Ferro

iso.	AN	Període de semidesintegració	CD	ED M eV	PD
⁵⁴Fe	5,8%	Fe és estable amb 28 neutrons
⁵⁵Fe	Sintètic	2,73 anys	ε	0,231	⁵⁵Mn
⁵⁶Fe	91,72%	Fe és estable amb 30 neutrons
⁵⁷Fe	2,2%	Fe és estable amb 31 neutrons
⁵⁸Fe	0,28%	Fe és estable amb 32 neutrons
⁵⁹Fe	Sintètic	44,503 dies	β	1,565	⁵⁹CO
⁶⁰Fe	Sintètic	1,5x10⁶ anys	β^-	3,978	⁶⁰CO

Valors en el SI d'unitats i en CNPT (0º C i 1 atm),
excepte quan s'indica el contrari.

El ferro és un element químic de nombre atòmic 26 situat en el grup 8 de la taula periòdica. Es simbolitza com Fe.

Aquest metall de transició és el quart element més abundant en la escorça terrestre, representant un 5% i, entre els metalls, només l'alumini és més abundant. Igualment és un dels elements més importants de l'Univers, i el nucli de la Terra està format principalment per ferro i níquel, generant en moure's un camp magnètic. Ha sigut històricament molt important, i un període de la Història rep el nom d' "Edat de Ferro".

[edita] Característiques principals

És un metall mal·leable, tenaç, de color gris platejat i presenta propietats magnètiques; és ferromagnètic a temperatura ambient.

Es troba en la naturalesa formant part de nombrosos minerals, molts dels quals són òxids, i rarament es troba lliure. Per a obtenir ferro en estat elemental, els òxids es redueixen amb carboni i després és sotmès a un procés de refinat per a eliminar les impureses presents. L'òxid més abundant és l'òxid de ferro III, de fórmula Fe₂O₃

Fonamentalment s'empra en la producció d'acers, consistents en aliatges de ferro amb altres elements, tant metàl·lics com no metàl·lics, que confereixen distintes propietats al material. Es considera que un aliatge de ferro és acer si conté menys d'un 2% de carboni; si el percentatge és major, rep el nom de fosa.

És l'element més pesat que es produeix exotèrmicament per fusió, i el més lleuger que es produeix a través d'una fissió, pel fet que el seu nucli té la més alta energia d'enllaç per nucleó (energia necessària per a separar del nucli un neutró o un protó); per tant, el nucli més estable és el del ferro-56.

Presenta diferents formes estructurals depenent de la temperatura:

Ferro α: És la que es troba a temperatura ambient; fins als 788 ºC. El sistema cristal·lí és una xarxa cúbica centrada en el cos i és ferromagnètic.
Ferro β: 788 ºC - 910 ºC; té el mateix sistema cristal·lí que la α, però la temperatura de Curie és de 770 ºC, i passa a ser paramagnètic.
Ferro γ: 910 ºC - 1400 ºC; presenta una xarxa cúbica centrada en les cares.
Ferro δ: 1400 ºC - 1539 ºC; torna a presentar una xarxa cúbica centrada en el cos.

[edita] Aplicacions

El ferro és el metall més usat, amb el 95% en pes de la producció mundial de metall. És molt popular a causa del seu baix preu i duresa, especialment en automòbils, vaixells i components estructurals d'edificis.

L'acer és l'aliatge de ferro més conegut, sent aquest el seu ús més freqüent. Els aliatges ferris presenten una gran varietat de propietats mecàniques depenent de la seva composició o el tractament que s'hagi dut a terme.

