Ferro

iso.	AN	Per??ode de semidesintegraci??	CD	ED M eV	PD
⁵⁴Fe	5,8%	Fe ??s estable amb 28 neutrons
⁵⁵Fe	Sint??tic	2,73 anys	??	0,231	⁵⁵Mn
⁵⁶Fe	91,72%	Fe ??s estable amb 30 neutrons
⁵⁷Fe	2,2%	Fe ??s estable amb 31 neutrons
⁵⁸Fe	0,28%	Fe ??s estable amb 32 neutrons
⁵⁹Fe	Sint??tic	44,503 dies	??	1,565	⁵⁹CO
⁶⁰Fe	Sint??tic	1,5x10⁶ anys	??^-	3,978	⁶⁰CO

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

El ferro ??s un element qu??mic de nombre at??mic 26 situat en el grup 8 de la taula peri??dica. Es simbolitza com Fe.

Aquest metall de transici?? ??s el quart element m??s abundant en la escor??a terrestre, representant un 5% i, entre els metalls, nom??s l'alumini ??s m??s abundant. Igualment ??s un dels elements m??s importants de l'Univers, i el nucli de la Terra est?? format principalment per ferro i n??quel, generant en moure's un camp magn??tic. Ha sigut hist??ricament molt important, i un per??ode de la Hist??ria rep el nom d' "Edat de Ferro".

[edita] Caracter??stiques principals

??s un metall mal??leable, tena??, de color gris platejat i presenta propietats magn??tiques; ??s ferromagn??tic a temperatura ambient.

Es troba en la naturalesa formant part de nombrosos minerals, molts dels quals s??n ??xids, i rarament es troba lliure. Per a obtenir ferro en estat elemental, els ??xids es redueixen amb carboni i despr??s ??s sotm??s a un proc??s de refinat per a eliminar les impureses presents. L'??xid m??s abundant ??s l'??xid de ferro III, de f??rmula Fe₂O₃

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

??s l'element m??s pesat que es produeix exot??rmicament per fusi??, i el m??s lleuger que es produeix a trav??s d'una fissi??, pel fet que el seu nucli t?? la m??s alta energia d'enlla?? per nucle?? (energia necess??ria per a separar del nucli un neutr?? o un prot??); per tant, el nucli m??s estable ??s el del ferro-56.

Presenta diferents formes estructurals depenent de la temperatura:

Ferro ??: ??s la que es troba a temperatura ambient; fins als 788 ??C. El sistema cristal??l?? ??s una xarxa c??bica centrada en el cos i ??s ferromagn??tic.
Ferro ??: 788 ??C - 910 ??C; t?? el mateix sistema cristal??l?? que la ??, per?? la temperatura de Curie ??s de 770 ??C, i passa a ser paramagn??tic.
Ferro ??: 910 ??C - 1400 ??C; presenta una xarxa c??bica centrada en les cares.
Ferro ??: 1400 ??C - 1539 ??C; torna a presentar una xarxa c??bica centrada en el cos.

[edita] Aplicacions

El ferro ??s el metall m??s usat, amb el 95% en pes de la producci?? mundial de metall. ??s molt popular a causa del seu baix preu i duresa, especialment en autom??bils, vaixells i components estructurals d'edificis.

L'acer ??s l'aliatge de ferro m??s conegut, sent aquest el seu ??s m??s freq??ent. Els aliatges ferris presenten una gran varietat de propietats mec??niques depenent de la seva composici?? o el tractament que s'hagi dut a terme.

