Ferro (elemento chimico): caratteristiche, struttura chimica, usi
Il ferro è un metallo di transizione situato nel gruppo VIIIB o 8 della tavola periodica. È uno dei metalli che è stato a conoscenza fin dai primi tempi. I cinesi, gli egiziani e i romani, hanno lavorato con questo metallo. La sua facile estrazione segnò una fase della storia conosciuta come l'età del ferro.
Il suo nome deriva dalla parola 'ferrum' in latino, e quindi dal suo simbolo chimico Faith. È un elemento molto reattivo, quindi la sua lucentezza argentea non si trova di solito in natura. Nei tempi antichi, questo metallo era infatti catalogato con un valore superiore a quello dell'oro a causa della sua presunta scarsità.
La sua forma pura è stata trovata nelle regioni della Groenlandia e nelle rocce ignee dei terreni della Russia. Nello spazio siderale, si ritiene che sia un componente abbondante nelle meteoriti, che dopo aver colpito sulla Terra alcuni hanno conservato il ferro cristallizzato nei loro seni rocciosi.
Ma, più importante del ferro puro, sono i suoi composti; in particolare, i suoi ossidi. Questi ossidi coprono la superficie terrestre con una grande famiglia di minerali, come la magnetite, la pirite, l'ematite, la goethite e molti altri. In effetti, le colorazioni osservate nelle montagne e nei deserti di Marte sono dovute in gran parte all'ematite.
Oggetti di ferro possono essere trovati all'interno di città o campi. Quelli che non hanno un film protettivo, diventano rossastri perché corrodono con l'umidità e l'ossigeno. Altri, come la lanterna dell'immagine principale, rimangono grigi o neri.
Si stima che vi sia una massiccia concentrazione di questo metallo nel nucleo della Terra. Tanto che, allo stato liquido, prodotto di alte temperature, può essere responsabile del campo magnetico della Terra.
D'altra parte, il ferro non solo integra il guscio del nostro pianeta, ma è anche parte dei nutrienti richiesti dagli esseri viventi. Ad esempio, è necessario trasportare l'ossigeno ai tessuti.
Caratteristiche del ferro
Il ferro puro ha le sue caratteristiche che lo differenziano dai suoi minerali. È un metallo lucido, grigio, che reagisce con l'ossigeno e l'umidità nell'aria per trasformarsi nel suo ossido corrispondente. Se non ci fosse ossigeno nell'atmosfera, tutti gli ornamenti e le strutture di ferro rimarrebbero intatti e privi di ruggine rossa.
Ha elevata resistenza meccanica e durezza, ma allo stesso tempo è malleabile e duttile. Ciò consente ai fabbri di forgiare pezzi con numerose forme e disegni sottoponendo masse di ferro a temperature intense. È anche un buon conduttore di calore ed elettricità.
Inoltre, una delle sue caratteristiche più preziose è la sua interazione con i magneti e la sua capacità di magnetizzare. All'opinione pubblica sono state date molte dimostrazioni dell'effetto che i magneti forniscono sul movimento dei trucioli di ferro, e anche per dimostrare il campo magnetico e i poli di un magnete.
Punti di fusione e di ebollizione
Il ferro si scioglie a una temperatura di 1535 ° C e bolle a 2750 ° C. Nella sua forma liquida e incandescente questo metallo è ottenuto. Inoltre, le sue batterie di fusione ed evaporazione sono di 13, 8 e 349, 6 kJ / mol.
densità
La sua densità è di 7, 86 g / cm3. Vale a dire, che 1 ml di questo metallo pesa 7.86 grammi.
isotopi
Nella tavola periodica, in particolare nel gruppo 8 del periodo 4, si trova ferro, con una massa atomica di circa 56u (26 protoni, 26 elettroni e 30 neutroni). Tuttavia, in natura ci sono altri tre isotopi stabili di ferro, cioè hanno lo stesso numero di protoni ma diverse masse atomiche.
56Fe è il più abbondante di tutti (91, 6%), seguito da 54Fe (5, 9%), 57Fe (2, 2%) e infine 58Fe (0, 33%). Sono questi quattro isotopi che costituiscono tutto il ferro contenuto nel pianeta Terra. In altre condizioni (extraterrestri), queste percentuali possono variare, ma il 56Fe può continuare ad essere il più abbondante.
