Fier

Fierul este un element chimic metalic, notat cu simbolul Fe . Număr atomicul său atomic este 26, iar masa atomică este 56. Fierul se află în grupa a 8-a și perioada 4, fiind astfel clasificat ca un metal tranzițional. Fierul și aliajele sale (oțelurile) sunt pe departe cele mai comune materiale feromagnetice folosite zilnic. Suprafețele proaspete de fier sunt lucioase și au o Culoare gri-argintie, care se oxidează în aer, formând un strat roșu sau brun de oxid feric sau rugină. Cristalele pure de fier sunt moi (mult mai moi ca și aluminiul), iar adiția unor cantități de impurități, cum ar fi carbonul, le crește rezistența în mod semnificativ. Producerea aliajelor de fier cu cantități potrivite din alte metale și carbon, precum oțelul, face ca aliajul să fie de 1,000 ori mai rezistent decât fierul pur.

Izotopul Fe este cel mai greu izotop stabil rezultat din procesul alfa din nucleosinteza stelară; elementele mai grele decât fierul și nichelul sunt necesare producerii unei supernove. Este metalul cel mai abundent în nucleul giganților roșii, și cel mai abundent metal în meteoriți. Este cel mai dens metal în nucleul planetelor, precum Pământul.

Prezentare

Fierul este un metal de Culoare gri-argintie, cu un punct de topire ridicat (1538 °C) și o largă răspândire în natură, sub formă de combinații chimice.

Este ultimul element care poate fi produs prin fuziune nucleară în nucleele stelelor (dar doar în cele cu masă mai mare de 5 mase solare), și deci cel mai greu element a cărui formare nu necesită un eveniment cataclismic de tipul unei supernove.

Istoric

Primul tip de fier cunoscut și utilizat de oameni provenea din meteoriți. În Egipt și Mesopotamia s-au descoperit vărfuri de suliță și obiecte decorative cu această origine, datând din jurul anului 4000 î.Hr.  2000 de ani mai târziu a apărut și fierul prelucrat din minereu (la început cel numit fier de mlaștină - în engleză bog iron, sau limonit), folosit însă doar pentru obiecte de cult și considerat mai valoros decât aurul. Între 1600 î.Hr. și 1200 î.Hr. a început obținerea fierului în topitorii primitive, în Imperiul Hitit (Anatolia și Caucaz). Dispariția acestui imperiu a permis răspândirea cunoștințelor despre prelucrarea fierului în toată regiunea, facilitând trecerea de la Epoca Bronzului la Epoca Fierului.

În jurul anului 550 î Hr. în China a fost inventat furnalul și s-a obținut prima fontă turnată.

Oțelul, aliaj al fierului cu relativ puțin carbon, a fost produs, se pare, pentru prima dată în India, în secolul al III-lea. Un exemplu al măiestriei indiene în domeniul metalurgiei este și faimoasa coloană de fier din Delhi, care este constituită în proporție de 98% din fier forjat și a fost ridicată la sfârșitul secolului al IV-lea sau începutul secolului al V-lea.

În Europa, primele șarje de fontă turnată au fost obținute în Suedia, în secolul al XV-lea (Lapphyttan și Vinarhyttan). Ghiulele de tun din fontă au permis apoi răspândirea acestui material și a metodelor de obținere în toată lumea. Combustibilul de bază pentru aceste procese era cărbunele de lemn (mangalul).

Dispariția accentuată a pădurilor din Marea Britanie a dus în secolul al XVIII-lea la înlocuirea mangalului cu cocsul, de către Abraham Darby. Acest lucru, împreună cu inventarea mașinii cu abur, a dus la Revoluția industrială.

La sfârșitul anilor 1850, Henry Bessemer a inventat un nou procedeu de fabricare a oțelului cu conținut foarte scăzut de carbon, la care se sufla aer prin fonta brută topită. Acest progres a dus la diminuarea treptată a producției de fier forjat.