Els acers són aliatges de ferro i carboni, així com altres elements. Depenent del seu contingut en carboni es classifiquen en:
- Acer baix en carboni. Menys del 0.25% de C en pes. Són tous però dúctils. S'utilitzen en vehicles, canonades, elements estructurals, etcètera. També hi ha els acers d'alta resistència i baix aliatge, que contenen altres elements aliats fins a un 10% en pes; tenen una major resistència mecànica i poden ser treballats fàcilment.
- Acer mig en carboni. Entre un 0.25% i un 0.6% de C en pes. Per a millorar les seves propietats són tractats tèrmicament. Són més resistents que els acers baixos en carboni, però menys dúctils; s'empren en peces d'enginyeria que requereixen una alta resistència mecànica i al desgast.
- Acer alt en carboni. Entre un 0.60% i un 1.4% de C en pes. Són encara més resistents, però també menys dúctils. S'afegeixen altres elements perquè formen carburs, per exemple, amb wolframi es forma el carbur de wolframi, WC; aquests carburs són molt durs. Aquests acers s'empren principalment en la fabricació d'eines.
Un dels inconvenients del ferro és que s'oxida amb facilitat. Hi ha una sèrie d'acers als quals s'afegeixen altres elements aliants (principalment crom) perquè siguin més resistents a la corrosió, s'anomenen acers inoxidables.
Quan el contingut en carboni és superior a un 2.1% en pes, l'aliatge es denomina fosa. Generalment tenen entre un 3% i un 4.5% de C en pes. Hi ha distints tipus de foses (gris, esferoïdal, blanca i mal·leable); segons el tipus s'utilitzen per a distintes aplicacions: en motors, vàlvules, engranatges, etcètera.
Per una altra part, els òxids de ferro tenen moltes aplicacions: en pintures, obtenció de ferro, la magnetita (Fe₃O₄) i l'òxid de ferro III en aplicacions magnètiques, etcètera.

[edita] Compostos

Mena de Ferro, en una empresa de fabricació d'acer

Els estats d'oxidació del Ferro són;

L'estat Ferro (-II), Fe^2- (p.ex. Fe(CO)₄^2-,Fe(CO)₂(NO)₂.
L'estat Ferro (0), Fe(CO)₅, Fe(PF₃)₅.
L'estat Ferro (I), [Fe(H₂O)₅NO]²⁺.
L'estat Ferro (II), Fe²⁺, anteriorment conegut com ferrós és molt comú.
L'estat Ferro (III), Fe³⁺, anteriorment conegut com fèrric, és també molt comú, per exemple en el rovell.
L'estat Ferro (IV), Fe⁴⁺, anteriorment conegut com ferril, estabilitzat en alguns enzims (p.ex. peroxidases).
L'estat Ferro (VI), Fe⁶⁺ es troba rarament, en el ferrat potàssic.

Els òxids de ferro més coneguts són l'òxid de ferro (II), FeO, l'òxid de ferro (III), Fe₂O₃, i l'òxid mixt Fe₃O₄. Forma així mateix nombroses sals i complexos en aquests estats d'oxidació. L'hexacianoferrat (II) de ferro (III), usat en pintures, s'ha denominat blau de Prússia o blau de Turnbull; es pensava que eren substàncies diferents.

Oxidació del ferro.

Es coneixen compostos en l'estat d'oxidació +4, +5 i +6, però són poc comuns, i en el cas del +5, no està ben caracteritzat. El ferrat de potassi, K₂FeO₄, en el que el ferro està en estat d'oxidació +6, s'empra com a oxidant. L'estat d'oxidació +4 es troba en uns pocs compostos i també en alguns processos enzimàtics.

El Fe₃C es coneix com cementita, conté un 6,67 % en carboni, al ferro α se li coneix com ferrita, i a la mescla de ferrita i cementita, perlita o ledeburita depenent del contingut en carboni. L'austenita és el ferro γ.

[edita] Història

Destral de ferro, trobada a Suècia

Es tenen indicis d'us del ferro, segurament procedent de meteorits, quatre mil·lennis abans de Crist, per part dels sumeris i egipcis.

Entre dos i tres mil·lennis abans de Crist van apareixent cada vegada més objectes de ferro (que es distingeix del ferro procedent de meteorits per l'absència de níquel) a Mesopotàmia, Anatòlia i Egipte. No obstant, el seu ús pareix cerimonial, sent un metall molt car, més que l'or. Algunes fonts suggereixen que tal vegada s'obtingués com subproducte de l'obtenció de coure. Entre el 1600 a. de C i el 1200 a. de C., va augmentant el seu ús a l'Orient Mitjà, però no substitueix a l'ús predominant del bronze.