Altri isotopi, con masse atomiche oscillanti tra 46 e 69 u, sono molto instabili e hanno un'emivita inferiore ai quattro appena citati.
tossicità
Soprattutto le caratteristiche, è un metallo non tossico. Altrimenti, sarebbero necessari trattamenti speciali (chimici e fisici) e oggetti e edifici incommensurabili rappresenterebbero un rischio latente per l'ambiente e la vita.
Proprietà chimiche
La configurazione elettronica del ferro è [Ar] 3d64s2, il che significa che contribuisce con due elettroni dal suo orbitale 4s, e sei dagli orbitali 3d, per la formazione dei suoi legami metallici all'interno del cristallo. È questa struttura cristallina che spiega alcune proprietà come il ferromagnetismo.
Inoltre, la configurazione elettronica predice superficialmente la stabilità dei suoi cationi. Quando il ferro perde due dei suoi elettroni, Fe2 +, rimane con configurazione [Ar] 3d6 (supponendo che l'orbitale 4s sia da dove provengono questi elettroni). Mentre se perde tre elettroni, Fe3 +, la sua configurazione è [Ar] 3d5.
Sperimentalmente è stato dimostrato che molti ioni con configurazione di valenza nd5 sono di grande stabilità. Pertanto, il ferro tende ad ossidarsi contro le specie che accettano gli elettroni per diventare il catione ferrico di Fe3 +; e in un ambiente meno ossidativo, nel catione di ferro + Fe2.
Quindi, in un terreno con poca presenza di ossigeno, si prevede che predominano i composti ferrosi. Il pH influenza anche lo stato di ossidazione del ferro, dal momento che in terreni altamente acidi la sua trasformazione in Fe3 + è favorita.
Colori dei suoi composti
Il Fe2 + in soluzione è verdastro, e Fe3 + in un viola delicato. Allo stesso modo, i composti di ferro possono avere colori verdi o rossi a seconda di quale catione è presente e quali ioni o molecole li circondano.
Le sfumature del verde cambiano in base all'ambiente elettronico di Fe2 +. Quindi, FeO, ossido di ferro, è un solido verde molto scuro; mentre il FeSO 4, solfato ferroso, ha cristalli verde chiaro. Altri composti Fe2 + possono anche avere toni bluastri, come nel caso del blu di Prussia.
Si verifica anche con le tonalità viola di Fe3 + nei suoi composti, che possono diventare rossastri. Per esempio, l'ematite, Fe 2 O 3, è l'ossido responsabile di molti pezzi di ferro che sembrano rossastri.
Un numero considerevole di composti di ferro, tuttavia, sono incolori. Il cloruro ferrico, FeCl 3, è incolore, poiché Fe3 + non si trova realmente in forma ionica ma forma legami covalenti (Fe-Cl).
Altri composti sono infatti miscele complesse di cationi Fe2 + e Fe3 +. I loro colori saranno sempre soggetti a cui ioni o molecole interagiscono con il ferro, anche se come accennato, una grande maggioranza tende ad essere bluastra, violacea, rossastra (anche gialla) o verde scuro.
Stati di ossidazione
Come spiegato, il ferro può avere uno stato di ossidazione o valenza di +2 o +3. Tuttavia, è anche possibile che partecipi ad alcuni composti con una valenza di 0; vale a dire, non subisce alcuna perdita di elettroni.
In questo tipo di composti, il ferro partecipa alla sua forma grezza. Ad esempio, Fe (CO) 5, pentacarbonile di ferro, consiste in un olio ottenuto riscaldando il ferro poroso con monossido di carbonio. Le molecole di CO sono alloggiate nei vuoti del liquido, il Fe essendo coordinato con cinque di questi (Fe-C≡O).
Agenti ossidanti e riducenti
Quale dei cationi, Fe2 + o Fe3 +, si comporta come un agente ossidante o riducente? Fe2 + in mezzo acido o in presenza di ossigeno, perde un elettrone per diventare Fe3 +; quindi, è un agente riducente:
Fe2 + => Fe3 + + e-
E Fe3 + si comporta come un agente ossidante in un mezzo di base:
Fe3 + + e- => Fe2 +
O anche:
Fe3 + + 3e- => Fede
Struttura chimica
Il ferro forma solidi polimorfi, cioè i suoi atomi di metallo possono adottare differenti strutture cristalline. A temperatura ambiente, i suoi atomi si cristallizzano nell'unità unitaria bcc: cubica centrata nel corpo ( corpo centrato cubico ). Questa fase solida è conosciuta come ferrite, Fe α.
Questa struttura di CCC può essere dovuta al fatto che il ferro è un metallo di configurazione d6, con posto vacante elettronico di quattro elettroni.
