Il ferro

IL FERRO

il ferro è, dopo l'ossigeno, il silicio e l'alluminio, l'elemento più diffuso sulla crosta terrestre (5%). Si ritiene che, insieme al nichel, costituisca il nucleo della terra. I minerali più importanti per l'estrazione del metallo sono l'ematite(Fe₂O₃), la magnetite(Fe₃O₄), la limonite(FeO(OH)), la siderite(FeCO₃), la pirite(FeS₂). Il ferro puro può essere preparato riducendo con idrogeno l'ossido puro(ottenuto per decomposizione termica dell'ossalato o del nitrato o del carbonato): Fe₂O₃ + 3H₂ 2Fe + 3H₂O. Il ferro puro è bianco lucente, di media durezza e malleabile. Arroventato all'aria è ossidato dall'ossigeno; finemente suddiviso è piroforico(si accende spontaneamente all'aria). All'aria umida si altera perché forma ossido idrato(Fe₂O₃·nH₂O, ruggine) che tende a staccarsi favorendo il processo di corrosione. A caldo si combina vivacemente con gli alogeni, lo zolfo ed il fosforo. Con il carbonio ed il silicio forma carburi e siliciuri importanti nella tecnologia delle leghe ferrose.

Composti:

esistono due serie principali: i composti di ferro(II) o ferrosi, nei quali il ferro è bivalente e i composti di ferro(III) o ferrici, nei quali il ferro è trivalente.

Il monossido di ferro, FeO, si presenta come polvere nera piroforica che si forma per decomposizione termica nel vuoto dell'ossalato ferroso:

FeC₂O₄ FeO + CO₂ + CO

Il sesquiossido, Fe₂O₃(rosso-bruno), si ottiene per decomposizione termica di nitrati sia di Fe(II) sia di Fe(III):

2Fe(NO₃)₃ Fe₂O₃ + 6NO₂ + ³/₂ O₂

oppure calcinando il precipitato che si forma rendendo alcaline le soluzioni acquose dei sali Fe(III). Arroventando a temperature superiori a 1400°C il sesquiossido, si ottiene un ossido ferroso-ferrico, Fe₃O₄ (nero), molto ferromagnetico e buon conduttore di elettricità; si trova in natura come magnetite. Le soluzioni acquose dei sali di Fe(II) contengono lo ione ottaedrico esaacquaferro(II), [Fe(H₂O)₆]⁺⁺, verde pallido. Rendendo alcaline le soluzioni di Fe(II) in assenza di ossigeno dell'aria o di agenti ossidanti, precipita idrossido ferroso, Fe(OH)₂ (bianco-verdastro). Le soluzioni acquose dei sali di Fe(III) contengono lo ione ottaedrico esaacquaferro(III), [Fe(H₂O)₆]³⁺, violetto molto pallido. Nello stato di ossidazione +2, il ferro forma alogenuri binari con tutti gli alogeni: FeX₂ (X=F, Cl, Br, I). Nello stato di ossidazione +3 il ferro forma tre alogenuri: FeF₃, FeCl₃, FeBr₃. Il tricloruro(verde-nero) può essere preparato riscaldando il ferro in corrente di cloro, oppure Fe₂O₃ in corrente di HCl anidro. In soluzione acquosa può essere ottenuto disciogliendo il sesquiossido idrato con HCl acquoso; il tribromuro è preparato per reazione diretta degli elementi. Il monosolfuro di ferro, FeS (nero), si trova in natura come minerale(pirrotite); per via secca si prepara fondendo il ferro con lo zolfo, per via umida si precipita aggiungendo solfuri alcalini o di ammonio alle soluzioni di ferro(II). E' insolubile in acqua, gli acidi lo decompongono con sviluppo di solfuro di idrogeno:

FeS + 2H₃O⁺ Fe⁺⁺ + 2H₂O + H₂S↑

questa reazione è utilizzata in laboratorio per preparare H₂S. Fuso con manganese metallico forma solfuro di manganese:

