Els empèdocles moderns – L’element 26 (Fe) – ferro (nilbihexi, Nbh)

“Credo Pudicitiam Saturno rege moratam in terris” diu Juvenal en començar la seva Satura VI, els primers versos de la qual es parlen precisament d’aquells temps remots, del regne de Saturn o dels primers temps del regne de Júpiter, on la pudor encara vivia a la terra. Juvenal repeteix tòpics sobre la societat primitiva, com ara el trogloditisme o l’alimentació basada en aglans, i els contrasta amb la sofisticació però també amb la decadència moral dels seus dies (segles I-II e.c.). El Regne de Saturn s’identifica amb l’Edat d’Or primigènia, com ja ho feia Hesíode a “el Mite de les Edats”. L’Edat d’Or fou la d’una humanitat que convivia amb els déus, dels quals tan sols se’n diferenciava per la mortalitat, bo i que la mort els arribés sense patir vellesa ni malaltia, en mig de la son. L’Edat d’Argent, ja sota el regnat de Júpiter, conegué una humanitat nova que, per ignorància i impietat, queia en la violència. L’Edat de Bronze conegué una nova raça humana, també creada per Júpiter, visqué dedicada a la guerra, però en un estat encara més degenerat que la d’argent. Finalment, arribem a l’Edat de Ferro (νῦν γὰρ δὴ γένος ἐστὶ σιδήρεον: οὐδέ ποτ᾽ ἦμαρ παύονται καμάτου καὶ ὀιζύος, οὐδέ τι νύκτωρ φθειρόμενοι. χαλεπὰς δὲ θεοὶ δώσουσι μερίμνας: ἀλλ᾽ ἔμπης καὶ τοῖσι μεμείξεται ἐσθλὰ κακοῖσιν. ). Hesíode completa aquest esquema de “quatre edats de metall” situant entre la de Bronze i la de Ferro la raça dels herois i semidéus (morts a les guerres de Tebes i de Troia) i anunciant la futura destrucció de la Raça de Ferro. Aquestes edats s’han reencarnat en les perioditzacions que hom fa fet des de fa 200 anys per a la prehistòria. Així, Christian Jürgensen Thomsen, en el 1816, raonava que si hom hagués conegut el ferro, no hauria recorregut a fer eines de bronze, i que si hom hagués conegut el bronze o el ferro, no hauria recorregut a fer eines de pedra. D’això en resultava la divisió tripartida entre Edat de Pedra, Edat de Bronze i Edat de Ferro. John Lubbock, en el 1865, dividia la prehistòria entre el període paleolític, el període neolític (de pedra polida), l’edat de bronze (“en la qual el bronze s’emprava per fer armes i instruments de tall de tota mena”) i l’edat de ferro (“en la qual el ferro desplaça el bronze”). Les successives revolucions metal•lúrgiques foren la base del desplegament de les grans cultures i imperis de l’Edat de Bronze, i dels imperis següents de l’Edat de Ferro. El ferro i l’acer apareixen també estretament vinculats a la revolució industrial dels segles XVIII i XIX, com simbolitza la mateixa Torre d’Eiffel. Els plàstics o el silici han volgut de vegades constituir-se ells mateixos en els epígons de la nova era sorgida de la segona revolució industrial o de la revolució recent de la informàtica i de les telecomunicacions. Però el ferro continua associat a la força, a la sang (no debades l’hemoglobina, el pigment respiratori de la sang, conté ferro en el seu grup prostètic) i és el metall més abundant de l’univers. Segons algunes teories sobre el destí final de l’univers, suposant una expansió còsmica sostinguda (sense replegaments ni esquinçaments) i que els protons són partícules estables, tota la matèria decaurà a ferro-56 101500 anys després del Big Bang, bé per la fissió dels nuclis més pesants, bé per la fusió “freda” dels nuclis més lleugers. Llavors, l’univers esdevindria una col•lecció d’esferes de ferro de mides ben diferents. Entre el passat mític o reconstruït, i el futur especulat o projectat, nosaltres hem arribat ja al nombre 26 de la nostra sèrie.

Falcata íbera. Sota el nom d’íbers hom coneix una diversitat de pobles preromans de l’Edat del Ferro que habitaven les regions orientals i sud-orientals de l’actualment coneguda com a Península Ibèrica.

La descoberta del ferro

Segons Hesíode, l’enviliment de les successives races humanes es manifestava en la menor noblesa dels metalls que les representaven: l’or, l’argent, el bronze i el ferro. Efectivament, les eines de ferro resisteixen pitjor la corrosió que les del bronze i, ja no diguem, que els objectes d’or o d’argent. Així es fa difícil de datar els primers usos d’aquest material. S’assum, en general, que durant molt de temps els usos es limitaven al treball, sense fossa, de ferro nadiu, fos ferro tel•lúric o, més comunament, ferro meteòric, és a dir el procedent de meteorits. És possible que aquests materials meteòrics, constituïts per aliatges de ferro amb níquel i alguns altres components menors, ja fossin emprats en a començament del V mil•lenni a.e.c. A Gerzah, Egipte, hom ha trobat perles fetes de ferro meteòric (amb un contingut de níquel del 7,5%) datades en el 3500 a.e.c.

