IL FERRO

Le prime prove di uso del ferro vengono dai Sumeri e dagli Ittiti, che già 4000 anni prima di Cristo lo usavano per piccoli oggetti come punte di lancia e gioielli ricavati dal ferro recuperato da meteoriti. Poiché le meteoriti cadono dal cielo, gli antichi greci chiamarono Sider = stelle il ferro e quel ch'era ad esso legato siderurgico.

In alchimia, durante il medioevo, il ferro era associato a Marte.

La storia dell'impiego e della produzione del ferro è comune a quella delle sue leghe ghisa e acciaio.

Si stima che il ferro sia il quarto elemento, in ordine di abbondanza, sulla superficie terrestre e la sua concentrazione, nei vari strati della terra, aumenta con la profondità. Il ferro è di colore argenteo, duttile e malleabile, difficilmente si trova in natura allo stato puro. Il ferro viene estratto dai suoi minerali, principalmente l'ematite (Fe2O3) e la magnetite (Fe3O4) per riduzione con carbonio in una fornace ad una temperatura di circa 2000 °C. Viene utilizzato nella produzione di ghisa e acciaio, che costituisce la principale applicazione industriale di questo metallo. Composti di ferro sono contenuti in medicinali usati come tonici e nel trattamento dell'anemia, quando la quantità di emoglobina o il numero di globuli rossi nel sangue sono inferiori alla norma. Il ferro forma composti in cui presenta stato di ossidazione +2 (composti ferrosi) e +3 (composti ferrici). Il più importante composto del ferro bivalente è il solfato (FeSO4), un sale verde chiaro che viene usato come mordente in tintoria, come tonico in medicina e nell'industria degli inchiostri e dei pigmenti. L'ossido di ferro (III), una polvere amorfa rosso-bruna, viene usato quale pigmento (rosso ferro o rosso veneziano), come polvere abrasiva lucidante e come mezzo magnetizzabile nei nastri e nei dischi magnetici. Il cloruro di ferro (III), un composto cristallino verde scuro che si ottiene per riscaldamento del ferro con il cloro, viene usato in medicina in soluzione alcolica con il nome di tintura di ferro.

Estremamente importante nella tecnologia per le sue caratteristiche meccaniche, la sua lavorabilità, in passato fu tanto importante da dare il nome ad un intero periodo storico, l'età del ferro.

Il nucleo di ferro ha la più alta energia di legame per nucleone, perciò è l'elemento più pesante che è possibile produrre mediante fusione nucleare di nuclei atomici più leggeri e il più leggero che è possibile ottenere per fissione: quando una stella esaurisce tutti gli altri nuclei leggeri e arriva ad essere composta in gran parte di ferro, la reazione nucleare di fusione nel suo nucleo si ferma, provocando il collasso della stella su sé stessa e dando origine ad una supernova.

Secondo alcuni modelli cosmologici che teorizzano un universo aperto, vi sarà una fase dove, a seguito di lente reazioni di fusione e fissione nucleare, tutta la materia sarà convertita in ferro.

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 reperibile in natura allo stato metallico. Sono da ricordare quelle del Canyon Diablo, in Arizona.

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). Altre sostanze possono essere usate a seconda delle impurità che devono essere rimosse dal minerale. 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 25 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.

Le carpenterie metalliche leggere sono quei prodotti che sono complementari all’edilizia. Parliamo quindi di recinzioni, cancelli (pedonali, carrai, elettrificati e non), parapetti per terrazzi, parapetti per rampe scale, griglie per bocche di lupo, basculanti per garage, ma anche prodotti di particolare pregio, come i manufatti in ferro battuto, che non tralasciano l’aspetto artistico ed estetico e che molte volte sono vere e proprie opere d’arte.

Le carpenterie Metalliche Medie sono le lavorazioni che, pur essendo complementari al comparto dell’edilizia, hanno dimensioni, pesi e finalità d’uso che presuppongono un’applicazione e una perizia tecnico/ingegneristica a livelli più elevati, rispetto alla carpenteria leggera. Le produzioni comprendono scale di sicurezza a più piani, soppalchi, strutture di sostegno su ristrutturazioni, elementi per l’immagazzinaggio etc.