Els acers s??n aliatges de ferro i carboni, aix?? com altres elements. Depenent del seu contingut en carboni es classifiquen en:
- Acer baix en carboni. Menys del 0.25% de C en pes. S??n tous per?? d??ctils. S'utilitzen en vehicles, canonades, elements estructurals, etc??tera. Tamb?? hi ha els acers d'alta resist??ncia i baix aliatge, que contenen altres elements aliats fins a un 10% en pes; tenen una major resist??ncia mec??nica i poden ser treballats f??cilment.
- Acer mig en carboni. Entre un 0.25% i un 0.6% de C en pes. Per a millorar les seves propietats s??n tractats t??rmicament. S??n m??s resistents que els acers baixos en carboni, per?? menys d??ctils; s'empren en peces d'enginyeria que requereixen una alta resist??ncia mec??nica i al desgast.
- Acer alt en carboni. Entre un 0.60% i un 1.4% de C en pes. S??n encara m??s resistents, per?? tamb?? menys d??ctils. S'afegeixen altres elements perqu?? formen carburs, per exemple, amb wolframi es forma el carbur de wolframi, WC; aquests carburs s??n molt durs. Aquests acers s'empren principalment en la fabricaci?? d'eines.
Un dels inconvenients del ferro ??s que s'oxida amb facilitat. Hi ha una s??rie d'acers als quals s'afegeixen altres elements aliants (principalment crom) perqu?? siguin m??s resistents a la corrosi??, s'anomenen acers inoxidables.
Quan el contingut en carboni ??s 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, esfero??dal, blanca i mal??leable); segons el tipus s'utilitzen per a distintes aplicacions: en motors, v??lvules, engranatges, etc??tera.
Per una altra part, els ??xids de ferro tenen moltes aplicacions: en pintures, obtenci?? de ferro, la magnetita (Fe₃O₄) i l'??xid de ferro III en aplicacions magn??tiques, etc??tera.

[edita] Compostos

Mena de Ferro, en una empresa de fabricaci?? d'acer

Els estats d'oxidaci?? del Ferro s??n;

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 ferr??s ??s molt com??.
L'estat Ferro (III), Fe³⁺, anteriorment conegut com f??rric, ??s tamb?? molt com??, 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 pot??ssic.

Els ??xids de ferro m??s coneguts s??n l'??xid de ferro (II), FeO, l'??xid de ferro (III), Fe₂O₃, i l'??xid mixt Fe₃O₄. Forma aix?? mateix nombroses sals i complexos en aquests estats d'oxidaci??. L'hexacianoferrat (II) de ferro (III), usat en pintures, s'ha denominat blau de Pr??ssia o blau de Turnbull; es pensava que eren subst??ncies diferents.

Oxidaci?? del ferro.

Es coneixen compostos en l'estat d'oxidaci?? +4, +5 i +6, per?? s??n poc comuns, i en el cas del +5, no est?? ben caracteritzat. El ferrat de potassi, K₂FeO₄, en el que el ferro est?? en estat d'oxidaci?? +6, s'empra com a oxidant. L'estat d'oxidaci?? +4 es troba en uns pocs compostos i tamb?? en alguns processos enzim??tics.

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

[edita] Hist??ria

Destral de ferro, trobada a Su??cia

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 m??s objectes de ferro (que es distingeix del ferro procedent de meteorits per l'abs??ncia de n??quel) a Mesopot??mia, Anat??lia i Egipte. No obstant, el seu ??s pareix cerimonial, sent un metall molt car, m??s que l'or. Algunes fonts suggereixen que tal vegada s'obtingu??s com subproducte de l'obtenci?? de coure. Entre el 1600 a. de C i el 1200 a. de C., va augmentant el seu ??s a l'Orient Mitj??, per?? no substitueix a l'??s predominant del bronze.

Entre els segles XII a. de C i X a. de C., es produeix una r??pida transici?? a Orient Mitj?? des de les armes de bronze a les de ferro. Aquesta r??pida transici?? tal vegada fora deguda a la falta d'estany, m??s que a una millora en la tecnologia del treball del ferro. A aquest per??ode, que es va produir en diferents dates segons el lloc, es denomina Edat de Ferro, substituint a l'Edat de Bronze. A Gr??cia va comen??ar 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 substituci?? del bronze pel ferro va ser gradual, perqu?? era dif??cil fabricar peces de ferro: localitzar el mineral, despr??s 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, perqu?? coincideix amb la introducci?? d'aquest metall.

Cap al 450 a. de C. es va desenvolupar la cultura de La T??ne, tamb?? 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 transici?? del bronze al ferro es va descobrir el proc??s de carburitzaci??, consistent a afegir carboni al ferro. El ferro s'obtenia com una mescla de ferro i esc??ria, amb quelcom de carboni o carburs, i era forjat, extraient l'esc??ria i oxidant el carboni, creant aix?? el producte ja amb una forma. Aquest ferro forjat tenia un contingut en carboni molt baix i no es podia endurir f??cilment al refredar-lo amb aigua. Es va observar que es podia obtenir un producte molt m??s dur escalfant la pe??a de ferro forjat en un llit de carb?? vegetal, per a llavors submergir-lo en aigua o oli.