Entre els segles XII a. de C i X a. de C., es produeix una ràpida transició a Orient Mitjà des de les armes de bronze a les de ferro. Aquesta ràpida transició tal vegada fora deguda a la falta d'estany, més que a una millora en la tecnologia del treball del ferro. A aquest període, que es va produir en diferents dates segons el lloc, es denomina Edat de Ferro, substituint a l'Edat de Bronze. A Grècia va començar a emprar-se entorn de l'any 1000 a. de C., i no va arribar a Europa occidental fins al segle VII a. de C. La substitució del bronze pel ferro va ser gradual, perquè era difícil fabricar peces de ferro: localitzar el mineral, després fondre-ho a temperatures altes per a finalment forjar-ho.

A Europa Central, va sorgir en el segle IX a. de C. la cultura d'Hallstatt (substituint a la cultura dels camps d'urnes, que es denomina primera Edat de Ferro, perquè coincideix amb la introducció d'aquest metall.

Cap al 450 a. de C. es va desenvolupar la cultura de La Tène, també denominada segona Edat de Ferro. El ferro s'usa en eines, armes i joieria, encara que segueixen trobant-se objectes de bronze.

Junt amb aquesta transició del bronze al ferro es va descobrir el procés de carburització, consistent a afegir carboni al ferro. El ferro s'obtenia com una mescla de ferro i escòria, amb quelcom de carboni o carburs, i era forjat, extraient l'escòria i oxidant el carboni, creant així el producte ja amb una forma. Aquest ferro forjat tenia un contingut en carboni molt baix i no es podia endurir fàcilment al refredar-lo amb aigua. Es va observar que es podia obtenir un producte molt més dur escalfant la peça de ferro forjat en un llit de carbó vegetal, per a llavors submergir-lo en aigua o oli.

El producte resultant, que tenia la superfície d'acer, era més dur i menys fràgil que el bronze, al qual va començar a reemplaçar.

A la Xina, el primer ferro que es va utilitzar també procedia de meteorits, havent-se trobat objectes de ferro forjat al nord-oest, prop de Xinjiang, del segle VIII a. de C. EL procediment era el mateix que l'utilitzat a Orient Mitjà i Europa.

Als últims anys de la Dinastia Zhou (550 a. de C.), a la Xina s'aconsegueix obtenir ferro colat (producte de la fusió de l'arrabi). El mineral trobat allí presenta un alt contingut en fòsfor, amb la qual cosa fon a temperatures menors que a Europa i altres llocs. No obstant durant força temps, fins a la Dinastia Qing (cap a 221 a. de C.), no va tenir una gran repercussió.

El ferro colat va tardar més a arribar a Europa, perquè no s'aconseguia la temperatura suficient. Algunes de les primeres mostres de ferro colat s'han trobat a Suècia, a Lapphyttan i Vinarhyttan, del 1150 d. de C i 1350 d. de C.

A l'Edat Mitjana, i fins a finals del segle XIX, molts països europeus empraven com a mètode siderúrgic la farga catalana. S'obtenia ferro i acer baix en carboni emprant carbó vegetal i mineral de ferro.

Aquest sistema estava ja implantat al segle XV, i s'aconseguien temperatures de fins a uns 1200 ºC. Aquest procediment va ser substituït per l'emprat en els alts forns.

En un principi s'usava carbó vegetal per a l'obtenció de ferro com a font de calor i com a agent reductor. Durant el segle XVIII, a Anglaterra, va començar a escassejar i fer-se més car el carbó vegetal, i això va fer que comencés a utilitzar-se coc, un combustible fòssil, com a alternativa. Va ser utilitzat per primera vegada per Abraham Darby, a principis del segle XVIII, que va construir a Coalbrookdale, Anglaterra, un alt forn. Així mateix, el coc es va emprar com a font d'energia en la Revolució Industrial. En aquest període la demanda de ferro va ser cada vegada major, per exemple per a la seva aplicació en el ferrocarril.

