Il ferro è un elemento chimico (metallo), noto fin dai tempi antichi (l’Età del ferro è contraddistinta dalla scoperta dei metodi per estrarre il ferro dalle rocce che ne contengono i relativi ossidi, già noti agli Ittiti attorno al 1500 a.C.). Rappresenta il 5% in peso della crosta terrestre, in quanto è presente in quasi tutti i minerali o rocce. Questo elemento si trova quasi sempre legato ad altri quali: carbonio, silicio, manganese, cromo, nichel ecc.
Allo stato puro, il ferro esiste in quattro forme cristalline (denominate ferro alfa, beta, gamma e delta). È l’elemento predominante del nucleo terrestre (90%). I minerali più importanti da cui si estrae sono la magnetite, l’ematite, la limonite, la pirite e la siderite.
L’atomo del ferro ha grande affinità con ossigeno e acqua. Non si modifica in presenza di aria secca o a contatto con acqua purché priva di anidride carbonica, mentre dall’aria umida viene corroso profondamente trasformandosi in carbonato basico idrato e ossido, ossia in ruggine. Prima di fondere rammollisce diventando pastoso e plasmabile. Il ferro si può unire direttamente alla maggior parte dei non-metalli. Riscaldato a una temperatura elevata brucia in atmosfera di ossigeno dando l’ossido Fe3O4 che si forma anche quando particelle di metallo si staccano da un pezzo di ferro violentemente battuto bruciando nell’aria con formazione di scintille o durante la fucinatura a caldo. Brucia anche nel cloro e si unisce a caldo allo zolfo e al carbonio.
Indice
Ferro – Proprietà chimiche
Il ferro è il più abbondante fra i metalli magnetici e le sue caratteristiche sono duttilità e malleabilità. Sotto ai 768 °C, punto di Curie, presenta ferromagnetismo.
- Simbolo: Fe
- Numero atomico: 26
- Serie: Metalli di transizione
- Gruppo, periodo: 8 (VIIB), 4
- Densità: 7860 kg/m³
- Durezza: 4,0
- Peso atomico: 55,84 u
- Configurazione elettronica: [Ar]3d64s2
- Struttura cristallina: cubica a corpo centrato
- Stato della materia: solido (ferromagnetico)
- Punto di fusione: 1535 °C
- Punto di ebollizione: 2861 °C
- Calore di fusione: 13,8 kJ/mol
- Elettronegatività: 1,83 (Scala di Pauling)
- Calore specifico: 440 J/(kg·K)
- Conducibilità elettrica: 9,96×106/m·Ω
- Conducibilità termica: 80,2 W/(m·K)
Ferro – Composti principali
Solfato di ferro FeSO4 – Noto anche come vetriolo verde, si ricava da ferro metallico e acido solforico.
Idrossido di ferro Fe(OH)2 – Composto gelatinoso di colore verde, usato per la depurazione delle acque. Si ossida facilmente all’aria degradando in idrossido ferrico.
Ossido di ferro Fe2O3 – Presente in molti minerali, è una polvere rossastra che costituisce la componente prinicpale della ruggine ed è usata anche come pigmento colorato.
Isotopi – Questo elemento ha circa 30 isotopi, di cui solo 4 stabili in natura: Fe-54, Fe-56, Fe-57, Fe-58. Di questi, il più abbondante è il Fe-56, che è presente in massicce quantità anche nelle stelle massicce, come prodotto delle reazioni di fusione nucleare al loro interno.
Applicazioni
Il ferro è il metallo più utilizzato dall’uomo, anche se raramente al suo stato puro, bensì per la maggior parte nelle leghe. Le qualità che lo rendono indispensabile sono resistenza e facilità di lavorazione: grazie a queste, è un materiale fondante per l’edilizia e l’industria automobilistica e navale, soprattutto nella forma dell’acciaio.
Ferro – Le leghe
Industrialmente, il ferro viene estratto dai suoi minerali, in primis l’ematite (Fe2O3) e la magnetite (Fe3O4), per riduzione con carbonio in una fornace di riduzione a temperature di circa 2.000 °C. Allo stato puro il ferro è raramente utilizzato; di notevolissima importanza sono invece le sue leghe metalliche, in primis quelle con carbonio (leghe ferro-carbonio) che forniscono ghise e acciai, materiali da costruzione fra i più importanti in assoluto.