Răspândire în natură

Ca abundență, fierul este al zecelea element în univers și al 4-lea pe Pământ (al doilea metal, după aluminiu). Ca masă însă, fierul ocupă primul loc pe Pământ. În prezent se consideră că 80% din nucleul interior al Pământului este format din fier. Sub formă de diverse combinații, el formează 5% din scoarța terestră, însă în stare pură se găsește doar accidental (în meteoriți). Se presupune de asemenea că planeta Marte își datorează Culoarea roșiatică unui sol bogat în oxid de fier.

Izotopi

Fierul prezintă patru izotopi naturali. În ordinea abundenței relative, aceștia sunt: Fe (91,7 %), Fe (5,8 %), Fe (2,2 %) și Fe (0,3 %). De asemenea, se cunosc alți 10 izotopi sintetici ai fierului. S-a demonstrat (prin corelația existentă între abundența izotopului Ni, un produs de dezintegrare al Fe, și abundențele izotopilor stabili ai fierului în unii meteoriți) că Fe a existat în stare naturală în perioada de formare a sistemului solar.

Forme alotropice

În funcție de domeniile de temperatură la care sunt stabile și de structura cristalină, este acceptată astăzi existența a 3 stări alotropice ale fierului solid:

• Fierul α are o structură cristalină cubică cu volum centrat și este stabil de la temperatura ambiantă până la temperatura de 1185 K (912C). Între temperatura ambiantă și temperatura de 1043 K (770C) (punctul Curie), fierul α este feromagnetic, iar peste 1043 K devine paramagnetic. Din această cauză, inițial formei structurale de fier existente între 1043 K și 1185 K i s-a dat denumirea de fier β. Ulterior s-a renunțat la această denumire întrucât între fierul α și fierul β nu există alte diferențe.
• Fierul γ are o structură cristalină cubică cu fețe centrate și este stabil între 1185 K (912C) și 1667 K (1394C).
• Fierul δ are o structură cristalină cubică cu volum centrat și este stabil între 1667 K (1394C).și temperatura de topire, 1811 K (1538C).

Notă: La nivel mondial nu s-a ajuns încă la un acord complet în privința poziției exacte a diferitelor puncte caracteristice ale fierului (și nici a punctelor caracteristice din diagrama de echilibru fier-carbon). Valorile indicate aici pentru temperaturi sunt cele întâlnite în monografiile de specialitate uzuale din România.

Combinații chimice

Fierul formează cu oxigenul combinații bivalente și trivalente. Fenomenul de oxidare a fierului se mai Numește ruginire.

Oxidul feros, FeO (II), se obține prin arderea directă a fierului. El este stabil doar la temperaturi de peste 833 K (560C) și este de Culoare neagră.

Oxidul feric, Fe₂O₃ (III), numit și hematit, este un mineral de Culoare maronie, obținut prin oxidarea fierului în condițiile existenței unui surplus de oxigen. El reprezintă principala sursă de obținere a fierului.

Oxidul feric-feros, Fe₃O₄ (II,III), numit și magnetit, este materialul natural cu cele mai bune proprietăți magnetice.

Deși acești oxizi formează straturi protectoare la suprafața pieselor, porozitatea acestor straturi este atât de mare încât obiectele din fier expuse efectelor atmosferei ruginesc continuu până la distrugerea lor completă.

Oxidul feric este opac la radiații ultraviolete și infraroșii, proprietate ce își gasește aplicații la fabricarea geamurilor termoabsorbante.

În combinație cu carbonul, fierul poate forma soluții solide sau carbura de fier Fe₃ (numită și cementită). În funcție de temperatură și de conținutul de carbon, soluțiile solide sunt ferita, austenita și ferita δ.