FeS + Mn MnS + Fe

insolubile nel ferro fuso ; questo processo è importante nella desolforazione della ghisa. Il disolfuro di ferro, FeS₂, si presenta in natura in due fasi, una stabile: la pirite ed una più rara ed instabile: la marcasite. Il solfato ferroso, FeSO₄·7H₂O, si ottiene disciogliendo il metallo o il solfuro ferroso in acido solforico e facendo concentrare la soluzione per evaporazione fino a cristallizzazione del sale. E' usato come riducente. Più stabile è il solfato doppio che forma con l'ammonio: (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6H₂O (sale di Mohr), composto che cristallizza per raffreddamento della miscela dei due solfati componenti, in soluzione satura e calda. Il carbonato ferroso, FeCO₃, si trova in natura come siderite ed è contenuto in alcune acque minerali(acque ferruginose) sotto forma di bicarbonato. Il nitrato ferroso, Fe(NO₃)₂·6H₂O, si ottiene sciogliendo il metallo in acido nitrico diluito, oppure mescolando Ba(NO₃)₂ e FeSO₄ e filtrandolo dal solfato di bario precipitato. I silicati ferrosi, assai diffusi in natura, in cui il Fe(II) sostituisce i cationi bivalenti, come ad es. l'olivina((Mg,Fe)₂SiO₄), artificialmente si possono ottenere fondendo FeO con SiO₂. Il solfato ferrico, Fe₂(SO₄)₃·10H₂O, si ottiene ossidando il solfato ferroso con HNO₃, oppure sciogliendo il sesquiossido idrato in acido solforico diluito. Il nitrato ferrico, Fe(NO₃)₃·9H₂O, si ottiene sciogliendo il ferro in acido nitrico. Il fosfato ferrico, FePO₄, si ottiene come precipitato giallo chiaro aggiungendo fosfato alcalino ad una soluzione di un sale di Fe(III). Lo ione esacianoferrato(II), che è chiamato comunemente ferrocianuro [Fe(CN)₆]^4-, si forma trattando una soluzione acquosa di un sale di ferro(II) con cianuro alcalino in eccesso; si forma dapprima un precipitato bianco di esacianoferrato(II) di ferro(II), Fe₂[Fe(CN)₆], che si scioglie in eccesso di cianuro. E' un complesso molto stabile. Lo ione esacianoferrato(II) è un reattivo caratteristico degli ioni Fe³⁺ perché con essi dà Fe₄[(CN)₆]₃ (azzurro di Berlino o blu di Prussia). Nello stato di ossidazione +3 il ferro tende in genere a formare complessi ottaedrici, n'è un esempio lo ione esacquaferrico(III), [Fe(H₂O)₆]³⁺, che è presente nelle soluzioni acquose e nei sali idrati. Possiede una forte tendenza a formare complessi con leganti ossigenati contenenti idrossili alcolici e fenolici. Con gli ossalati forma l'anione triossalatoferrato(III), [Fe(C₂O₄)₃]^3-. Con gli alogeni il ferro(III) forma diversi complessi come FeF₄^-, FeF₆^3-, [FeF₅(H₂O)]^2-, FeCl₄^-, FeCl₆^3-, [FeCl₅(H₂O)]^2-. Con lo ione cianuro Fe³⁺ forma lo ione esacianoferrato(III), [Fe(CN)₆]^3- (arancione) che si ottiene ossidando con cloro l'anione esacianoferrato(II):

2[Fe(CN)₆]^4- + Cl₂ 2[Fe(CN)₆]^3- + Cl^-

Con gli ioni Fe²⁺ lo ione esacianoferrato(III) forma un precipitato azzurro(blu di Turnbull) identico al blu di Prussia.

Biochimica:

il ferro, largamente diffuso nel regno animale e vegetale, è presente nel corpo umano in ragione di circa 7cg per Kg di peso. Solo una parte del ferro contenuto negli alimenti è assorbito nel duodeno e viene immagazzinato nel fegato, nella milza e nel midollo osseo. La maggior parte del ferro è legato a molecole cromoproteiche, in particolare di emoglobina, e svolge una funzione fondamentale nei processi respiratori. Il latte non contiene ferro e il lattante, fino all'epoca dello svezzamento, utilizza le riserve accumulate durante la vita fetale negli organi emopoietici(organi che producono gli elementi corpuscolari del sangue).