L’acciaio è il risultato dell’unione del ferro con al massimo il 2,06% di carbonio, mentre se la percentuale di quest’ultimo è più alta si ha la ghisa. La principale differenza tra queste due leghe è che l’acciaio è deformabile plasticamente alle alte temperature, la ghisa no. Più aumenta la percentuale di carbonio, più l’acciaio diventa duro, fino a diventare ghisa. Uno dei principali metodi di produzione dell’acciaio, infatti, è proprio l’affinazione della ghisa. I diversi tipi di acciaio hanno caratteristiche specifiche determinate dagli altri elementi che compongono la lega, per esempio l’aggiunta di fosforo ne aumenta la lavorabilità, l’azoto ne aumenta la resistenza, il silicio l’elasticità ecc.
La classificazione dell’acciaio segue due criteri, la composizione chimica e la destinazione d’uso: in base a questo secondo criterio esistono l’acciaio da bonifica, da nitrurazione, autotemprante, da cementazione, per molle, per cuscinetti, inossidabile, per utensili. Particolarmente noto è l’acciaio inossidabile, che ha la proprietà di resistere all’ossidazione derivante dall’esposizione all’aria e all’acqua, perciò non arrugginisce, grazie al contenuto di cromo.
La ghisa, invece, si ottiene per riduzione o trattamento a caldo dei minerali di ferro negli altiforni. Il suo principale impiego è proprio quello destinato alla produzione dell’acciaio, ma ha molte altre applicazioni grazie all’economicità della sua produzione, alla sua resistenza, durezza e ottima lavorabilità in fusione. La facilità di fusione della ghisa rispetto all’acciaio la rende preferibile per realizzare forme complesse. I tipi di ghisa sono: bianca, grigia, malleabile, grigia lamellare, grigia sferoidale.
Magnetite, uno dei principali minerali da cui si estrae il ferro
Biologia
Questo elemento svolge un ruolo importante anche per gli organismi viventi, in quanto componente fondamentale della clorofilla e dell’emoglobina. La sideremia è la concentrazione del ferro nel sangue (da 60 a 160 mg/dl per l’uomo e da 20 a 140 mg/dl per la donna); ovviamente nell’anemia sideropenica si hanno valori inferiori.
È importante capire bene qual è il ruolo del ferro (ed eventualmente dell’acido folico e della vitamina B12) nell’anemia per evitare di incorrere in grossolani errori.
L’eritropoiesi (vale a dire la produzione dei globuli rossi o eritrociti) è regolata da una glicoproteina, l’eritropoietina, che è sensibile al livello di ipossia (carenza di ossigeno) dei tessuti; quando alcune cellule specializzate del rene rilevano una carenza di ossigeno, aumenta la secrezione di eritropoietina che a sua volta aumenta la divisione cellulare che dà origine a globuli rossi finiti e aumenta la sintesi dell’emoglobina.
Per tale sintesi sono essenziali il ferro, l’acido folico (vitamina B9) e la vitamina B12. L’organismo contiene circa 4 g di ferro, di cui la metà nell’emoglobina. Un altro grammo è immagazzinato nei depositi del fegato, della milza e del midollo osseo sotto forma di emosiderina e di ferritina. È poi presente nella mioglobina e negli enzimi respiratori.
Dal momento che la vita media dei globuli rossi è di circa 120 giorni, circa 20 mg di ferro al giorno si rendono nuovamente disponibili a causa della distruzione dei globuli rossi e servono per la produzione dei nuovi. Il meccanismo ha una perdita di circa 1-2 mg al giorno, quota che deve essere reintegrata con la dieta.