La introducció de la fossa de minerals de ferro (bàsicament, òxids de ferro) va ampliar les fonts d’aquest metall. Ara bé, el procés de fossa és tècnicament més complex i costós que no pas el d’estany o de coure, i això explica que la primera metal•lúrgia fos de coure i de bronze, i no pas de ferro. La transició de l’Edat del Bronze a l’Edat del Ferro fou un procés lent. És possible que la fossa de ferro ja es practiqués a Egipte en el IV mil•lenni a.e.c., però durant molt de temps l’ús d’objectes de ferro fou limitat, i la majoria es feien a partir de ferro meteòric (certament un material ric i car) o de ferro tel•lúric, més o menys treballats a altes temperatures.

Encara que hom ha trobat peces de ferro forjat a Mesopotàmia i a Síria datables en els primers segles del III mil•lenni a.e.c., encara van haver de passar molts segles perquè successives innovacions tècniques generalitzessin la siderúrgia. A la Índia, la forja de ferro comença a fer-se present vers l’any 1800 a.e.c., i a Anatòlia l’any 1500 a.e.c. L’obtenció d’armes més dures i resistents fou una de les primeres grans aplicacions on el ferro començà a desplaçar el bronze.

Hem vist com Hesíode situava entre l’Edat del Bronze, dels homes que no menjaven pa, i l’Edat del Ferro, una Edat dels Herois i Semidéus. La historiografia contemporània debat sobre el “col•lapse” de les civilitzacions de l’Edat de Bronze tardana de la Mediterrània Oriental, especialment patents en l’ensulsiada de l’Imperi Hitita (1180 a.e.c.) i en la desaparició dels grans palaus minoics i micènics. El cas és que en la represa ens trobem ja dins d’una Edat de Ferro, si més no als països més desenvolupats de la Mediterrània Oriental i del subcontinent índic (1200 a.e.c.). La difusió a altres regions és més lenta però sembla inexorable. En el segle XI a.e.c., es difon al subcontinent europeu. En el segle VIII a.e.c. ja la trobem difosa fins al sud d’Àfrica, mentre que de l’altra banda creua l’Himàlaia per arribar a l’Àsia Oriental.

Tot i amb tot, la consolidació de la siderúrgia requerí perfeccionaments en l’explotació dels minerals de ferro i en els processos de forja. A Europa, les cultures cèltiques de Hallstatt i de La Tenè generalitzaren el ferro. Així, mentre en l’Imperi Romà vers el s. I e.c. la producció anual de ferro era de 85000 tones, en l’Imperi Han per la mateixa època, era de tan sols 5000 tones.

Pilar de ferro del complex de Qutb, a Delhi. Hom ha calculat a aquest pilar una antiguitat de 1600 anys. Com s’ho ha fet per resistir la corrosió? La clau sembla haver estat la riquesa de fòsfor de la matèria primera originària, que ha facilitat la formació d’una capa protectora superficial.

Per bé que quantitativament menor, la siderúrgia xinesa havia començat a produir ferro colat ja en el segle V a.e.c. El ferro colat era destinat a la producció d’armament, però també d’eines per a l’agricultura i de materials per a la producció. Aquesta tècnica trigaria a generalitzar-se a Europa més de 1000 anys, importada segurament amb d’altres innovacions procedents d’Índia. A banda del ferro, començaven també a difondre’s tècniques per confegir acers, per a diferents finalitats específiques.

En el pensament alquímic, des dels seus inicis perses i àrabs del segle X e.c., els metalls jugaven un paper rellevant. Hom fixà el nombre en set: or, argent, coure, ferro, mercuri, estany i plom. En aquest esquema el ferro era associat al planeta Mart, d’un color roig similar als dels minerals fèrrics, i que també s’associava a la força, a la masculinitat, a la sanguinitat. La descoberta d’altres metalls elementals trastocà aquest esquema. Antoine Lavoisier, en el 1789, fixava la llista de metalls elementals (“substàncies simples metàl•liques oxidables o acidificables”) en disset: “antimoni, argent, arsènic, bismut, cobalt, coure, estany, ferro, manganès, mercuri, molibdè, níquel, or, platí, plom, tungstè i zinc”).

El segle XVIII europeu suposà noves transformacions en els processos siderúrgics. En el 1709, Abraham Darby (1678-1717) establí un alt forn de producció de ferro colat on per comptes de carbó vegetal feia servir coc. Aquestes i altres innovacions facilitaren el pas del ferro forjat al ferro colat en nombroses aplicacions. En el 1783, Henry Cort (1741-1800) patentava un procés de pudelat per al refinat de minerals de ferro.

