Fierul

Fierul

Fierul este un element chimic cu simbolul Fe si numarul atomic 26. In tabelul periodic al elementelor, fierul se gaseste in grupa a 8-a si in perioada a 4-a.

Fierul este un metal de culoare gri-argintie, cu un punct de topire ridicat (1538șC), si o larga raspandire in natura, sub forma de combinatii chimice.

Este ultimul element care poate fi produs prin fuziune nucleara in nucleele stelelor, si deci cel mai greu element a carui formare nu necesita un eveniment cataclismic de tipul unei supernove.

Primul tip de fier cunoscut si utilizat de oameni provenea din meteoriti. In Egipt si Mesopotamia s-au descoperit varfuri de sulita si obiecte decorative cu aceasta origine, datand din jurul anului 4000 i.Hr. [3] 2000 de ani mai tarziu a aparut si fierul prelucrat din minereu, folosit insa doar pentru obiecte de cult si considerat mai valoros decat aurul. Intre 1600 i.Hr. si 1200 i.Hr. a inceput obtinerea fierului in topitorii primitive, in Imperiul Hitit. Disparitia acestui imperiu a permis raspandirea cunostintelor despre prelucrarea fierului in toata regiunea, facilitand trecerea de la Epoca Bronzului la Epoca Fierului.

In jurul anului 550 i Hr. in China a fost inventat furnalul si s-a obtinut prima fonta turnata.

La sfarsitul anilor 1850, Henry Bessemer a inventat un nou procedeu de fabricare a otelului cu continut foarte scazut de carbon, la care se sufla aer prin fonta bruta topita. Acest progres a dus la diminuarea treptata a productiei de fier forjat.

Ca abundenta, fierul este al zecelea element in univers si al 4-lea pe Pamant (al doilea metal, dupa aluminiu). Ca masa insa, fierul ocupa primul loc pe Pamant. In prezent se considera ca 80% din nucleul interior al Pamantului este format din fier. Sub forma de diverse combinatii, el formeaza 5% din scoarta terestra, insa in stare pura se gaseste doar accidental (in meteoriti). Se presupune de asemenea ca planeta Marte isi datoreaza culoarea rosiatica unui sol bogat in oxid de fier.

Fierul prezinta patru izotopi naturali. In ordinea abundentei relative, acestia sunt: 56Fe (91,7 %), 54Fe (5,8 %), 57Fe (2,2 %) si 58Fe (0,3 %). De asemenea, se cunosc alti 10 izotopi sintetici ai fierului. S-a demonstrat (prin corelatia existenta intre abundenta izotopului 60Ni, un produs de dezintegrare al 60Fe, si abundentele izotopilor stabili ai fierului in unii meteoriti) ca 60Fe a existat in stare naturala in perioada de formare a sistemului solar.

In functie de domeniile de temperatura la care sunt stabile si de structura cristalina, este acceptata astazi existenta a 3 stari alotropice ale fierului solid:

Nota: La nivel mondial nu s-a ajuns inca la un acord complet in privinta pozitiei exacte a diferitelor puncte caracteristice ale fierului (si nici a punctelor caracteristice din diagrama de echilibru fier-carbon). Valorile indicate aici pentru temperaturi sunt cele intalnite in monografiile de specialitate uzuale din Romania.

Fierul formeaza cu oxigenul combinatii bivalente si trivalente. Fenomenul de oxidare a fierului se mai numeste ruginire.

Oxidul feros, FeO (II), se obtine prin arderea directa a fierului. El este stabil doar la temperaturi de peste 833 K (560oC) si este de culoare neagra.

Oxidul feric, Fe2O3 (III), numit si hematit, este un mineral de culoare maronie, obtinut prin oxidarea fierului in conditiile existentei unui surplus de oxigen. El reprezinta principala sursa de obtinere a fierului.

Desi acesti oxizi formeaza straturi protectoare la suprafata pieselor, porozitatea acestor straturi este atat de mare incat obiectele din fier expuse efectelor atmosferei ruginesc continuu pana la distrugerea lor completa.

Datorita reactivitatii sale mari, in natura fierul se gaseste in stare pura doar in cazuri foarte rare, de obicei in meteoritii ferosi.

Cele mai des utilizate minereuri de fier sunt hematitul, magnetitul, ilmenitul (FeTiO3), sideritul (FeCO3), limonitul (amestec de goethit - α-FeO(OH) - si lepidocrocit - γ-Fe3+O(OH)) si pirita (FeS2).

Cele mai mari zacaminte de minereu de fier sunt asociate cu asa-numitele formatiuni feroase in benzi (in engleza: Banded Iron Formations).

Minereurile de fier se exploateaza atat in exploatari de suprafata, cat si in mine. Cele mai importante exploatari de suprafata se gasesc in America de Sud (in special in Bolivia si Brazilia), in vestul Australiei, in China, in Ucraina si Canada. In ultimii ani, aceste tari au inlocuit treptat tarile cu traditie in extragerea minereului de fier din mine, cum ar fi Franta, Suedia sau Germania. Cel mai important zacamant de fier se afla la El Mutùn in Bolivia, unde se estimeaza ca exista cca. 40 miliarde tone de minereu cu un continut de fier de peste 50 %.[9]

Dupa extragere, minereul se marunteste si se macina, dupa care granulele de minereu se sorteaza dupa marime si se sinterizeaza. Aceasta inseamna ca, sub influenta unei calduri foarte mari si cu adaosuri de materiale calcaroase, granulele mici se unesc in bulgari mai mari, porosi. Acest lucru este esential pentru ca, ulterior, granulele fine ar impiedica trecerea normala a curentului de aer prin furnal.