Pentacarbonilul de fier, Fe(CO)₅ se obține prin reacția, sub presiune, a fierului cu monoxidul de carbon. Prin descompunerea sa se obține fierul carbonil cu o puritate de 97,5 %. De asemenea, el se folosește pentru obținerea a Numeroși compuși ai fierului cu utilizare în sinteza organică.

Tiocianatul de fier, Fe(SCN)₃ are o Culoare roșie caracteristică și servește la punerea în evidență a ionilor Fe.

Obținere

Minereuri

Datorită reactivității sale mari, în natură fierul se găsește în stare pură doar în cazuri foarte rare, de obicei în meteoriții feroși.

Cele mai des utilizate minereuri de fier sunt hematitul, magnetitul, ilmenitul (FeTiO₃), sideritul (FeCO₃), limonitul (amestec de goethit - α-FeO(OH) - și lepidocrocit - γ-FeO(OH)) și pirita (FeS₂).

Cele mai mari zăcăminte de minereu de fier sunt asociate cu așa-numitele formațiuni feroase în benzi (în engleză: Banded Iron Formations).

Minereurile de fier se exploatează atât în exploatări de suprafață, cât și în mine. Cele mai importante exploatări de suprafață se găsesc în America de Sud (în special în Bolivia și Brazilia), în vestul Australiei, în China, în Ucraina și Canada. În ultimii ani, aceste țări au înlocuit treptat țările cu tradiție în extragerea minereului de fier din mine, cum ar fi Franța, Suedia sau Germania. Cel mai important zăcământ de fier se află la El Mutùn în Bolivia, unde se estimează că există cca. 40 miliarde tone de minereu cu un conținut de fier de peste 50 %.

După extragere, minereul se mărunțește și se macină, după care granulele de minereu se sortează după mărime și se sinterizează. Aceasta înseamnă că, sub influența unei călduri foarte mari și cu adaosuri de materiale calcaroase, granulele mici se unesc în bulgări mai mari, poroși. Acest lucru este esențial pentru că, ulterior, granulele fine ar împiedica trecerea normală a curentului de aer prin furnal.

Producători de fier

În anul 2000, la nivel mondial au fost produse aproximativ 1 miliard de tone de minereu de fier, valorând cca. 25 miliarde euro. Din această cantitate de minereu s-au obținut aproximativ 572 milioane tone de fontă brută.

Minereurile de fier sunt exploatate în prezent în 48 de țări, primii cinci producători: China, Brazilia, Australia, Rusia și India asigurând 70% din producția mondială totală.

Modalități de obținere

La scară industrială, fierul este produs pornind de la minereu printr-o reacție de reducere directă cu carbon, la temperaturi de cca. 2000 °C, în furnale (cuptoare înalte). Aceasta permite înlăturarea sub influența temperaturilor înalte a componenților neferoși sau pământoși din minereu. În partea superioară a furnalului se introduce minereu de fier, carbon sub formă de cocs și un flux de genul carbonatului de calciu sau a dolomitului, în timp ce prin partea de jos este insuflat un curent de aer cald. Cocsul reacționează cu oxigenul din curentul de aer, formând monoxid de carbon:

6 C + 3 O₂ → 6 CO

Monoxidul de carbon reduce minereul de fier (în cazul de jos, hematit), transformându-l în fier topit și devenind bioxid de carbon:

6 CO + 2 Fe₂O₃ → 4 Fe + 6 CO₂

Fluxul ajută la topirea impurităților din minereu, în special a bioxidului de siliciu și a silicaților. Sub influența căldurii din furnal, carbonatul de calciu se descompune în oxid de calciu și bioxid de carbon.:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Oxidul de calciu se combină cu bioxidul de siliciu formând o zgură ce se topește la temperatura din furnal (ceea ce nu s-ar fi întâmplat cu bioxidul de siliciu în stare pură).

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Zgura topită plutește deasupra fierului topit, mai dens, și aceste componente pot fi evacuate separat prin deschizături speciale în furnal.