L'alt forn va anar evolucionant al llarg dels anys. Henry Cort, al 1784, va aplicar noves tècniques que en van millorar la producció. Al 1826 l'alemany Friedrich Harkot va construïr un alt forn sense maçoneria per als fums.

Cap a finals del segle XVIII i començaments del segle XIX es va començar a emprar àmpliament el ferro com a element estructural (en ponts, edificis, etcètera). Entre el1776 i 1779 es construí el primer pont de fosa de ferro, construït per John Wilkinson i Abraham Darby. A Anglaterra s'emprà per primera vegada en la construcció d'edificis, per Mathew Boulton i James Watt, a principis del segle XIX. També són conegudes altres obres d'aqueix segle, per exemple el "Palau de Vidre" construït per a l'Exposició Universal de 1851 a Londres, de l'arquitecte Joseph Paxton, que té una carcassa de ferro, o la Torre Eiffel, a París, construïda al 1889 per a l'Exposició Universal, on es van utilitzar milers de tones de ferro.

[edita] Abundància i obtenció

Pedres rojes, degut a la presència de Ferro

És el metall de transició més abundant en l'escorça terrestre, i el quart més abundant de tots els elements. També abunda en tot l'Univers, havent-se trobat meteorits que el contenen.

Es troba formant part de nombrosos minerals, entre els que destaquen: l'hematites (Fe₂O₃), la magnetita (Fe₃O₄), la limonita (FeO(OH)), la siderita (FeCO₃), la pirita (FeS₂), ilmenita (FeTiO₃), etcètera.

Es pot obtenir ferro a partir dels òxids amb més o menys impureses. Molts dels minerals de ferro són òxids, i els que no ho son, es poden oxidar per a obtenir els corresponents òxids.

La reducció dels òxids per a obtenir ferro es du a terme en un forn denominat habitualment alt forn . En ell s'afegeixen els minerals de ferro, en presència de coc i carbonat de calci, CaCO₃ (que actua com a escorificant).

Els gasos resultants, poden intervenir en una sèrie de reaccions; el coc pot reaccionar amb l'oxigen per a formar diòxid de carboni:

C + O₂ → CO₂

Al seu torn el diòxid de carboni pot reduir-se per a donar monòxid de carboni:

CO₂ + C → 2CO

Encara que també es pot donar el procés contrari en oxidar-se el monòxid de carboni amb oxigen per a tornar a donar diòxid de carboni:

2CO + O₂ → 2CO₂

El procés d'oxidació de coc amb oxigen allibera energia i s'utilitza per a escalfar el forn, arribant-se fins a uns 1900 ºC en la part inferior del forn. La part superior del forn no està tan calenta.

En primer lloc els òxids de ferro poden reduir-se, parcial o totalment, amb el monòxid de carboni, CO; per exemple:

Fe₃O₄ + 3CO → 3FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

Després, conforme arriba a parts més baixes del forn i la temperatura augmenta, reaccionen amb el coc (carboni en la seva major part), reduint-se els òxids. Per exemple:

Fe₃O₄ + C → 3FeO + CO

El carbonat de calci es descompon:

CaCO₃ → CaO + CO₂

I el diòxid de carboni és reduït amb el coc a monòxid de carboni com s'ha vist abans.

Més avall es produeixen processos de carburació:

3Fe + 2CO → Fe₃C + CO₂

Finalment es produeix la combustió i desulfuració (eliminació de sofre) mitjançant l'entrada d'aire. I finalment es separen dues fraccions: l'escòria i el arrabi (ferro colat, que és la matèria primera que després s'empra en la indústria).

L'arrabi sol contenir forces impureses no desitjables, i és necessari sotmetre'l a un procés de refinat en forns anomenats convertidors.

A l'any 2000, els cinc majors productors de ferro eren: Xina, Brasil, Austràlia, Rússia i la Índia. Conjuntament sumaven el 70% de la producció mundial.

[edita] Rol biològic

Estructura del grup hemo de l'Hemoglobina. Noteu els enllaçis febles del ferro que permeten la unió a l'oxigen

El ferro es troba en pràcticament tots els éssers vius i compleix nombroses i variades funcions.