Estrazione del minerale:

le rocce sfruttabili per l'estrazione del ferro, cioè quelle in cui il tenore del metallo supera il 25%, non costituiscono giacimenti uniformemente distribuiti. Esistono cinque principali tipi di giacimenti: i giacimenti di magnetite, generalmente a tenore molto alto di metallo notevolmente puro, i giacimenti di ferro oolitici, che generalmente sono meno ricchi e meno puri, i giacimenti di ferro oligisto, i giacimenti di ematite e limonite, i giacimenti di siderite. I minerali di ferro vengono estratti in miniere a cielo aperto o sotterranee; diversamente da quanto accade per altri minerali metallici, il cui tenore può essere molto basso, il minerale ferro è generalmente trasportato senza avere subito alcun trattamento di arricchimento o concentrazione.

Classificazione dei ferri industriali:

le qualità di ferro d'uso industriale sono generalmente classificate in base al processo di preparazione.

Ferro puddellato: ottenuto per ossidazione della ghisa liquida per mezzo di scoria ferrosa sulla suola di un forno a riverbero.

Ferro fucinato o saldato: fabbricato da metallo allo stato pastoso con rottami riscaldati ad oltre 1200°C e lavorato per fucinatura o al laminatoio.

Ferro svedese: preparato da ghisa bianca, e utilizzato come materia prima per la preparazione di acciai di qualità oppure, in ragione della sua buona saldabilità, per ottenere ferro fucinato.

Ferro armco: ferro di qualità particolare caratterizzato da un'alta purezza, da peculiari proprietà magnetiche e da buona resistenza alla corrosione. E' preparato con processo di affinazione al forno Martin-Siemens o al forno elettrico.

Ferro dolce: acciaio extradolce ricotto, utilizzato, ad esempio, per i nuclei dei circuiti magnetici.

Ferro elettrolitico: preparato per elettrolisi del cloruro di ferro(II), con anodo solubile di acciaio o di ghisa; è caratterizzato da elevata purezza, ma è fragile a causa dei gas, soprattutto idrogeno, che congloba. Apprezzato per le sue proprietà magnetiche, è utilizzato per la preparazione di pezzi sinterizzati.

Ferro alluminotermico: si forma nel corso della reazione esotermica fra l'ossido di ferro e la polvere di alluminio; questo processo è adoperato per la saldatura delle rotaie in loco.

Ferro ricavato dal ferropentacarbonile: qualità di ferro di alta purezza, preparato sotto forma di polvere finissima per decomposizione del ferropentacarbonile gassoso. Si usa in quantità limitata nella metallurgia delle polveri, per la preparazione di particolari che devono essere dotati di elevate caratteristiche magnetiche(ferro dolce speciale).

Ferro ridotto: si prepara allo stato di polvere per riduzione di ossidi, minerali, scaglie, in ambiente gassoso riducente(idrogeno, ossido di carbonio). Una varietà di questo ferro, largamente usata in metallurgia delle polveri, è ottenuta per riduzione del minerale svedese(magnetite) in crogioli refrattari: si ottengono specie di focacce(spugne di ferro) che sono poi macinate. Un processo di origine americana(iron process) dà modo di preparare direttamente il ferro per riduzione e polverizzazione del minerale fuso in ambiente riducente.

Caratteristiche e applicazioni dei vari tipi di ferro industriale:

Le sue caratteristiche di plasticità sono soddisfacenti a freddo, ma subiscono talora notevoli alterazioni a caldo e il metallo presenta una fragilità che ne compromette la fucinabilità. Questa fragilità, dovuta alla presenza di fosforo e di ossigeno, può essere eliminata per addizione di manganese. Se il ferro e sufficientemente puro, è dotato di una buona resistenza alla corrosione.

Non è facile delimitare l'utilizzazione specifica dei ferri puri da quella degli acciai extradolci. Per le doti di saldabilità, fucinabilità, trafilabilità, stampabilità, il ferro viene usato per la costruzione di lamiere, piastre, bulloni, fili, tubi, eccetera. Per le buone caratteristiche magnetiche(in particolare per la bassa intensità di campo coercitivo), i ferri industriali allo stato ricotto servono per molte apparecchiature elettromagnetiche, per la costruzione di nuclei di ferro dolce: espansioni polari di elettromagneti, lamierini di macchine elettriche, nuclei di relè, eccetera. Il ferro puro viene utilizzato per la fabbricazione di acciai pregiati, comuni o legati, come materia prima nella fusione al crogiolo. La polvere di ferro, di riduzione o elettrolitica, è industrialmente sfruttata nella metallurgia delle polveri per la costruzione di particolari porosi e nell'industria dei prodotti per la saldatura, per la preparazione dei rivestimenti degli elettrodi per la saldatura e il taglio alla fiamma ossiacetilenica.

