Ferro e la sua densità: tutto quello che c'è da sapere

1.0Ferro (Fe): il fondamento dei materiali strutturali e un elemento vitale per la vita

Ferro (simbolo chimico Fe, derivato dal latino ferro) è un metallo di transizione del gruppo 8 della tavola periodica, con numero atomico 26, massa atomica relativa di 55,845, una densità di 7,86 g/cm³ e un punto di fusione di 1539 °C. Appare di colore grigio-argenteo ed è uno dei metalli più abbondanti nella crosta terrestre. In natura, esiste comunemente sia nello stato di ossidazione ferroso (Fe²⁺) che ferrico (Fe³⁺).

1.1Proprietà fisiche e chimiche:

• Lucentezza metallica, aspetto grigio-argenteo, duro ma duttile;
• Elevato punto di fusione (1539°C), adatto alla lavorazione ad alta temperatura;
• Un metallo reattivo, reagisce facilmente con l'ossigeno, l'acqua e gli acidi;
• Gli stati di ossidazione comuni sono +2 e +3.

1.2Applicazioni principali:

Produzione di acciaio:

L'applicazione più importante del ferro è la produzione di acciaio. L'acciaio è una lega di ferro e carbonio, spesso miscelata con manganese, cromo, nichel e altri elementi per migliorarne la resistenza, la tenacità o la resistenza alla corrosione. L'acciaio è ampiamente utilizzato in:

• Costruzione strutturale (ad esempio ponti, grattacieli)
• Produzione di macchinari e attrezzature
• Trasporti (automobili, navi, ferrovie)
• Elettrodomestici e beni di uso quotidiano

Prodotti chimici industriali e fertilizzanti:

I composti del ferro vengono utilizzati per produrre coloranti, catalizzatori, agenti per il trattamento delle acque e fertilizzanti a base di ferro.

1.3Ruolo biologico:

Il ferro è un oligoelemento essenziale per gli organismi viventi. Le sue funzioni principali includono:

• Costituenti l'emoglobina e la mioglobina, coinvolte nel trasporto dell'ossigeno;
• Partecipazione al metabolismo energetico mitocondriale;
• Funge da componente di vari enzimi e proteine.

1.4Significato storico e culturale:

• L'uso del ferro da parte dell'uomo risale all'età del ferro (intorno al 1200 a.C.), quando gli utensili e le armi in ferro sostituirono quelli in bronzo, favorendo significativamente la produzione agricola e la capacità militare;
• L'adozione diffusa della tecnologia di fusione del ferro ha segnato una tappa fondamentale nella civiltà umana.
• Ancora oggi il ferro è il materiale metallico più utilizzato al mondo.

Densità degli elementi selezionati

2.0Capire la densità: definizione, calcolo e il ferro come esempio

2.1Cos'è la densità?

La densità è una misura della quantità di materia contenuta in un'unità di volume. Riflette la densità delle particelle di una sostanza. Più le particelle sono compatte, più particelle possono entrare in un dato spazio. Poiché le particelle hanno massa, i materiali con densità maggiore peseranno di più a parità di volume.

Le unità di misura più comuni della densità sono:

• unità SI: chilogrammi per metro cubo (kg/m³)
• Unità di laboratorio: grammi per centimetro cubo (g/cm³) o grammi per millilitro (g/ml)
• La densità è comunemente rappresentata dalla lettera greca ρ (rho)

2.2Formula di calcolo della densità

Densità (ρ) = Massa (m) / Volume (V)

Dove:

• La massa viene solitamente misurata in grammi (g)
• Il volume può essere espresso in millilitri (mL)O centimetri cubi (cm³)
  (Nota: 1 mL = 1 cm³)

2.3Esempio: Densità di un blocco di ferro

Un blocco di ferro ha una massa di 23,6 grammi, con dimensioni di 2,0 centimetri × 2,0 centimetri × 0,75 centimetriDetermina la sua densità e se è probabile che sia fatto di ferro.

Volume = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 cm³
Densità = 23,6 g ÷ 3,0 cm³ = 7,87 g/cm³

Conclusione:
L'oggetto ha una densità di circa 7,87 g/cm³, che è molto vicina alla densità standard del ferro puro. Pertanto, è molto probabile che si tratti di ferro puro o di una lega a base di ferro.

2.4Densità del ferro e delle leghe di ferro

La densità di ferro puro è approssimativamente 7,874 g/cm³
(o 491,5 lb/ft³, 0,284 lb/in³)

La tabella seguente elenca le densità dei tipi più comuni di ferro e leghe di ferro a temperatura ambiente. Questi valori sono utili per la selezione dei materiali e i calcoli ingegneristici.

Nota 1: da 6,95 a 7,35 g/cm3 (da 0,251 a 0,265 lb/in.3).

Nota 2: da 7,20 a 7,34 g/cm3 (da 0,260 a 0,265 lb/in.3).

3.0Fattori che influenzano la densità del ferro

3.1Struttura atomica

La densità del ferro è influenzata dalla sua struttura cristallina:

• Struttura cubica a corpo centrato (BCC):La ferrite (α-ferro, BCC) ha una densità leggermente inferiore rispetto all'austenite (γ-ferro, FCC) a causa della sua efficienza di impacchettamento atomico.
• Struttura cubica a facce centrate (FCC): Trovato in austenite (γ-ferro), che ha un densità più elevata

3.2Temperatura e transizioni di fase

Con l'aumentare della temperatura, il ferro subisce delle transizioni di fase che influenzano la sua struttura cristallina e quindi la sua densità:

• α-ferro (BCC)transizioni a γ-ferro (FCC) a circa 912°C
• γ-ferro (FCC)si trasforma in δ-ferro (BCC) a circa 1394°C
• IL punto di fusionedi ferro è circa 1538°

3.3Aggiunta di elementi di lega

• Aggiungendo elementi come carbonioaltera la struttura e la densità del ferro
• Ad esempio, l'aumento del contenuto di carbonio nell'acciaio porta alla formazione di perlite, e abbassa il temperatura di transizione di fasea circa 727°C.

4.0Domande frequenti sulla densità del ferro

Altro: Densità dell'alluminio

Riferimenti:

https://www.princeton.edu/~maelabs/mae324/glos324/iron.htm

https://web.fscj.edu/Milczanowski/psc/lect/Ch4/slide6.htm

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/iron-fertilizers