Hi ha diferents proteïnes que contenen el grup hemo, que consisteix en el lligant porfirina amb un àtom de ferro. Alguns exemples:
- La hemoglobina i la mioglobina; la primera transporta oxigen, O₂, i la segona l'emmagatzema.
- Els citocroms; els citocroms c catalitzen la reducció d'oxigen a aigua. Els citocroms P450 catalitzen l'oxidació de compostos hidrofòbics, com a fàrmacs o drogues, perquè puguin ser excretats, i participen en la síntesi de distintes molècules.
- Les peroxidases i catalases catalitzen l'oxidació de peròxids, H₂O₂, que són tòxics.
Les proteïnes de ferro/sofre (Fe/S) participen en processos de transferència d'electrons.

També es poden trobar proteïnes on àtoms de ferro s'enllacen entre si a través d'enllaços pont d'oxigen. Es denominen proteïnes Fe-O-Fe. Alguns exemples:
- Les bacteries metanotròfiques, que empren el metà, CH₄, com a font d'energia i de carboni, usen proteïnes d'aquest tipus, anomenades monooxigenases, per a catalitzar l'oxidació d'aquest metà.
- La hemeritrina transporta oxigen en alguns organismes marins.
- Algunes ribonucleòtid reductasses contenen ferro. Catalitzen la formació de desoxinucleòtids.

Els animals per a transportar el ferro dins del cos empren unes proteïnes anomenades transferrines. Per a emmagatzemar-lo empren la ferritina i la hemosiderina. El ferro entra en l'organisme en ser absorbit en l'intestí prim i és transportat o emmagatzemat per aqueixes proteïnes. La major part del ferro es reutilitza i molt poc s'excreta.

Tant l'excés com el defecte de ferro pot provocar problemes en l'organisme. L'enverinament per ferro s'anomena hemocromatosi. En les transfusions de sang s'empren lligands que formen amb el ferro complexos d'alta estabilitat per a evitar que quedi massa ferro lliure.

Aquests lligants es coneixen com a sideròfors. Molts microorganismes empren aquests sideròfors per a captar el ferro que necessiten. També es poden emprar com a antibiòtics, perquè no deixen ferro lliure disponible.

[edita] Isòtops

El ferro té quatre isòtops estables naturals: ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe i ⁵⁸Fe. Les abundàncies relatives en què es troben en la naturalesa són d'aproximadament:

⁵⁴Fe (5,8%), ⁵⁶Fe (91,7%), ⁵⁷Fe (2,2%) i ⁵⁸Fe (0,3%).

[edita] Precaucions

El ferro en excés és tòxic. El ferro reacciona amb peròxid i produeix radicals lliures; la reacció més important és:

Fe (II) + O₂ → Fe (III) + OH^- + OH^·

Quan el ferro es troba dins d'uns nivells normals, els mecanismes antioxidants de l'organisme poden controlar aquest procés.

La dosi letal de ferro en un nen de 2 anys és d'uns 3 grams. Quantitats d'1 gram poden provocar un enverinament important.

El ferro en excés s'acumula en el fetge i provoca danys en aquest òrgan.

[edita] El ferro a la cultura

El ferro durant molt de temps va ser el metall més dur i per això ha donat peu a nombroses metàfores, com el cavaller de ferro o la Dama de Ferro (Margaret Thatcher). Una relació de ferro és sòlida i no es pot trencar.

Ha jugat també un paper important a la mitologia. Com que la sang té una olor i un regust al ferro que conté i la sang és el principi de la vida en moltes cultures, s'ha considerat el ferro com el material de la vida, amb poders especials. Per aquest motiu molts amulets estan fets de ferro. Igualment el ferro fred, oposat a la sang calenta, espanta determinats éssers, com els esperits malèfics (d'aquí la superstició d'usar una ferradura per atreure la sort o esquivar la dolenta). Les característiques magnètiques del ferro van multiplicar les llegendes sobre el seu poder i sempre s'ha associat a la terra.