Fierul

Fierul (din latina, ferrum; in franceza fer, in engleza iron, in germana Eisen, in maghiara vas ) 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 (1538oC), si o larga raspandire in natura, sub forma de combinatii chimice.

Este ultimul element care poate fi produs prin fuziune nucleara in nucleele stelelor (dar doar in cele cu masa mai mare de 5 mase solare), 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 (la inceput cel numit fier de mlastina - in engleza bog iron, sau limonit), 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 (Anatolia si Caucaz). 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.

Otelul, aliaj al fierului cu relativ putin carbon, a fost produs, se pare, pentru prima data in India, in secolul al III-lea. Un exemplu al maiestriei indiene in domeniul metalurgiei este si faimoasa coloana de fier din Delhi, care este constituita in proportie de 98% din fier forjat si a fost ridicata la sfarsitul secolului al IV-lea sau inceputul secolului al V-lea[4].

In Europa, primele sarje de fonta turnata au fost obtinute in Suedia, in secolul al XV-lea (Lapphyttan si Vinarhyttan). Ghiulele de tun din fonta au permis apoi raspandirea acestui material si a metodelor de obtinere in toata lumea. Combustibilul de baza pentru aceste procese era carbunele de lemn (mangalul).

Disparitia accentuata a padurilor din Marea Britanie a dus in secolul al XVIII-lea la inlocuirea mangalului cu cocsul, de catre Abraham Darby. Acest lucru, impreuna cu inventarea masinii cu abur, a dus la Revolutia industriala.

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:

Fierul α are o structura cristalina cubica cu volum centrat si este stabil de la temperatura ambianta pana la temperatura de 1185 K (912oC). Intre temperatura ambianta si temperatura de 1043 K (770oC) (punctul Curie), fierul α este feromagnetic, iar peste 1043 K devine paramagnetic. Din aceasta cauza, initial formei structurale de fier existente intre 1043 K si 1185 K i s-a dat denumirea de fier β. Ulterior s-a renuntat la aceasta denumire intrucat intre fierul α si fierul β nu exista alte diferente.

Fierul γ are o structura cristalina cubica cu fete centrate si este stabil intre 1185 K (912oC) si 1667 K (1394oC).

Fierul δ are o structura cristalina cubica cu volum centrat si este stabil intre 1667 K (1394oC).si temperatura de topire, 1811 K (1538oC).

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.