Esquema d’un forn de pudelat

En temps alquímics, hom havia emprat per al ferro el símbol utilitzat per a Mart, ♂. John Dalton, però, a “New System of Chemical Philosophy” s’estima més emprar la lletra I, d’iron. És simptomàtica la diversitat de mots per designar aquest metall, fins i tot dins de les llengües indogermàniques. L’anglès “iron” deriva de l’arrel “eisarn”, compartida per les llengües cèltiques i germàniques; “eisarn” al seu torn deriva de l’arrel indogermànica “ayos”, emprada genèricament per als metalls, i del qual també deriva el mot sànscrit (“ayas”). El mot llatí “ferrum” podria haver estat manllevat d’una arrel semítica. El mot grec és “σιδηρος”, mentre que entre els eslaus trobem els mots “železo” i “gvožđe”, en l’albanès “hekur”. En l’hindi, hom en diu loha (लॊहा). Però la diversitat és encara més àmpia: “ħadid” (àrab) “burdina” (basc), “rauta” (uràlic), “vas” (magiar), “demir” (altaic), “rkina” (georgià), etc. Berzelius segueix la forma llatina “ferrum” per suggerir com a símbol les inicials “Fe”, que són les que han quedat fixades en la nomenclatura química posterior.

El desplegament de la indústria moderna, amb la seva maquinària, o la revolució en els transports, exemplificada en el ferrocarril, fou motor per a la innovació continuada en la metal•lúrgia i, específicament, en la siderúrgia. En els anys 1850, l’acer esdevenia ja un material de primera importància, gràcies en part al procés desenvolupat per Henry Bessemer (1813-1898). L’acer desplaçà al ferro forjat, però aquest conquerí en les dècades següents una multitud d’usos ornamentals.

El primer pont d’arcs fet de ferro colat, damunt del riu Severn (Shropshire, Anglaterra) fou inaugurat en el 1781

Entre els nombrosos intents de sistematitzar els elements químics, John Newlands proposava en el 1865 una “llei d’octaus”. En aquest sistema, al ferro se li assigna el nombre atòmic de 21 i se l’inclou en el grup de l’oxigen i del sofre. Més èxit tingué la proposta de Dmitri Mendeleev publicada en el 1868. En la primera edició d’aquesta taula periòdica, el ferro (pes atòmic de 56) apareix en el quart període, encapçalant un grup propi, en el que eren inclosos el ruteni (cinquè període) i l’iridi (sisè període). En la versió del 1871, Mendeleev opta per crear un grup VIII més ample, que recull diversos elements metàl•lics: en el període quart, el ferro, el cobalt, el níquel i el coure; en el període sisè, el ruteni, el rodi, el pal•ladi i l’argent; en el període desè, l’osmi, l’iridi, el platí i l’or. En revisions posteriors, el Grup VIII serà escindit en quatre grups (els actuals grups 8, 9, 10 i 11), dels quals el ferro encapçala el primer, en companyia del ruteni i de l’osmi.

El ferro: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del ferro és de 55,845 uma, computada d’acord amb la distribució en mostres naturals dels seus principals isòtops. Una llista completa d’isòtops coneguts:
– ferro-45 (45Fe; 45,01458 uma). Nucli format per 26 protons i 19 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,00189 s. Decau majoritàriament (70%) a crom-43 (amb emissió de dos protons) o, alternativament (30%) a manganès-45 (amb emissió d’un positró).
– ferro-46 (46Fe; 46,00081 uma). Nucli format per 26 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,009 s. Decau normalment (>99,9%) a manganès-46 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (<0,1%), a crom-45 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– ferro-47 (47Fe; 46,99289 uma). Nucli format per 26 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0218 s. Decau normalment (>99,9%) a manganès-47 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (<0,1%), a crom-46 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– ferro-48 (48Fe; 47,98050 uma). Nucli format per 26 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,044 s. Decau majoritàriament (96,41%) a manganès-48 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (3,59%), a crom-47 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– ferro-49 (49Fe; 48,97361 uma). Nucli format per 26 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,070 s. Decau bé a crom-48 (52%; amb emissió d’un protó i d’un positró) o a manganès-49 (48%; amb emissió d’un positró).
– ferro-50 (50Fe; 49,96299 uma). Nucli format per 26 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,155 s. Decau normalment (>99,9%) a manganès-50 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (<0,1%), a crom-49 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– ferro-51 (51Fe; 50,956820 uma). Nucli format per 26 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,305 s. Decau a manganès-51 (amb emissió d’un positró).
– ferro-52 (52Fe; 51,948114 uma). Nucli format per 26 protons i 26 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,979•104 s (vora 8 hores). Decau a manganès-52 (amb emissió d’un positró). Posseeix un estat metastable (52mFe) a 6810 keV, amb una semivida de 45,9 s.
– ferro-53 (53Fe; 52,9453079 uma). Nucli format per 26 protons i 27 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 511 s (vora 9 minuts). Decau a manganès-52, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (53mFe) a 3040,4 keV, amb una semivida de 151,6 s (2,5 minuts), i que decau a l’estat basal.
– ferro-54 (54Fe; 53,9396105 uma). Nucli format per 26 protons i 28 neutrons. És un isòtop teòricament inestable, amb una semivida superior a 9,8•1029 s (bilions de vegades superior a l’edat actual de l’univers; decauria a crom-54 a través de la captura de dos electrons), de manera que a efectes pràctics se’l considera un isòtop observacionalment estable. La seva abundància relativa és del 5,845% (amb variacions mostrals de 5,837% a 5,861%). Posseeix un estat metastable (54mFe) a 6526,9 keV, amb una semivida de 3,64•10-7 s.
– ferro-55 (55Fe; 54,9382934 uma). Nucli format per 26 protons i 29 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,631•107 s (prop de 3 anys). Decau, per captura electrònica, a manganès-55.
– ferro-56 (56Fe; 55,9349375 uma). Nucli format per 26 protons i 30 neutrons. És un isòtop estable. És el més abundant dels isòtops del ferro, amb una freqüència de 91,754%, que oscil•la mostralment entre 91,742% a 91,760%. Amb un valor de 0,99887806 uma/nucleó, posseeix la relació més baixa de massa per nucleó de tots els nuclis atòmics. Això es relaciona amb el fet que, per la seva cohesió (8800 keV per nucleó d’energia d’unió), sigui el producte final central de la nucleosíntesi estel•lar. Suposant que els protons tenen una semivida il•limitada, la tendència final de les reaccions nuclears conduiria a un univers on tots els nuclis atòmics serien de 56Fe.