Materialul util rezultat este de fapt fontă brută, cu un conținut de cca. 4-5% carbon. Aceasta poate fi redusă în continuare pentru obținerea oțelului sau a fierului tehnic pur, în alte cuptoare sau convertizoare.

Fierul chimic pur se poate prepara prin calcinarea precipitatului de hidroxid feric Fe(OH)₃ sau a altor săruri de fier. iar la scară industrial prin calcinarea sărurilor de fier cu ușoara tendință de descompunere.

Utilizare

Fierul este în prezent cel mai utilizat metal, cuprinzând 95% din producția mondială de metale, ca și masă. Datorită combinării unei rezistențe înalte cu un preț redus, el se folosește în prezent mai ales în cadrul aliajelor, pentru realizarea de diverse piese și structuri.

Alături de cobalt și nichel, fierul este unul dintre cele trei materiale feromagnetice care fac posibilă aplicarea practică a electromagnetismului la generatoare electrice, transformatoare și motoare electrice.

Aliajele fier-carbon sunt materialele cu cea mai largă răspândire în industrie. Ele se împart în oțeluri, cu un conținut de carbon de până la 2,11 % și fonte, cu un conținut de carbon mai mare de 2,11 %.

Fierul forjat este un produs maleabil care conține mai puțin de 0,2% carbon. Datorită modului de obținere, piesele din fier forjat conțin mici urme, filamente de zgură. Fierul forjat ruginește mai greu, însă a fost înlocuit în prezent în majoritatea aplicațiilor de oțeluri cu conținut scăzut de carbon, care sunt mai ieftine și mai ușor de obținut.

Oțelul nealiat conține între 0,06% și 2,11% carbon, cu mici cantități de mangan, sulf, fosfor și siliciu.

Oțelurile aliate conțin diferite cantități de carbon, dar și alte metale, cum ar fi cromul, vanadiul, molibdenul, nichelul, wolframul etc. Ele au de regulă domenii de utilizare bine precizate, deoarece conținutul de elemente de aliere le crește considerabil prețul. O varietate recentă de oțeluri aliate sunt așa-numitele oțeluri microaliate ce conțin cantități mici de elemente de aliere, însă cu rezistențe și tenacități ridicate, la costuri minime. Oțelurile inoxidabile sunt oțeluri aliate care conțin cel puțin 12% crom.

Fonta brută conține cca. 4-5% carbon și diverse cantități de sulf, siliciu și fosfor. Singura ei importanță tehnică este ca pas intermediar de la minereul de fier la oțel și fonta de turnată.

Fonta turnată conține 2,11% – 6,67% carbon, 1% – 6% siliciu și mici cantități de mangan. Proprietățile sale mecanice variază considerabil în funcție de forma sub care apare carbonul în aliaj. Fontele albe conțin carbonul sub formă de cementită, ceea ce le face dure, dar fragile. Suprafața de rupere a unei fonte albe prezintă Numeroase fațete fine de carburi, de Culoare foarte deschisă, argintie, care și dau Numele materialului. În fonta cenușie, carbonul se găsește sub formă liberă, de grafit, și are de asemenea proprietăți mecanice reduse (deși mai bune decât ale fontelor albe). Variantele mai noi de fontă cenușie, fonta maleabilă și fonta modificată conțin grafitul sub formă de cristale foarte neregulate (grafit în cuiburi), respectiv sub formă sferoidală (grafit nodular), îmbunătățind mult rezistența și tenacitatea materialului.

Feroaliajele sunt aliaje ale fierului cu alte elemente chimice, acestea fiind prezente în procentaje ridicate. Exemple sunt ferosiliciul sau feromanganul; care se utilizează la elaborarea oțelurilor aliate sau a altor aliaje.

Alte aliaje importante sunt cele cu nichel, dintre care se remarcă invarul (36% Ni, rest fier), care caracterizează printr-un coeficient de dilatare termică foarte redus și se utilizează în aplicații unde este nevoie de modificări dimensionale minime în raport cu temperatura.

