Quando rifletti sull'origine del ferro, la tua mente probabilmente vaga in visioni di acciaierie, di epoca medievale fucine o qualche altro processo di fabbricazione caratterizzato da un duro lavoro manuale e molto alto temperature. Ma oltre ad essere un tipo di metallo utilizzato in vari modi nell'industria umana, il ferro è anche un elemento, non un composto o una lega, il che significa che è possibile isolare un singolo atomo di ferro. Questo non è vero per la maggior parte dei materiali familiari; per esempio, la più piccola quantità di acqua che può ancora essere chiamata acqua include tre atomi, uno di loro ossigeno e gli altri due idrogeno.
È interessante notare che, sebbene le persone associno il ferro a temperature insolitamente alte nelle impostazioni di produzione qui su Terra, il ferro come elemento deve la sua esistenza a eventi così caldi e così lontani che i numeri in gioco fanno a malapena senso. Pertanto, intraprendere uno studio su come viene prodotto il ferro richiede due processi paralleli: Esplorare come è nato il ferro e come ha raggiunto la Terra, e come le persone sulla Terra producono e usano il ferro per uso quotidiano e specializzato attività. Questi argomenti a loro volta invitano alla discussione sull'uso del ferro nei e dai sistemi viventi e uno sguardo generale su come i vari elementi hanno origine e si diffondono in tutto il cosmo.
Una breve storia del ferro
Il ferro è noto all'umanità dal 3500 a.C. circa, o più di 5.500 anni fa. Il suo nome deriva dalla versione anglosassone, che era "iren". Il simbolo del ferro della tavola periodica Fe deriva dalla parola latina per ferro, che è ferrum. Se stai esaminando una farmacia e ti capita di vedere integratori di ferro, noterai che la maggior parte dei loro nomi sono "ferrosi" qualcosa o altro (come solfato o gluconato). Ogni volta che vedi la parola "ferroso" o "ferrico" in un contesto chimico, dovresti riconoscere immediatamente che si sta discutendo di ferro; "ironico", sebbene sia una parola splendida e utile, non ha alcun ruolo nel mondo della scienza fisica.
Fatti di chimica sul ferro
Il ferro (abbreviato Fe) è classificato come un metallo non solo per scopi quotidiani ma anche nella tavola periodica degli elementi (vedi Risorse per un esempio interattivo). Questo probabilmente non sorprende, ma in effetti i metalli superano in numero i non metalli in natura con un ampio margine; dei 113 elementi che l'uomo ha scoperto o creato in ambienti di laboratorio, 88 sono classificati come metalli.
Gli atomi, come forse già saprai, sono costituiti da un nucleo contenente una miscela di protoni e neutroni di massa approssimativamente uguale circondato da una "nube" di elettroni quasi privi di massa. I protoni e gli elettroni portano una carica di uguale grandezza, ma la carica dei protoni è positiva mentre quella degli elettroni è negativa. Il numero atomico del ferro è 26, il che significa che il ferro ha 26 protoni e 26 elettroni nel suo stato elettricamente neutro. La sua massa atomica, che una volta arrotondata è semplicemente la somma di protoni e neutroni, è appena inferiore a 56 grammi per mole, il che significa che la sua forma chimicamente più stabile contiene (56 - 26) = 30 neutroni.
Il ferro possiede alcune proprietà fisiche formidabili. Ha una densità di 7,87 g/cm3, rendendolo quasi otto volte più denso dell'acqua. (La densità è la massa per unità di volume; l'acqua è definita come 1.0 g/cm3 per convenzione.) Il ferro è un solido a 20 gradi Celsius (68 F), generalmente considerato "temperatura ambiente" per scopi chimici. Il suo punto di fusione è estremamente alto 1538 C (2800 F), mentre il suo punto di ebollizione - cioè la temperatura alla quale il ferro liquido inizia ad evaporare e diventare gas - è un rovente 2861 C (5182 F). Non c'è da meravigliarsi, quindi, che nella lavorazione dei metalli i tipi di forni utilizzati debbano essere davvero straordinariamente potenti.
