il nuclide più abbondante del ferro, il 56Fe, ha la più piccola massa (930,412 MeV/c2) per nucleone, ma non è il nuclide più fortemente legato, primato che spetta al 62Ni.
Forme allotropiche del ferro Esistono tre forme allotropiche del ferro denominate: ferro alfa ferro gamma ferro delta.
Tali denominazioni seguono l'ordine alfabetico delle lettere greche: infatti in passato esisteva anche la denominazione "ferro beta", che è stata successivamente abbandonata in quanto non si tratta in realtà di una forma allotropica del ferro, come invece si pensava, bensì di una forma paramagnetica del ferro alfa, del quale preserva la struttura.
Nel seguente diagramma di fase del ferro puro, ognuna di queste forme allotropiche presenta un campo di esistenza in un determinato intervallo di temperatura:. il campo di esistenza del ferro alfa si estende fino a temperature fino a 910 °C; il campo di esistenza del ferro gamma si estende a temperature comprese tra 910 °C e 1 392 °C; il campo di esistenza del ferro delta si estende a temperature comprese tra 1 392 °C e 1 538 °C.
In genere, le varie forme allotropiche vengono indicate con lettere consecutive dell'alfabeto greco partendo dalla temperatura ambiente; nel caso del ferro viene saltata la lettera beta perché erroneamente essa era stata attribuita al ferro non magnetico presente a temperature comprese tra 768 °C (punto di Curie) e 910 °C. Le varie forme allotropiche del ferro sono differenti dal punto di vista strutturale: il ferro alfa, beta e delta presentano un reticolo cubico a corpo centrato con 2 atomi (1 "atomo intero" al centro della cella più 8 "ottavi di atomo" in corrispondenza dei vertici della cella) con una costante di reticolo maggiore nel caso del ferro delta, mentre il ferro gamma presenta un reticolo cubico a facce centrate con 4 atomi (6 "mezzi atomi" al centro delle facce della cella più 8 "ottavi di atomo" in corrispondenza dei vertici della cella).
Le soluzioni solide interstiziali del carbonio nel ferro assumono nomi differenti a seconda della forma allotropica del ferro in cui il carbonio è solubilizzato:. ferrite alfa: carbonio in ferro alfa; austenite: carbonio in ferro gamma; ferrite delta: carbonio in ferro delta.
Disponibilità
Il ferro è uno degli elementi più comuni sulla Terra, della cui crosta costituisce circa il 5%. La maggior parte si trova in minerali costituiti da suoi vari ossidi, tra cui ematite, magnetite, limonite e 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 meteore. Benché rari, i meteoriti sono la principale fonte di ferro allo stato metallico reperibile in natura, per esempio quelle del Canyon Diablo, in Arizona.
Il ferro si trova anche in forma nativa sebbene in piccole quantità e in siti di impatti meteorici.
Produzione
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 2.000 °C. Nella 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:
2C + O2 -> 2CO
Il monossido di carbonio riduce il minerale di ferro (nell'equazione seguente ematite) per fondere il ferro, diventando biossido di carbonio nella reazione:
3CO + Fe2O3 -> 2Fe + 3CO2
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). A seconda delle impurità che devono essere rimosse dal minerale possono essere usate altre sostanze. L'alta temperatura della fornace decompone il calcare in ossido di calcio (calce viva):
CaCO3 -> CaO + CO2
Poi l'ossido di calcio si combina con il diossido di silicio per formare la scoria
CaO + SiO2 -> CaSiO3
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 1,1 miliardi di tonnellate di minerale di ferro per un valore commerciale stimato di circa 250 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.
Produzione mondiale