Relació entre el nombre de nucleons i l’energia mitjana d’unió per nucleons per a diferents nuclis atòmics. El valor més elevat d’energia d’unió per nucleó el trobem en el 56Fe i en el 62Ni. En l’era estel•lifera de l’univers, la nucleosíntesi estel•lar té com a productes finals ferro i níquel. Al començament de l’era estel•lifera, la taxa de producció va arribar a un màxim, que després ha anat decreixent, per bé que com a conseqüència de l’acumulació la metal•licitat dels estels, expressada en la relació entre el ferro i l’hidrogen, ha anat en augment.

– ferro-57 (57Fe; 56,9353940 uma). Nucli format per 26 protons i 31 neutrons. És un isòtop estable. La seva abundància relativa és del 2,119%, que oscil•la entre 2,116% i 2,121%. La transició nuclear a 14,4 keV és emprada en l’espectroscopia de Mössbauer.

Espectre de Mössbauer del ferro-57. En el 1957, Rudolf Mössbauer (1929-2011) va descobrir en l’iridi l’emissió resonant de raigs gamma sense retrocés. Compostos de ferro-57 són emprats com a materials de referència en l’espectroscòpia basada en aquest efecte
– ferro-58 (58Fe; 57,9332756 uma). Nucli format per 26 protons i 32 neutrons. És un isòtop estable. La seva abundància relativa és de 0,282% (amb variacions mostrals que baixen fins a 0,281%).
– ferro-59 (59Fe; 58,9348755 uma). Nucli format per 26 protons i 33 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,8444•106 s (44 dies). Decau a cobalt-59, amb emissió d’un electró.
– ferro-60 (60Fe; 59,934072 uma). Nucli format per 26 protons i 34 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 8,2•1013 s (2,6 milions d’anys). Aquesta llarga semivida fa que sigui present en forma de traça en mostres naturals. Decau a cobalt-60, amb emissió d’un electró, i d’ací a níquel-60, que és el seu producte final. La correlació entre la concentració de 60Ni i l’abundància dels isòtops estables de ferro en meteorits, ha dut a hipotetitzar que en els moments primigenis del Sistema Solar, el 60Fe era relativament prevalent. Se suposa que l’energia deguda a la desintegració del 60Fe, juntament amb la d’altres radioisòtops (com ara, 26Al) fou la responsables de processos de refosa i de diferenciació dels primers asteroides.
– ferro-61 (61Fe; 60,936745 uma). Nucli format per 26 protons i 35 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 359 s (6 minuts). Decau a cobalt-61, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (61mFe) a 861 keV, amb una semivida de 2,50•10-7 s.
– ferro-62 (62Fe; 61,936767 uma). Nucli format per 26 protons i 36 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 68 s. Decau a cobalt-62, amb emissió d’un electró.
– ferro-63 (63Fe; 62,94037 uma). Nucli format per 26 protons i 37 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,1 s. Decau a cobalt-63, amb emissió d’un electró.
– ferro-64 (64Fe; 63,9412 uma). Nucli format per 26 protons i 38 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,0 s. Decau a cobalt-64, amb emissió d’un electró.
– ferro-65 (65Fe; 64,94538 uma). Nucli format per 26 protons i 39 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,3 s. Decau a cobalt-65, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (65mFe) a 364 keV, amb una semivida de 4,30•10-7 s.
– ferro-66 (66Fe; 65,94678 uma). Nucli format per 26 protons i 40 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,44 s. Decau normalment (>99,9%) a cobalt-66 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a cobalt-65 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– ferro-67 (67Fe; 66,95095 uma). Nucli format per 26 protons i 41 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,394 s. Decau normalment (>99,9%) a cobalt-67 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a cobalt-66 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (67mFe) a 367 keV, amb una semivida de 6,4•10-5 s.
– ferro-68 (68Fe; 67,95370 uma). Nucli format per 26 protons i 42 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,187 s. Decau normalment (>99,9%) a cobalt-68 (amb emissió d’un electró) o, alternativament, a cobalt-67 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– ferro-69 (69Fe; 68,95878 uma). Nucli format per 26 protons i 43 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,109 s. Decau normalment (>99,9%) a cobalt-69 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a cobalt-68 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– ferro-70 (70Fe; 69,96146 uma). Nucli format per 26 protons i 44 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,094 s.
– ferro-71 (71Fe; 70,96672 uma). Nucli format per 26 protons i 45 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,03 s.
– ferro-72 (72Fe; 71,96962 uma). Nucli format per 26 protons i 46 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,01 s.