Il ferro, in massa, è il quarto elemento più abbondante nella crosta terrestre. La quota totale di ferro della Terra potrebbe essere considerevolmente maggiore, tuttavia, dato che si ritiene che il nucleo fuso del pianeta sia costituito principalmente da ferro liquefatto, nichel e zolfo. Quando il ferro viene estratto dal suolo nelle operazioni minerarie, è sotto forma di minerale, che è ferro elementare mescolato con uno o più tipi di roccia. Il tipo più comune di minerale di ferro è l'ematite, ma anche magnetite e taconite sono fonti significative di questo metallo.
Il ferro arrugginisce o si corrode molto facilmente rispetto ad altri metalli. Questo crea problemi agli ingegneri perché attualmente i nove decimi del metallo che viene raffinato include il ferro.
Usi del ferro
La maggior parte del ferro estratto per uso umano finisce sotto forma di acciaio. "Acciaio" è una lega, ovvero una miscela di metalli. Una forma popolare di questo prodotto oggi è chiamata acciaio al carbonio, che è in qualche modo fuorviante perché il carbonio contribuisce solo con una piccola frazione della massa di questo acciaio in tutte le sue forme. Nella forma a più alto tenore di carbonio dell'acciaio al carbonio, il carbonio rappresenta circa il 2% della massa del metallo; questa cifra può variare fino a 1/10 dell'1% senza che il metallo perda il titolo di "acciaio al carbonio".
L'acciaio al carbonio può a sua volta essere strategicamente adulterato con altri metalli per produrre leghe con determinate proprietà desiderabili. L'acciaio inossidabile, ad esempio, è una forma di acciaio al carbonio che ha una quantità significativa di cromo, oltre il 10% in massa. Questo materiale è rinomato per la sua durata e la sua tendenza a mantenere il suo aspetto brillante e brillante per lunghi periodi grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione. L'acciaio inossidabile ha un ruolo di primo piano nell'architettura, nei cuscinetti a sfera, negli strumenti chirurgici e nelle stoviglie. È probabile che se riesci a vedere chiaramente il tuo riflesso su una superficie puramente metallica, stai guardando una specie di acciaio inossidabile.
Quando quantità giudiziose di metalli come nichel, vanadio, tungsteno e manganese vengono integrate nell'acciaio, si rende ancora più dura una sostanza già dura; questi acciai legati sono quindi particolarmente adatti per l'inserimento in ponti, strumenti da taglio e componenti di reti elettriche.
Un tipo di ferro non acciaio chiamato ghisa include una grande quantità di carbonio (almeno secondo gli standard della lavorazione del ferro): dal 3 al 5 percento. La ghisa non è resistente come l'acciaio, ma è considerevolmente più economica, quindi nel passaggio dall'acciaio alla fusione ferro, fai lo stesso compromesso generale che fai quando passi da costolette a 70 percento di magra Hamburger.
Come è fatto il ferro?
Il ferro sulla Terra è prodotto, o più propriamente estratto, dal minerale di ferro. La porzione "roccia" del minerale di ferro contiene ossigeno, sabbie e argille in quantità variabili a seconda del tipo di minerale. Il compito di un'acciaieria, come venivano chiamate le prime fabbriche di questo tipo, è quello di rimuovere la maggior quantità possibile di roccia e altra sabbia lasciando il ferro dietro - poco diverso in linea di massima dal sgusciare un'arachide o sbucciare un'arancia per arrivare alla parte buona, salvo che nel caso del minerale di ferro, il ferro non è semplicemente circondato da Materiale; è mescolato proprio con esso.
Nonostante le temperature spaventose e le sfide fisiche complessive delle opere in ferro, gli umani le usavano già in epoca precristiana. La lavorazione del ferro raggiunse per la prima volta le isole britanniche attraverso l'Europa continentale e l'Asia occidentale nel V secolo a.C. Allora, il ferro era fisicamente separato dal separated materiale indesiderato nella misura più ampia possibile utilizzando solo carbone, argilla e il minerale stesso, riscaldato a temperature modeste rispetto a quelle che sarebbero Seguire. In ogni caso, la fusione era in corso nel 1500 a.C., ma quasi 30 secoli dopo, nel 1400, fu inventato l'altoforno, che cambiò l'"industria" (così com'era) radicalmente e per sempre.