Usi e applicazioni

Architettura:

grazie alle sue caratteristiche di resistenza, elasticità e scarsa combustibilità, fino agli inizi del XX secolo il ferro era usato per la costruzione di ponti, palazzi, fabbriche, stazioni, hangar e torri. L'architettura in ferro, si sviluppò soprattutto in Francia con la costruzione di strutture come la famosissima Torre Eiffel. Anche in America per l'edificazione dei grattacieli si rese necessario l'impiego del ferro che permise di risolvere il problema dello spazio, raggiungendo considerevoli altezze con rapidità e con un basso costo. Ai giorni nostri il ferro è stato sostituito dal cemento armato che permette di ovviare ad alcuni convenienti quali la conducibilità termica, la trasmissione delle vibrazioni, la deformazione e l'ossidazione.

Farmacologia:

oltre al sesquiossido di ferro colloidale, adoperato come antidoto nell'avvelenamento da anidride arseniosa(As₂O₃), i sali di ferro, molto più attivi allo stato ferroso, sono utilizzati nel trattamento delle anemie ipocromiche(anemie dovute a cause non ancora note). Il gluconato ferroso può essere somministrato per via endovenosa. Il composto più attivo sembra essere il carbonato basico di ferro preparato di fresco, somministrato per via orale.

Fotografia:

il ferricianuro di potassio, che agisce ossidando l'argento a sale solubile, si adopera in fotografia per l'indebolimento delle immagini d'argento e nella fabbricazione della carta per cianografia.

La carta fotografica al ferricianuro è una carta impregnata superficialmente con una soluzione di sali di ferro(III) (citrato, ossalato) e di ferricianuro di potassio che, allo stato secco, sotto l'influenza della luce, passano allo stato di sali complessi di ferro(II) di colore blu insolubili in acqua; un semplice lavaggio elimina i sali decomposti. Queste carte servono per riprodurre disegni con il processo cianografico.

Protezione dalla corrosione

zincatura:

la zincatura può essere eseguita secondo vari metodi: per immersione in un bagno di zinco fuso, per deposito elettrifico, mediante sherardizzazione e ricoprimento a spruzzo. La zincatura a caldo per immersione è applicata ai particolari meccanici e metallici di ferro, acciaio, ghisa. Prima del trattamento si rende necessario un accurato decapaggio dei pezzi; segue la loro immersione in un bagno di zinco, tenuto alla temperatura di 450-500°C, in vasche d'acciaio. Talora in fondo al bagno si mette uno spessore di piombo fuso, non miscibile con lo zinco, che protegge il fondo stesso dall'attacco dello zinco; la superficie del bagno è protetta contro l'ossidazione atmosferica con un piccolo spessore di cloruro di ammonio e di cloruro di zinco. La zincatura elettrolitica è eseguita tramite anodi solubili o insolubili in un bagno generalmente a base di solfato di zinco. Per la fabbricazione della lamiera e del filo di ferro zincato su scala industriale si impiegano impianti a ciclo continuo, costituiti da una serie di vasche entro le quali viene immerso il materiale da zincare. La sherardizzazione viene attuata mettendo i pezzi da proteggere a contatto con una fine polvere di zinco e con un miscuglio di sostanze inerti e riducenti, a una temperatura compresa fra i 330 e i 400°C. Tale protezione contro le normali corrosioni, migliore di quella che può dare la zincatura, viene applicata particolarmente ai pezzi finiti, ad esempio alla bulloneria.

Protezione catodica:

un altro metodo di protezione dalla corrosione atmosferica è quello della protezione catodica. La struttura di ferro, funge da catodo, e viene collegata ad un blocco, solitamente zinco posto nelle vicinanze o sotto la struttura di ferro. Lo zinco avendo un potenziale di riduzione inferiore al ferro, "attira" l'ossigeno e si ossida lasciando così il ferro privo di corrosioni. Con il tempo lo zinco si consuma e andrà sostituito. Questo tipo di protezione viene applicato soprattutto alle grandi strutture dove la zincatura diventerebbe troppo costosa.