L’àtom neutre de ferro conté 26 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d64s2. És el primer elements (ja dins del quart període) del grup 8, dins del bloc d (metalls de transició). Els estats d’oxidació més habituals són +3 (Fe3+, ió fèrric) i +2 (Fe2+, ió ferrós), si bé també el podem trobar amb +6, +5, +4, +1 (com el FeCl), -1 i -2. El radi atòmic del ferro és 1,26•10-10 m.

Diagrama de fases per al ferro pur, en funció de la pressió i de la temperatura

El ferro elemental, en condicions estàndards de pressió i de temperatura, es presenta en forma de sòlid metàl•lic. Se n’han descrit diversos al•lòtrops:
– ferro alfa (α) o ferrita. Presenta una estructura cristal•lina cúbic centrada en el cos. La ferrita és un exemple clàssic de material ferromagnètic, és a dir que té la capacitat de formar magnets permanents (de “magnetitzar-se”) o de ser atrets per un camp magnètic. De fet, la ferrita és darrera de les propietats magnètics del ferro colat i dels acers. En condicions estàndards de pressió, la ferrita és estable fins a una temperatura de 1183 K, quan transiciona a ferro gamma.
– ferro beta (β). Com que és cristal•logràficament idèntic a la alfa-ferrita, hom tendeix a no reconèixer-lo com a al•lòtrop. La beta-ferrita seria l’estat de l’alfa-ferrita a temperatures superiors a 1044 K, quan deixa passa d’ésser material ferromagnètic a material paramagnètic.

Esquema de la xarxa cristal•lina de la ferrita (o ferro alfa, esquerra) i de l’austenita (o ferro gamma, dreta)
– ferro gamma (γ) o austenita. L’estructura cristal•lina és cúbica centrada en la cara. Hom dóna a la transició de ferrita a austenita, el nom d’austenització, procés que s’aconsegueix mitjançant l’escalfament del ferro. La solubilitat del carboni en l’austenita (fins a 2,04% a una temperatura de 1419 K) és molt superior a la ferrita (fins a 0,021% a 1183 K), la qual cosa fa que l’austenització sigui necessària per a l’elaboració de la majoria de tipus d’acers.
– ferro delta (δ) o delta-ferrita. És una estructura cristal•lina centrada en el cos. És la forma que adopta el ferro fos tan bon punt cristal•litza en refredar-se per sota de 1811 K. En baixar la temperatura per sota de 1667 K, passa a l’estat d’austenita.
– ferro èpsilon (ε) o hexaferro. L’alfa-ferrita, sotmesa a pressions superiors a 10 GPa, muta a aquest al•lòtrop, amb una estructura cristal•lina hexagonal estretament empacada. Per fer-hi passa el γ-ferro cal arribar a pressions superiors.
– a pressions encara superiors (>50 GPa) i a major temperatura (>1500 K), el ferro elemental adoptaria estructures cristal•lines diferents, bé ortoròmbiques o de doble hexàgon estretament empacat. Hom suposa que l’aliatge de ferro-níquel (amb components menors) que domina la composició del centre del nostre planeta es troba en aquest estadi.

Diagrama de fases de l’acer d’acord amb la temperatura (eix vertical) i el contingut de carboni (eix horitzontal)

Les propietats mecàniques del ferro i dels seus aliatges es poden descriure a través de tests de duresa (com els de Brinell, Rockwell o Vickers) i, de fet, diferents tipus de ferro són emprats en el calibratge d’aquestes escales. El ferro d’alta puresa, en ell mateix, és menys dur que l’alumini d’alta puresa (puntua amb 3 en el test de Brinell). No obstant, a una puresa de 99,99%, la duresa ja ha augmentat, i s’assoleix un màxim en acers amb un contingut de carboni del 0,6%.

Fragments de ferro pur de 99,97%, refinat electrònicament, al costat d’un cub d’1 cm3 de ferro d’alta puresa (99,9999%).

La densitat del ferro sòlid en condicions estàndars de pressió i temperatura és de 7874 kg•m-3. En condicions estàndards de pressió, el ferro fon a una temperatura de 1811 K. El ferro fos, en aquest punt, té una densitat de 6980 kg•m-3. El punt d’ebullició, a pressió estàndard, és a 3134 K.

L’abundància del ferro en l’univers és condicionada per diversos processos de nucleosíntesi que tenen lloc en la fase tardana de fusió dels estels i, particularment, dels més massius. El producte final de les reaccions en cadena de fusió nuclear dels estels extremadament massius (temperatures superiors a 2,5•109 K) és el nucli de 56Ni, que resulta de la fusió successiva de 14 nuclis de 4He. Ara bé, el nucli de níquel-56 (28 protons + 28 neutrons) és un nucli inestable, amb una semivida de 6 dies, i decau a cobalt-56 que, seguidament, dóna lloc a ferro-56, que ja és un isòtop estable. Això fa que el ferro-56 sigui un isòtop relativament abundant entre els materials ejectats per les supernoves. Mentre el ferro-56 és ja produït abans de la fase de supernova, altres isòtops de ferro com, en general, els elements de nombre atòmic superior a 26, es generen bàsicament en la mateixa fase de supernova.