Quando la temperatura aumenta, gli atomi di Fe vibrano a causa dell'effetto termico e adottano, dopo 906 ° C, un ccp cubico compatto: la struttura cubica più chiusa . È il Fe γ, che ritorna alla fase Fe α alla temperatura di 1401ºC. Dopo questa temperatura, il ferro si scioglie a 1535 ° C.
E l'aumento della pressione? Quando questo aumenta, costringe gli atomi di cristallo a "schiacciare" in una struttura più densa: Fe β. Questo polimorfo ha una struttura compatta esagonale hcp ( pacchetto chiuso esagonale ).
Usi / applicazioni
strutturale
Il ferro da solo ha poche applicazioni. Tuttavia, quando è rivestito con un altro metallo (o una lega, come lo stagno), è protetto dalla corrosione. Quindi, il ferro è un materiale da costruzione presente in edifici, ponti, porte, statue, automobili, macchine, trasformatori, ecc.
Quando vengono aggiunte piccole quantità di carbonio e altri metalli, le loro proprietà meccaniche vengono rinforzate. Questi tipi di leghe sono noti come acciai. Gli acciai stanno costruendo quasi tutte le industrie e i loro materiali.
D'altra parte, il ferro mescolato con altri metalli (alcune delle terre rare) è stato utilizzato per la fabbricazione di magneti utilizzati in apparecchiature elettroniche.
biologico
Il ferro gioca un ruolo essenziale nella vita. Nel nostro corpo, fa parte di alcune proteine, incluso l'enzima emoglobina.
Senza l'emoglobina, portatore di ossigeno grazie al suo centro metallico di Fe3 +, l'ossigeno non può essere trasportato in diverse regioni del corpo, perché in acqua è molto insolubile.
L'emoglobina viaggia attraverso il sangue verso le cellule muscolari, dove il pH è acido e abbondano le concentrazioni più elevate di CO 2 . Qui avviene il processo inverso, cioè l'ossigeno viene rilasciato a causa delle condizioni e della sua bassa concentrazione in queste cellule. Questo enzima può trasportare un totale di quattro molecole di O 2 .
Come hai capito?
Grazie alla sua reattività si trova nella crosta terrestre formando ossidi, solfuri o altri minerali. Pertanto, alcuni di essi possono essere utilizzati come materia prima; tutto dipenderà dai costi e dalle difficoltà per ridurre il ferro nel suo ambiente chimico.
Sul piano industriale, la riduzione degli ossidi di ferro è più fattibile rispetto ai suoi solfuri. Ematite e magnetite, Fe 3 O 4, sono le principali fonti di questo metallo, che sono reagite con carbonio (sotto forma di coca cola).
Il ferro ottenuto con questo metodo è liquido e incandescente, e viene svuotato in lingotti di lingotti (come una cascata di lava). Inoltre, si possono formare grandi quantità di gas, che possono essere dannosi per l'ambiente. Pertanto, ottenere ferro comporta la considerazione di molti fattori.
Reazioni all'interno dei forni
Senza nominare i dettagli della loro estrazione e trasporto, questi ossidi vengono trasferiti, insieme al coke e al calcare (CaCO 3 ) agli altiforni. Gli ossidi estratti trasportano tutti i tipi di impurità, che reagiscono con il CaO rilasciato dalla decomposizione termica di CaCO 3 .
Una volta caricato il lotto di materia prima nel forno, nella sua parte inferiore scorre una corrente d'aria a 2000 ° C, che combina il coke in monossido di carbonio:
2C (s) + O 2 (g) => 2CO (g) (2000 ° C)
Questo CO sale fino alla cima del forno, dove incontra l'ematite e lo riduce:
3Fe 2 O 3 (s) + CO (g) => 2Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) (200ºC)
Nella magnetite ci sono gli ioni Fe2 +, prodotti della riduzione di Fe3 + con CO. Quindi, questo prodotto continua a essere ridotto con più CO:
Fe 3 O 4 (s) + CO (g) => 3 FeO (s) + CO 2 (g) (700ºC)
Infine, il FeO finisce per essere ridotto a ferro metallico, che si scioglie a causa delle alte temperature del forno:
FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO 2 (g)
Faith (s) => Faith (l)
Mentre allo stesso tempo il CaO reagisce con i silicati e le impurità, formando ciò che è noto come scorie liquide. Questa scoria è meno densa del ferro liquido, motivo per cui galleggia sopra di essa ed entrambe le fasi possono separarsi.