El producte resultant, que tenia la superf??cie d'acer, era m??s dur i menys fr??gil que el bronze, al qual va comen??ar a reempla??ar.

A la Xina, el primer ferro que es va utilitzar tamb?? 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 Mitj?? i Europa.

Als ??ltims anys de la Dinastia Zhou (550 a. de C.), a la Xina s'aconsegueix obtenir ferro colat (producte de la fusi?? de l'arrabi). El mineral trobat all?? presenta un alt contingut en f??sfor, amb la qual cosa fon a temperatures menors que a Europa i altres llocs. No obstant durant for??a temps, fins a la Dinastia Qing (cap a 221 a. de C.), no va tenir una gran repercussi??.

El ferro colat va tardar m??s a arribar a Europa, perqu?? no s'aconseguia la temperatura suficient. Algunes de les primeres mostres de ferro colat s'han trobat a Su??cia, 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 pa??sos europeus empraven com a m??tode sider??rgic la farga catalana. S'obtenia ferro i acer baix en carboni emprant carb?? vegetal i mineral de ferro.

Aquest sistema estava ja implantat al segle XV, i s'aconseguien temperatures de fins a uns 1200 ??C. Aquest procediment va ser substitu??t per l'emprat en els alts forns.

En un principi s'usava carb?? vegetal per a l'obtenci?? de ferro com a font de calor i com a agent reductor. Durant el segle XVIII, a Anglaterra, va comen??ar a escassejar i fer-se m??s car el carb?? vegetal, i aix?? va fer que comenc??s a utilitzar-se coc, un combustible f??ssil, 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. Aix?? mateix, el coc es va emprar com a font d'energia en la Revoluci?? Industrial. En aquest per??ode la demanda de ferro va ser cada vegada major, per exemple per a la seva aplicaci?? en el ferrocarril.

L'alt forn va anar evolucionant al llarg dels anys. Henry Cort, al 1784, va aplicar noves t??cniques que en van millorar la producci??. Al 1826 l'alemany Friedrich Harkot va constru??r un alt forn sense ma??oneria per als fums.

Cap a finals del segle XVIII i comen??aments del segle XIX es va comen??ar a emprar ??mpliament el ferro com a element estructural (en ponts, edificis, etc??tera). Entre el1776 i 1779 es constru?? el primer pont de fosa de ferro, constru??t per John Wilkinson i Abraham Darby. A Anglaterra s'empr?? per primera vegada en la construcci?? d'edificis, per Mathew Boulton i James Watt, a principis del segle XIX. Tamb?? s??n conegudes altres obres d'aqueix segle, per exemple el "Palau de Vidre" constru??t per a l'Exposici?? Universal de 1851 a Londres, de l'arquitecte Joseph Paxton, que t?? una carcassa de ferro, o la Torre Eiffel, a Par??s, constru??da al 1889 per a l'Exposici?? Universal, on es van utilitzar milers de tones de ferro.

[edita] Abund??ncia i obtenci??

Pedres rojes, degut a la pres??ncia de Ferro

??s el metall de transici?? m??s abundant en l'escor??a terrestre, i el quart m??s abundant de tots els elements. Tamb?? 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), etc??tera.

Es pot obtenir ferro a partir dels ??xids amb m??s o menys impureses. Molts dels minerals de ferro s??n ??xids, i els que no ho son, es poden oxidar per a obtenir els corresponents ??xids.

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

Els gasos resultants, poden intervenir en una s??rie de reaccions; el coc pot reaccionar amb l'oxigen per a formar di??xid de carboni:

C + O₂ ??? CO₂

Al seu torn el di??xid de carboni pot reduir-se per a donar mon??xid de carboni:

CO₂ + C ??? 2CO

Encara que tamb?? es pot donar el proc??s contrari en oxidar-se el mon??xid de carboni amb oxigen per a tornar a donar di??xid de carboni:

2CO + O₂ ??? 2CO₂

El proc??s d'oxidaci?? de coc amb oxigen allibera energia i s'utilitza per a escalfar el forn, arribant-se fins a uns 1900 ??C en la part inferior del forn. La part superior del forn no est?? tan calenta.