In anul 2000, la nivel mondial au fost produse aproximativ 1 miliard de tone de minereu de fier, valorand cca. 25 miliarde euro. Din aceasta cantitate de minereu s-au obtinut aproximativ 572 milioane tone de fonta bruta.

Minereurile de fier sunt exploatate in prezent in 48 de tari, primii cinci producatori: China, Brazilia, Australia, Rusia si India asigurand 70% din productia mondiala totala.

La scara industriala, fierul este produs pornind de la minereu printr-o reactie de reducere directa cu carbon, la temperaturi de cca. 2000°C, in furnale (cuptoare inalte). Aceasta permite inlaturarea sub influenta temperaturilor inalte a componentilor neferosi sau pamantosi din minereu. In partea superioara a furnalului se introduce minereu de fier, carbon sub forma de cocs si un flux de genul carbonatului de calciu sau a dolomitului, in timp ce prin partea de jos este insuflat un curent de aer cald. Cocsul reactioneaza cu oxigenul din curentul de aer, formand monoxid de carbon:

6 C + 3 O2 → 6 CO

Furnal la Sestao, SpaniaMonoxidul de carbon reduce minereul de fier (in cazul de jos, hematit), transformandu-l in fier topit si devenind bioxid de carbon:

6 CO + 2 Fe2O3 → 4 Fe + 6 CO2

Fluxul ajuta la topirea impuritatilor din minereu, in special a bioxidului de siliciu si a silicatilor. Sub influenta caldurii din furnal, carbonatul de calciu se descompune in oxid de calciu si bioxid de carbon.:

CaCO3 → CaO + CO2

Oxidul de calciu se combina cu bioxidul de siliciu formand o zgura ce se topeste la temperatura din furnal (ceea ce nu s-ar fi intamplat cu bioxidul de siliciu in stare pura).

CaO + SiO2 → CaSiO3

Zgura topita pluteste deasupra fierului topit, mai dens, si aceste componente pot fi evacuate separat prin deschizaturi speciale in furnal.[12]

Fierul este in prezent cel mai utilizat metal, cuprinzand 95% din productia mondiala de metale, ca si masa. Datorita combinarii unei rezistente inalte cu un pret redus, el se foloseste in prezent mai ales in cadrul aliajelor, pentru realizarea de diverse piese si structuri.

Fierul forjat este un produs maleabil care contine mai putin de 0,2% carbon. Datorita modului de obtinere, piesele din fier forjat contin mici urme, filamente de zgura. Fierul forjat rugineste mai greu, insa a fost inlocuit in prezent in majoritatea aplicatiilor de oteluri cu continut scazut de carbon, care sunt mai ieftine si mai usor de obtinut.

Fonta bruta contine cca. 4-5% carbon si diverse cantitati de sulf, siliciu si fosfor. Singura ei importanta tehnica este ca pas intermediar de la minereul de fier la otel si fonta de turnata.

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

Oxizii de fier sunt folositi la fabricarea de medii magnetice pentru stocarea informatiilor. Deseori ei sunt amestecati cu alti compusi, dar isi pastreaza proprietatile magnetice in solutie.

In medicina se folosesc preparate pe baza de fier ca antianemice.

Fierul este un element esential pentru aproape toate organismele vii. El este inclus, de regula in forma stabila, in metaloproteine, deoarece in forma libera sau expusa duce la producerea de radicali liberi care in general sunt toxici pentru celule. Fierul se poate combina cu orice tip de biomolecula si, ca atare, va adera la membrane, acizi nucleici, proteine etc.

Cele mai bune surse de fier in alimente sunt carnea de porc, pestele, carnea de pui, lintea, fasolea, patrunjelul, painea din faina integrala etc. In schimb, spanacul ca sursa principala de fier este un mit datorat unei greseli de transcriere a cantitatii de fier.

Fierul in cantitati excesive este toxic pentru oameni, deoarece reactioneaza cu peroxizii din corp, producand radicali liberi. Toxicitatea apare atunci cand cantitea de fier o depaseste pe cea de transferina necesara pentru legarea fierului liber. O cantitate prea mare de fier ingerata poate leza direct celulele din tractul gastro-intestinal si poate intra in sange, distrugand celulele care altfel ar restrictiona intrarea sa. Odata ajuns in sange, fierul in exces poate afecta celulele din inima, ficat (unde poate duce la sideroza) etc., putand duce la deteriorarea organelor respective pe termen lung sau chiar la moarte. De aceea, preparatele pe baza de fier sunt indicate doar in cazul unei deficiente de fier..

Toxicitatea fierului se manifesta la valori de peste 20 mg de fier pentru fiecare kilogram de masa corporala, 60 mg/kg reprezentand o doza letala .

Tratarea medicala a problemelor cauzate de toxicitatea fierului este complexa. Un aspect in acest sens este folosirea deferoxaminei, care leaga si elimina excesul de fier din organism.

Termenul 'de fier' a ajuns sa fie folosit pentru a indica ceva de neclintit, de netrecut (de exemplu Cortina de fier), o incercare, provocare deosebita (de exemplu triatlonul 'Ironman', om de fier desfasurat in Hawaii) sau, in cazul unor persoane, o vointa deosebita (persoane care conduceau 'cu o mana de fier', sau 'doamna de fier', supranumele fostului prim-ministru al Marii Britanii, Margaret Thatcher). 'Fier' este si denumirea celei de-a patra povestiri din volumul 'Sistemul periodic' publicat in 1975 de Primo Levi.

POZE

Coloana de fier din Delhi  Meteoritul feros Sihote Alin Bucata de fier cu puritate 99,7%

Structura atomica a fieruluiErzberg, Austria, cel mai mare zacamânt de siderit din lume

Roca cu formatiuni feroase în benzi,

descoperita în America de Nord