Comptat i debatut, el ferro és, en termes de massa, el sisè element més abundant, tan sols superat per l’hidrogen, l’heli, l’oxigen, el carboni i el neó. Per a la massa bariònica de la Via Làctia, hom calcula que el ferro en constitueix el 0,109%.

En termes atòmics, el ferro té una abundància en el Sistema Solar comparable a la del silici. Hi ha, doncs, un bon nombre d’elements de nombre atòmic inferior que són menys abundants que el ferro (el liti, el beril•li, el bor, el fluor, el sodi, el bor, el fòsfor, el sofre, el clor, l’argó, el potassi, el calci, l’escandi, el titani, el vanadi, el crom i el manganès). Cap element de nombre atòmic superior al ferro, se’l pot comparar en termes d’abundància (atòmica o massiva). Específicament, el 56Fe té una abundància atòmica en el Sistema Solar de 27 ppm, que es correspon, en termes de massa, a 1169 ppm. El 54Fe assoleix una abundància atòmica de 2 ppm, corresponent a 72 ppm en termes de massa. El 57Fe, amb una abundància atòmica d’1 ppm, arriba a 28 ppm en termes de massa.

L’índex de metal•licitat més habitualment emprat per caracteritzar estels o poblacions d’estels es basa en la relació d’abundància Fe/H en aquests astres. La fotosfera solar presenta un contingut de ferro del 0,16% (en termes de massa), valor únicament superat per l’hidrogen (73,46%), l’heli (24,85%), l’oxigen (0,77%) i el carboni (0,16%). Normalment, l’índex de metal•licitat s’expressa com una relació logarítimica, emprant com a base la relació Fe/H del nostre Sol. Per convenció, hom anomena “població III” la primera generació d’estels, en els quals pràcticament no hi havia elements metàl•lics més enllà de 7Li. La “població II” ja comença a mostrar-ne i, actualment, és la que trobem particularment en els cúmuls globulars de l’halo de la Via Làctia. La “població I”, la més recent, a la qual pertany el nostre Sol, és la que es troba ja majoritària en el disc galàctic.

En un nombre petit però significatiu de planetèssims del Sistema Solar primitiu, el ferro n’era element dominant. De fet, entre els meteorits actuals, s’estima que 1 de cada 20 són meteorits ferris. En aquests meteorits dominen minerals com la taenita (un aliatge de ferro-níquel, amb proporcions de ferro que van del 35% al 80%) o la kamacita (un aliatge de ferro-níquel, amb proporcions de ferro que van del 90% al 95%).

Per acreció, els planetèssims donaren lloc a planetes majors. Per processos de diferenciació, bona part del ferro dels planetes es concentra en els nuclis. Tot i així, les concentracions en l’escorça poden ser considerables, com s’esdevé en el cas de Mart, que rep el nom de planeta roig, per la coloració que els òxids de ferro donen a la superfície. L’acreció planetària no és pas un procés conclòs, i una part substancial del ferro metàl•lic que trobem en les superfícies planetàries és deguda a meteorits caiguts en eres geològics recents.

En termes de massa, el ferro és el primer element de la Terra, amb un percentatge del 32,1%. En termes atòmics, el ferro suposa el 14,8% i, en aquest sentit és superat per l’oxigen (48,2%), el magnesi (16,4%) i el silici (15%). Com hem dit abans, el ferro tendeix a concentrar-se en el nucli. El nucli de la Terra, en termes de massa, és integrat per un 88% de ferro i quantitats menors de níquel (5,8%) i de sofre (4,5%). Els altres elements no suposen més que 1% del nucli terrestre, i entre ells trobem els anomenats elements sideròfils entre els quals cal comptar, a més del níquel, al manganès, al cobalt, al molibdè, al ruteni, al rodi, al pal•ladi, al reni, a l’osmi, a l’iridi, al platí i a l’or.

Tot i amb tot, amb un 5% en termes de massa, el ferro esdevé el quart element més abundant de la litosfera terrestre, únicament depassat per l’oxigen, el silici i l’alumini. En termes atòmics, la llista d’elements que el depassen és més llarga (els tres esmentats, el sodi, el potassi i el calci). En qualsevol cas, el ferro és comptat entre els principals elements formadors de roca.

La major part del ferro de la litosfera es troba associat a silicats i, en menor mesura, a carbonats. La concentració de ferro en aquestes formacions és molt limitada. Força superior és la concentració en les formacions de ferro bandejat, roques sedimentàries on s’arriben a concentracions superiors del 15%. Aquestes formacions consisteixen en capes alternes de silicats i d’òxids de ferro, i són testimoni de la transició de l’atmosfera de la Terra primitiva d’unes condicions reductores a unes d’oxidants, fa entre 2400 i 1800 milions d’anys.