En primer lloc els ??xids de ferro poden reduir-se, parcial o totalment, amb el mon??xid de carboni, CO; per exemple:

Fe₃O₄ + 3CO ??? 3FeO + CO₂

FeO + CO ??? Fe + CO₂

Despr??s, conforme arriba a parts m??s baixes del forn i la temperatura augmenta, reaccionen amb el coc (carboni en la seva major part), reduint-se els ??xids. Per exemple:

Fe₃O₄ + C ??? 3FeO + CO

El carbonat de calci es descompon:

CaCO₃ ??? CaO + CO₂

I el di??xid de carboni ??s redu??t amb el coc a mon??xid de carboni com s'ha vist abans.

M??s avall es produeixen processos de carburaci??:

3Fe + 2CO ??? Fe₃C + CO₂

Finalment es produeix la combusti?? i desulfuraci?? (eliminaci?? de sofre) mitjan??ant l'entrada d'aire. I finalment es separen dues fraccions: l'esc??ria i el arrabi (ferro colat, que ??s la mat??ria primera que despr??s s'empra en la ind??stria).

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

A l'any 2000, els cinc majors productors de ferro eren: Xina, Brasil, Austr??lia, R??ssia i la ??ndia. Conjuntament sumaven el 70% de la producci?? mundial.

[edita] Rol biol??gic

Estructura del grup hemo de l'Hemoglobina. Noteu els enlla??is febles del ferro que permeten la uni?? a l'oxigen

El ferro es troba en pr??cticament tots els ??ssers vius i compleix nombroses i variades funcions.

Hi ha diferents prote??nes que contenen el grup hemo, que consisteix en el lligant porfirina amb un ??tom 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 reducci?? d'oxigen a aigua. Els citocroms P450 catalitzen l'oxidaci?? de compostos hidrof??bics, com a f??rmacs o drogues, perqu?? puguin ser excretats, i participen en la s??ntesi de distintes mol??cules.
- Les peroxidases i catalases catalitzen l'oxidaci?? de per??xids, H₂O₂, que s??n t??xics.
Les prote??nes de ferro/sofre (Fe/S) participen en processos de transfer??ncia d'electrons.

Tamb?? es poden trobar prote??nes on ??toms de ferro s'enllacen entre si a trav??s d'enlla??os pont d'oxigen. Es denominen prote??nes Fe-O-Fe. Alguns exemples:
- Les bacteries metanotr??fiques, que empren el met??, CH₄, com a font d'energia i de carboni, usen prote??nes d'aquest tipus, anomenades monooxigenases, per a catalitzar l'oxidaci?? d'aquest met??.
- La hemeritrina transporta oxigen en alguns organismes marins.
- Algunes ribonucle??tid reductasses contenen ferro. Catalitzen la formaci?? de desoxinucle??tids.

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

Tant l'exc??s 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 sider??fors. Molts microorganismes empren aquests sider??fors per a captar el ferro que necessiten. Tamb?? es poden emprar com a antibi??tics, perqu?? no deixen ferro lliure disponible.

[edita] Is??tops

El ferro t?? quatre is??tops estables naturals: ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe i ⁵⁸Fe. Les abund??ncies relatives en qu?? es troben en la naturalesa s??n d'aproximadament:

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

[edita] Precaucions

El ferro en exc??s ??s t??xic. El ferro reacciona amb per??xid i produeix radicals lliures; la reacci?? m??s important ??s:

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 proc??s.

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

El ferro en exc??s s'acumula en el fetge i provoca danys en aquest ??rgan.

[edita] El ferro a la cultura

El ferro durant molt de temps va ser el metall m??s dur i per aix?? ha donat peu a nombroses met??fores, com el cavaller de ferro o la Dama de Ferro (Margaret Thatcher). Una relaci?? de ferro ??s s??lida i no es pot trencar.

Ha jugat tamb?? un paper important a la mitologia. Com que la sang t?? una olor i un regust al ferro que cont?? i la sang ??s 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 ??ssers, com els esperits mal??fics (d'aqu?? la superstici?? d'usar una ferradura per atreure la sort o esquivar la dolenta). Les caracter??stiques magn??tiques del ferro van multiplicar les llegendes sobre el seu poder i sempre s'ha associat a la terra.