La carpenteria Pesante sono le strutture più importanti con varie e molteplici tipologie di impiego, sia con destinazione civile, che industriale. Tutti i giorni abbiamo modo di usufruire di strutture in carpenteria pesante, quando per esempio attraversiamo un ponte o quando entriamo in una stazione ferroviaria. Volendo addentrarci più nello specifico, questo settore comprende le grandi presse industriali, i carroponti, le stazioni di servizio, i cavalcavia, per arrivare poi a strutture di dimensione rilevante, come grattacieli e ponti con campate uniche, che raggiungono e superano i mille metri di lunghezza.

Il ferro è essenziale per la vita di tutti gli esseri viventi, eccezione fatta per pochi batteri.

Gli animali inglobano il ferro nel complesso eme un componente essenziale delle proteine coinvolte nelle reazioni redox, come la respirazione. Eccessi di ferro aumentano quindi le reazioni redox provocando così un aumento dei radicali liberi. Per evitare ciò, il ferro nel nostro organismo è legato a proteine, che regolano il suo stato di ossidazione. Il ferro inorganico si trova anche negli aggregati ferro-zolfo di molti enzimi, come le azotasi e le idrogenasi.

Esiste inoltre una classe di enzimi basati sul ferro che è responsabile di un'ampia gamma di funzioni di svariate forme di vita quali: la metano-monoossigenasi (converte il metano in metanolo), la ribonucleotide riduttasi (converte il ribosio in desossiribosio), le emeritritine (fissazione e trasporto dell'ossigeno negli invertebrati marini) e l'acido fosfatasi porpora (idrolizza gli esteri dell'acido fosforico).

La distribuzione degli ioni ferro nei mammiferi è regolata in maniera molto rigorosa. Quando, ad esempio, il corpo è soggetto ad un'infezione, l'organismo "sottrae" il ferro rendendolo meno disponibile anche ai batteri (si veda transferrina). Questo è il caso dell'epcidina, una proteina prodotta dal fegato, che legando e degradando la ferroportina, inibisce il rilascio di ferro dagli enterociti e dai macrofagi.

Tra le migliori fonti alimentari di ferro si annoverano la carne, il pesce, i fagioli, il tōfu e i ceci. Contrariamente a quanto generalmente ritenuto, gli spinaci nonostante ne siano ricchi, il ferro contenuto in essi non viene reso biodisponibile per l'assorbimento, e piuttosto gli spinaci sono quei vegetali che quando assunti ne diminuiscono appunto la biodisponibilità (perché con essi si formano dei composti di coordinazione) sprecandolo.

Il ferro assunto tramite integratori alimentari è spesso nella forma di fumarato o gluconato di ferro (II) ma il loro uso è sconsigliato a causa del corretto dosaggio e la conseguente riduzione dell'elemento. Le dosi consigliate di ferro da assumere quotidianamente variano con l'età, il genere ed il tipo di cibo.

Il ferro viene assorbito a livello del duodeno. Il ferro legato al gruppo eme è di più facile assorbimento rispetto al ferro non eme. La carne contiene circa un 40% di ferro eme e un 60% di ferro non eme. Del ferro contenuto nella carne (eme e non eme) ne viene assorbito circa il 10-30% (percentuale che sale fino al 40% se si considera il solo ferro eme). Gli alimenti vegetali contengono solo ferro non eme, di più difficile assorbimento. Del ferro di origine vegetale si assorbe infatti meno del 5%. In totale una persona priva di carenze assorbe in media circa il 10% del ferro introdotto con la dieta.

Del ferro introdotto con la dieta circa un 80% è incorporato nel gruppo eme (non è influente lo stato di ossidazione); il restante 20% è immagazzinato come ferro non emico, che deve essere necessariamente nella forma ridotta.