Oggi, il ferro viene prodotto riscaldando ematite o magnetite in un altoforno insieme a una forma di carbonio chiamata "coke" e carbonato di calcio (CaCO3), meglio conosciuto come calcare. Questo produce un composto che contiene circa il 3% di carbonio e altri adulteranti, non di qualità ideale, ma abbastanza buono da produrre acciaio. Ogni anno in tutto il mondo vengono prodotti circa 1,3 miliardi di tonnellate (circa 1,43 miliardi di tonnellate statunitensi, o quasi 3 trilioni di libbre) di acciaio grezzo.
Da dove viene il ferro?
Da dove "viene" il ferro nella tua lavastoviglie in acciaio inossidabile o nella tua stufa a legna è forse una domanda molto meno interessante di come il ferro sia arrivato a esistere in qualsiasi parte dell'universo in primo luogo. Il ferro è considerato un elemento pesante ed elementi di questo tipo possono essere creati solo in eventi catastrofici di "morte stellare" chiamati supernova. Mentre la maggior parte delle stelle svanisce mentre bruciano la loro riserva di idrogeno, alcune stelle si spengono letteralmente con il botto.
Questi sono eventi statisticamente rari, che si verificano solo poche volte ogni cento anni in tutta l'estensione dell'intera Via Lattea, l'enorme pila di stelle che ruota lentamente e altra materia che gli umani chiamano casa. Ma sono anche di vitale importanza. Senza di loro, le forze necessarie per far fondere insieme elementi considerevoli più piccoli all'impatto e creare elementi ancora più grandi come ferro, rame, mercurio, oro, iodio e piombo non esisterebbero. E per tutto il tempo, una certa frazione di questi elementi percorre lunghe distanze attraverso lo spazio e si deposita sulla Terra, a volte sotto forma di colpi di meteorite.
Come si formano gli elementi in natura?
Si ritiene che il ferro rappresenti il punto limite approssimativo in termini di elementi che possono essere generati dall'ordinario processi di combustione a stella (come se questi stessi processi fossero veramente "ordinari" in qualche modo) e quelli che possono essere creati solo dalle supernove.
La maggior parte degli elementi – ossigeno, numero atomico 8, attraverso ma probabilmente non includendo ferro, numero atomico 26 – vengono prodotti una volta che una stella inizia a esaurire la sua riserva di idrogeno. Il motivo per cui una stella "brucia" è che è costantemente sottoposta a innumerevoli reazioni di fusione, con idrogeno, l'elemento più leggero (numero atomico 1) che si scontra con altri atomi di idrogeno per formare elio (numero atomico 2). Alla fine, nella parte più interna della stella, gli atomi di elio si scontrano in gruppi per formare carbonio (numero atomico 6).
Ferro nel corpo umano
Probabilmente riconosci il ferro come essenziale nella dieta umana basandoti esclusivamente sulle affermazioni pubblicitarie di produttori di alimenti ("Questo cereale contiene il 100 percento della dose giornaliera raccomandata dagli Stati Uniti di ferro!"). Potresti non sapere perché questo è, tuttavia.
A quanto pare, il corpo umano tipico contiene circa 4 grammi di ferro elementare. Potrebbe non sembrare un grande affare, ma perché il tuo corpo dovrebbe aver bisogno di qualsiasi metallo? In effetti, il ferro è una parte essenziale dell'emoglobina, la proteina che lega l'ossigeno presente nei globuli rossi (RBC). I globuli rossi trasportano l'ossigeno dai polmoni ai tessuti, dove viene utilizzato nella respirazione cellulare.
Quando le persone diventano carenti di ferro a causa di un apporto dietetico insufficiente (il ferro si trova nelle carni, in particolare le frattaglie, così come alcuni cereali) o stati patologici sistemici, i loro globuli rossi non possono fare il loro lavoro correttamente. In questa condizione, chiamata anemia, le persone hanno il fiato corto dopo un modesto sforzo e spesso soffrono di affaticamento, mal di testa e debolezza generale. Nei casi più gravi, può essere necessaria una trasfusione di sangue per correggere l'anemia, sebbene in genere la correzione venga eseguita utilizzando l'integrazione con pillole e liquidi contenenti ferro.