Formacions de ferro bandejat a Karijini, Austràlia Occidental

Quan parlem de minerals de ferro, però, hom sol referir-se a minerals que tenen un contingut superior al 60%. És el cas de la magnetita (Fe3O4), l’hematita (Fe2O3), la goetita (FeO(OH)), la limonita (FeO(OH)•n(H2O)), la siderita (FeCO3) o la pirita (FeS2).

Peça d’hematita massissa, de 5×7 cm, procedent de Minas Gerais

La concentració de ferro en la hidrosfera és molt variable, i lligada al context geològic. Segons això, les aigües continentals poden ser més o menys ferruginoses. La concentració oceànica típica és de 2 mg•m-3.

En l’atmosfera, la presència de ferro en forma de traces, varia segons processos naturals (vulcanisme) i antropogènics.

En la biosfera, el ferro és comptat entre els oligoelements essencials. Quantitativament i qualitativament, la seva rellevància és considerable. Probablement, és essencial per a tots els organismes vivents. El ferro apareix en els grups prostètics d’un amplíssim ventall de proteïnes. Entre els grups prostètics que contenen ferro destaca el grup heme (que consisteix en ió Fe2+ contingut en el centre d’un gran anell orgànic heterocíclic). Entre les hemoproteïnes trobem les hemoglobines, els citocroms i enzims com la catalasa o l’òxid nítric sintasa endotelial. Uns altres grups prostètics ben difosos són els centres de Fe-S, que trobem en les ferro-sulfo-proteïnes, rellevants en les reaccions en cadena d’òxido-reducció en membranes biològiques que són a la base de nombrosos processos del metabolisme energètic. El ferro és, sens dubte, un dels protagonistes principals de l’anomenada química bioinorgànica.

Grups prostètics de proteïnes que contenen ferro. A dalt, estructura química del grup heme b. A sota, tenim un esquema de centre de Fe-S

En alguns metabolismes bacterians, les reaccions redox dels cations de ferro (Fe3+/Fe2+) esdevenen font d’energia. Els “bacteris del ferro” (Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirum ferrooxidants, Sulfolobus, Acidianus brierleyi, Sulfobacillus thermosulfidooxidans), se sustenten a partir de l’oxidació de Fe2+ a Fe3+, amb la producció d’electrons que són vehiculats al consum d’O2 (de la mateixa manera que nosaltres oxidem matèria orgànica per després consumir O2). Un hàbitat propici per a aquests organismes són les mines de pirita. Aquesta quimiolitotròfia del ferro té interès en bioremediació.

Per a la majoria d’organismes, però, el metabolisme del ferro s’orienta, d’una banda, a aconseguir les quantitats necessàries i a distribuir-lo en els diferents compartiments, i de l’altra banda a impedir acumulacions excessives. Molts bacteris sintetitzen sideròfors, substància amb una alta afinitat per ions Fe3+, que en garanteixen una reserva suficient.

Estructura química de l’enterobactina, un sideròfor sintetitzat per diferents tipus d’enterobacteris

Per a algunes poblacions biològiques, el ferro pot constituir un nutrient limitant. Això és particularment cert per a comunitats planctòniques marines, ja que en l’aigua marina el ferro és altament insoluble. En els anys 1930, Joseph Hart arribà a proposar la “fertilització de ferro” per elevar la productivitat de les “zones desolades” dels oceans. A final dels anys 1980, John Gribbin reprengué la idea, pensant no tan sols en la productivitat dels oceans en ella mateixa sinó també en el rol que pot tindre com a forma de “segrestar” l’excés antropogènic de CO2 atmosfèric. En les darreres dues dècades s’han realitzat experiments de camp sobre l’efectivitat d’aquesta “fertilització dels oceans”, alhora que hi ha hagut un debat sobre si no serà pitjor el remei que la malaltia.

Els nivells de ferro en l’organisme humà no solen arribar, en termes de massa, al 0,05%. Això deixa el ferro com el primer dels oligoelements, en contraposició als elements més abundants (oxigen, carboni, hidrogen, nitrogen, calci, fòsfor, potassi, sofre, clor, sodi i magnesi). En termes atòmics, el ferro suposa el 0,00067%. Les principals funcions biològiques del ferro és la participació en hemoproteïnes, destacadament l’hemoglobina (el pigment sanguini responsable de l’oxigenació dels teixits) i els citocroms (que, especialment abundants en la membrana mitocondrial interna, participen en la cadena respiratòria, font principal de l’energia metabòlica de l’organisme).

El ferro és incorporat a través de l’alimentació. És present en molts aliments, però particularment podem citar la carn (especialment, la carn roja), els llegums (llenties, etc.), el peix, les verdures (bledes, espinacs, etc.), etc. La digestió allibera Fe2+, que és oxidat a Fe3+ en el procés d’absorció de la mucosa intestinal. Aquesta absorció és altament regulada. Així, en situacions de reserves elevades de ferro, la mucosa intestinal reté el ferro absorbit, que acaba perdent-se a través de la descamació normal de la mucosa. Si les reserves insuficients, llavors sí que l’absorció es fa efectiva, i la mucosa intestinal traspassa ions Fe2+ que són captats en el torrent sanguini per la transferrina. Si la transferrina és la proteïna plasmàtica d’unió a ferro, aquest rol, en el medi intracel•lular, el realitza la ferritina. Bona part del ferro de l’organisme (un 65%) es troba en l’hemoglobina, el pigment que dóna el color vermell als hematies i a la sang mateixa. De la part que resta, altres ferroproteïnes tenen una importància menor (8%). Un 27% del ferro total es troba emmagatzemat en teixits (fetge, cor, ronyó), unit a proteïnes com l’hemosiderina i la ferritina.