La riduzione avviene facilmente a pH acido, quindi nello stomaco o in presenza di sostanze riducenti, come la vitamina C.

Nelle cellule e nei fluidi corporei (sangue e linfa) il ferro non è mai libero, ma legato a specifiche proteine di trasporto. All'interno delle cellula della mucosa intestinale, il ferro si lega all'apoferritina; il complesso neoformato si chiama ferritina. Dopodiché il ferro viene liberato e ossidato per raggiungere il circolo sanguigno. Nel sangue il ferro viene nuovamente ridotto e si lega alla transferrina. Come tale viene trasportato al fegato, dove si deposita come ferritina ed emosiderina. Dal fegato, a seconda delle necessità dell'organismo, il ferro viene trasportato ai vari organi, ad esempio al tessuto muscolare, dove è fondamentale per la sintesi della mioglobina o a livello del midollo osseo rosso dove è impiegato per la sintesi dell'emoglobina.

Il ferro-eme è una sostanza pro-ossidante che favorisce la formazione di N-nitroso composti nel lume intestinale e in generale la produzione di radicali liberi.

Gli isotopi stabili del ferro esistenti in natura sono quattro: 54Fe, 56Fe, 57Fe e 58Fe.

Le abbondanze relative di ciascuno sono grossomodo le seguenti: 54Fe (5,8 %), 56Fe (91,7 %), 57Fe (2,2 %) e 58Fe (0,3 %). 60Fe è un nuclide radioattivo ormai estinto che ha un'emivita di 1,5 milioni di anni. Molti lavori di datazione basati sul ferro si basano proprio sulla misura del tenore di 60Fe in meteoriti e minerali.

56Fe riveste un particolare interesse per i fisici nucleari, dato che è il nucleo più stabile esistente. È l'unico nuclide che non è possibile coinvolgere in reazioni di fissione o di fusione nucleare traendone energia.

Nel corpo delle meteoriti Semarkona e Chervony Kut si è osservata una correlazione tra la concentrazione di 60Ni – il prodotto del decadimento di 60Fe – e le abbondanze degli altri isotopi stabili del ferro; questo prova che 60Fe esisteva all'epoca della nascita del sistema solare. È inoltre possibile che l'energia prodotta dal suo decadimento abbia contribuito, insieme a quella del decadimento di 26Al, alla ri-fusione ed alla differenziazione degli asteroidi al tempo della loro formazione, 4,6 miliardi di anni fa.

Tra gli isotopi stabili, solo 57Fe possiede uno spin nucleare (−½).

L'isotopo 54Fe può decadere emettendo due protoni, modalità estremamente rara, possibile solo a nuclei atomici con un numero pari di protoni e fortemente carenti di neutroni. L'unico altro nucleo atomico che esibisce tale fenomeno è lo 54Zn.

Gli stati di ossidazione più comuni del ferro comprendono:

il ferro(0), che dà complessi organometallici come Fe(CO)5
il ferro(II), che dà composti di Fe2+, è molto comune (il suffisso -oso è obsoleto, IUPAC).
il ferro(III), che dà composti di Fe3+, è anche molto comune, per esempio nella ruggine (il suffisso -ico è obsoleto, IUPAC).
il ferro(IV), Fe4+, che dà composti talvolta denominati di ferrile, è stabile in alcuni enzimi (e.g. perossidasi).
È anche noto il ferro(VI), uno stato raro, presente per esempio nel ferrato di potassio.
il carburo di ferro Fe3C è conosciuto come cementite.

Un apporto eccessivo di ferro tramite l'alimentazione è tossico perché l'eccesso di ioni ferro(II) reagisce con i perossidi nel corpo formando radicali liberi. Finché il ferro rimane a livelli normali, i meccanismi anti-ossidanti del corpo riescono a mantenere il livello di radicali liberi sotto controllo.

Un eccesso di ferro può produrre disturbi (emocromatosi); per questo l'assunzione di ferro tramite medicinali (e integratori) va eseguita sotto stretto controllo medico e solo in caso di problematiche legate alla carenza di ferro.


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