Oxizii de fier sunt folosiți la fabricarea de medii magnetice pentru stocarea informațiilor. Deseori ei sunt amestecați cu alți compuși, dar își păstrează proprietățile magnetice în soluție.

În medicină se folosesc preparate pe bază de fier ca antianemice.

Importanța în biologie și medicină

Fierul este un element esențial pentru aproape toate organismele vii. El este inclus, de regulă în formă stabilă, în metaloproteine, deoarece în formă liberă sau expusă duce la producerea de radicali liberi care în general sunt toxici pentru celule. Fierul se poate combina cu orice tip de biomoleculă și, ca atare, va adera la membrane, acizi nucleici, proteine etc.

Multe animale înglobează fierul în hemuri, o componentă esențială a citocromilor, proteine implicate în reacții redox (incluzând respirația celulară), și a proteinelor purtătoare de oxigen hemoglobina și mioglobina. Fierul anorganic implicat în reacții redox se găsește de asemenea în complexele fier-sulf din multe enzime, cum ar fi nitrogenaza și hitrogenaza. Atunci când organismul se confruntă cu o infecție bacteriană, fierul este "sechestrat" în interiorul celulelor (de obicei în molecula de depozitare feritină) astfel încât să nu poată fi folosit de către bacterii. Fierul absorbit din duoden este legat în transferină și transportat prin sânge către diverse celule, unde este înglobat în proteine prin.mecanisme încă neidentificate . Vezi și Metabolismul fierului în organismul uman.

Fierul în alimente

Cele mai bune surse de fier în alimente sunt carnea de porc, peștele, carnea de pui, lintea, fasolea, pătrunjelul, pâinea din făină integrală etc. În schimb, spanacul ca sursă principală de fier este un mit datorat unei greșeli de transcriere a cantității de fier .

Toxicitate

Fierul în cantități excesive este toxic pentru oameni, deoarece reacționează cu peroxizii din corp, producând radicali liberi. Toxicitatea apare atunci când cantitea de fier o depășește pe cea de transferină necesară pentru legarea fierului liber. O cantitate prea mare de fier ingerată poate leza direct celulele din tractul gastro-intestinal și poate intra în sânge, distrugând celulele care altfel ar restricționa intrarea sa. Odată ajuns în sânge, fierul în exces poate afecta celulele din inimă, ficat (unde poate duce la sideroză) etc., putând duce la deteriorarea organelor respective pe termen lung sau chiar la moarte. De aceea, preparatele pe bază de fier sunt indicate doar în cazul unei deficiențe de fier..

Toxicitatea fierului se manifestă la valori de peste 20 mg de fier pentru fiecare kilogram de masă corporală, 60 mg/kg reprezentând o doză letală .

Tratarea medicală a problemelor cauzate de toxicitatea fierului este complexă. Un aspect în acest sens este folosirea deferoxaminei, care leagă și elimină excesul de fier din organism.

Simbol chimicistic.C4.83">Simbol chimicistică

În Evul Mediu, fierul era asociat cu planeta Marte, cu masculinitatea și cu soliditatea, rezistența. De altfel, în alchimie, simbolul fierului era identic cu cel folosit și în prezent pentru a indica genul masculin și cu cel pentru Marte în astrologie: ♂.
Termenul "de fier" a ajuns să fie folosit pentru a indica ceva de neclintit, de netrecut (de exemplu Cortina de fier), o încercare, provocare deosebită (de exemplu triatlonul "Ironman", om de fier desfășurat în Hawaii) sau, în cazul unor persoane, o voință deosebită (persoane care conduceau "cu o mână de fier", sau "doamna de fier", supraNumele fostului prim-ministru al Marii Britanii, Margaret Thatcher). "Fier" este și denumirea celei de-a patra povestiri din volumul "Sistemul periodic" publicat în 1975 de Primo Levi.