Assorbimento del ferro – L’organismo di un essere umano è in grado di assorbire dal 10 al 15% del ferro assunto con l’alimentazione; tale percentuale varia proprio in funzione della tipologia dei cibi e della modalità d’assunzione. Se è di origine vegetale solo il 2-10% viene assorbito, mentre se è di origine animale l’assorbimento può arrivare fino al 35%; ciò perché il ferro emoglobinico è assorbito molto più facilmente, soprattutto se viene assunto contemporaneamente a vitamina C (è per questo motivo che il ferro contenuto in una bistecca innaffiata con alcune gocce di limone, agrume che contiene una discreta quantità di vitamina C, viene assorbito più facilmente di molti preparati farmacologici).
Poiché si può stimare che 20 mg di ferro al giorno sono più che sufficienti per mantenere in equilibrio il bilancio di tale sostanza, sembra che soltanto situazioni eccezionali (come allattamento o gravidanza) giustifichino l’integrazione. Le uniche due eccezioni sono rappresentate da chi segue un regime alimentare vegetariano e dalle donne durante le mestruazioni. I primi perché hanno difficoltà d’assorbimento del ferro di origine vegetale e le seconde perché perdono circa 25 mg di ferro (in realtà da 5 a 50). In caso di carenza di ferro, la dose deve essere compresa entro 50 e 250 mg/die; la quantità varia a seconda del prodotto scelto (ferro gluconato, ferro solfato ecc.; in genere la dose realmente assorbita è una frazione comunque bassa di quella assunta): in base alla situazione del soggetto il medico sceglierà la corretta posologia.
Gli alimenti più ricchi di ferro sono le carni rosse, il tuorlo d’uovo e poi (con i limiti d’assorbimento citati) il pane integrale, la verdura (in particolare le carote) e la frutta.
Effetti dimostrati – La somministrazione di ferro si è dimostrata efficace nella prevenzione e nel trattamento di sideropenie causate da un regime alimentare ferroprivo o da altre cause. Il ferro riduce la frequenza degli episodi breath-holding spells (BHS), un disordine respiratorio dei bambini. Il ferro ha inoltre dimostrato una certa utilità nel trattamento della sindrome di Pummer-Vinson (una rara patologia caratterizzata da disfagia, anemia sideropenica e glossite).
Effetti collaterali e controindicazioni – La somministrazione di ferro è controindicata in soggetti affetti da epatopatie, emosiderosi o emocromatosi, anemie non sideropeniche, problemi gastrointestinali, alcolismo, patologie renali, insufficienza pancreatica e artrite reumatoide.
Fra gli effetti collaterali più comuni relativi alla somministrazione di ferro vengono segnalati problemi di tipo gastrointestinale.
Un’integrazione eccessiva può dar luogo a emocromatosi (condizione che determina un progressivo accumulo di ferro nell’organismo) i cui sintomi tipici sono affaticamento e dolori articolari con eventuali successive complicazioni (diabete, disturbi epatici fino a cirrosi, disturbi cardiologici ecc.).
Il sovradosaggio da ferro è caratterizzato da quattro fasi; nella prima si hanno principalmente disturbi gastrointestinali (vomito e diarrea), nella seconda si ha una remissione dei sintomi, nella terza i sintomi gastrointestinali ricompaiono insieme ad altri più drammatici (shock, acidosi, coma, necrosi epatica, insufficienza renale, ipoglicemia, edema polmonare ecc.), nell’ultima fase (che si attua anche dopo diverse settimane) si stabilizzano i danni epatici e intestinali.
La dose tossica per i bambini è di 30 mg/kg di peso (dosi letali si hanno a partire da 180 mg/kg di peso).
L’assorbimento di questo elemento è favorito dalla contemporanea ingestione di vitamina C, betacarotene, L-cisteina, N-acetil-L-cisteina e alimenti proteici contenenti cisteina; è invece ridotto da inibitori della pompa protonica, antiacidi, antistaminici antiH2, calcio, inositolo esafosfato, magnesio, vanadio, zinco, alimenti contenti acido ossalico (spinaci, patate dolci, rabarbaro, fagioli ecc.), alimenti contenenti acido fitico (pane azzimo, cereali, fagioli grezzi, semi, noci ecc.), tè e caffè.
Il ferro riduce l’assorbimento di molti farmaci e sostanze: bifosfonati, levodopa, penicillina, chinoloni, tetraciclina, rame, vitamina E.
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