Les pèrdues diàries de ferro són típicament d’1 mg, amb la femta com a principal via d’excreció. Això pot ser compensat fàcilment fins i tot amb aportacions alimentàries de tan sols 10 mg diaris. La menstruació i altres pèrdues de sang són una altra font d’escapament de ferro, que pot elevar els requeriments alimentaris. De fet, la ingesta alimentària recomanada de ferro varia d’acord amb l’edat, el sexe, el tipus d’alimentació, etc.

Bé per una insuficiència nutricional o per un excés de pèrdua, l’organisme pot entrar en situacions ferropèniques. La ferropènia es manifesta especialment en una disminució de l’hemoglobinèmia i del comptatge de glòbuls vermells (anèmia ferropènica). En determinats casos, pot ser indicada la suplementació específica de ferro: fumarat de ferro (II), sulfat de ferro, ferro elemental, ferro (II).

En l’organisme humà, com s’esdevé en altres mamífers, no hi ha mecanismes específics d’excreció de ferro. Això explica l’alta regulació de l’absorció intestinal, encaminada a evitar excessos d’acumulació. Fins i tot a nivells fisiològics, els cations Fe2+, en reaccionar amb peròxids, promouen la formació d’espècies reactives d’oxigen i el consegüent dany oxidatiu en les biomolècules. Aquest és un mecanisme que explica la toxicitat aguda i crònica del ferro. El llindar tòxic del ferro se situa en 20 mg/kg pes corporal, i assoleix letalitat a partir de 60 mg/kg. Hom situa el nivell d’ingesta superior tolerable per a adults en 45 mg diaris. En casos d’intoxicació aguda poden emprar-se agents quelants específics com la desferroxamina. L’acumulació crònica de ferro en els teixits, associada a l’hemosiderina, rep el nom d’hemosiderosi.

L’Edat del Ferro avui

Hom calcula 15.400 milions de tones els estocs de ferro en ús actualment en tot el món. La producció anual de ferro és de 1.100 milions de tones.

Mineral de ferro pel•letitzat, destinat a la producció d’acer. Vora un 98% de l’extracció anual de mineral de ferro es dedica a aquest ús.

La majoria del mineral de ferro (hematita, magnetitat, etc.) és processat en els alts forns, on, juntament amb coc i pedra calcària, se’l sotmet a una reacció carbotèrmica a temperatures de 2300 K. La funció de la pedra calcària es retirar els silicats presents en la matèria primera mineral.

Alt Forn nº2 del Port de Sagunt. “Altos Hornos del Mediterráneo S.A.” es constituí el 1971 per a explotar la planta siderúrgica integral de Sagunt. Tancà el 1984, després d’una llarga lluita obrera, com a conseqüència de l’anomenada “reconversió industrial”.

De la primera fusió de l’alt forn, en resulten lingots de ferro colat (pig iron). El destí majoritari d’aquest material és continuar el procés per confegir acer o ferro forjat. La segona part del procés cerca l’oxidació del carbó i d’altres impureses i, paral•lelament, afegir altres metalls. A banda de la composició de carbó i de metalls, les propietats d’acer poden ser modificades mitjançant tractaments físics (de fred, de calor) i químics (exposició a olis o àcid nítric, etc.).

Lingot d’alt form o lingot de primera fusió. La puresa típica d’aquest ferro és del 92%, amb un contingut de carboni de 3-4%, i amb presència de manganès (0,5%-2,5%), fòsfor (0,04%-2%), sofre, etc.

Una alternativa a la reducció en dues fases (de mineral de ferro a ferro colat, i de ferro colat a acer) és la reducció directa. La reducció directa cerca evitar l’ús de coc, de manera que hom passi del mineral de ferro a un ferro (directe o esponjós) que serveixi de matèria primera per a la fabricació d’acer. Com a matèria primera d’aquest procés, s’empra gas natural que és oxidat prèviament a ser introduït en el forn de mineral de ferro.

Sens dubte som encara ben endins de l’edat de ferro. El 95% de la producció mundial de metalls es correspon al ferro. Pel seu cost i per la seva força, els acers encara dominen en la indústria de la maquinària, automobilística, naviera, arquitectònica, etc. Pel que fa a la seva poca resistència a l’oxidació, els components d’acer i de ferro són protegits mitjançant tècniques de passivació, de revestiment plàstic (pintures, etc.) o de galvanització.

Atenuació de les radiacions per part del ferro. Encara que el plom sigui el metall tradicionalment emprat com a protector de les radiacions ionitzants, el ferro també hi té aplicacions degut al seu menor pes específic i la major força mecànica.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: