Ferro

ferro

Il metallo più importante per la pace, per la guerra e per la vita stessa

Da tremila anni il ferro accompagna e influenza fortemente lo sviluppo delle più diverse civiltà. Questa costante influenza è dovuta all'abbondanza dei minerali che contengono ferro e in particolare alle straordinarie proprietà di questo metallo, che è presente ovunque, nelle case come nelle automobili, e anche nel nostro sangue

Simbolo del progresso

Nella primavera del 1889 i cittadini di Parigi poterono seguire, pezzo dopo pezzo, il rapido completamento di una nuova meraviglia della tecnica, costruita dall'architetto francese Gustave Eiffel con 15.000 travi di ferro puddellato (acciaio) e alta oltre 300 m: l'immensa Torre Eiffel, che rappresentava il simbolo della forza travolgente del progresso.

D'altra parte, due anni prima, all'entrata del porto di New York era stata inaugurata la Statua della Libertà, donata dai Francesi agli Stati Uniti in occasione del primo centenario della Rivoluzione americana. Alta quasi 50 m è sorretta da una robusta e complessa impalcatura d'acciaio, anch'essa progettata da Eiffel.

Dal punto di vista storico i due grandi monumenti, famosi in tutto il mondo, segnano il punto più alto di uno stile architettonico che a partire dal 1850 aveva cominciato a usare il ferro come materiale privilegiato per le strutture portanti. Le ottime proprietà fisiche di questo metallo furono sfruttate per costruire edifici caratteristici della società urbana e industriale, dalle stazioni ferroviarie ai mercati coperti, dai grandi magazzini ai padiglioni delle tante Esposizioni universali dell'epoca. L'età del ferro celebrava il suo trionfo.

L'alba dell'età del ferro

I nostri lontani, lontanissimi antenati prepararono i primi utensili in pietra due milioni di anni fa. Molto più tardi gli uomini impararono a usare i metalli, più duri e meno fragili delle pietre. Il primo metallo fu il rame, seguito dal bronzo, una lega in cui sono presenti due diversi metalli: il rame e lo stagno. Il bronzo fu molto più ricercato del rame, perché serviva a fabbricare armi che allora, 4.000 anni fa, non avevano rivali.

L'Età del bronzo non durò molto: dopo un migliaio di anni gli uomini scoprirono che certe 'pietre', arroventate fino a diventare incandescenti, potevano essere forgiate per costruire armi per la guerra e attrezzi per l'agricoltura. Siamo così giunti all'alba dell'Era del ferro, perché le 'pietre' utilizzate dai nostri progenitori di allora erano frammenti di meteoriti, costituite da ferro più o meno puro e piovute sulla Terra dagli spazi interplanetari.

In epoche diverse e in differenti parti del mondo, dalla Cina in Asia all'Angola in Africa, si scoprì in seguito che con procedimenti abbastanza complicati e con temperature molto più alte di quelle necessarie per il rame era possibile ottenere il ferro anche da minerali affioranti sulla superficie del terreno, e presenti in grande quantità nelle viscere della terra. Ovunque si affermò la produzione del nuovo metallo, i guerrieri armati con spade di ferro spazzarono via i nemici armati con spade di bronzo. In Italia la metallurgia del ferro si diffuse fra i dieci e gli otto secoli prima della nascita di Cristo, cioè circa tremila anni fa.

Il ferro biblico

Fin dall'inizio il ferro ha partecipato allo sviluppo delle civiltà con un doppio volto: di progresso nella produzione di attrezzi per l'agricoltura, e di barbarie nella realizzazione di armi micidiali. Con questo doppio ruolo il ferro è entrato nella cultura dei popoli e vi è rimasto fino ai giorni nostri. Nella religione dell'antica civiltà romana da cui discendiamo il ferro era associato alla forza di Marte, il dio della guerra. Invece, il rosso della ruggine che corrode il ferro era associato al rosso del sangue che insozza le spade dei vincitori e che sgorga dalle ferite dei vinti. Roma costruì il suo immenso Impero con spade di ferro, ma proprio durante il regno del primo imperatore il poeta Ovidio gettava uno sguardo inorridito sulla interminabile serie di guerre sostenute dai Romani. Nel poema Le metamorfosi (inizi del 1° secolo d. C.), dopo aver diviso la storia dell'umanità in diverse epoche, Ovidio scriveva: "L'ultima fu quella ingrata del ferro", e aggiungeva "fu estratto il ferro nocivo e più nocivo ancora / l'oro: e comparve la guerra, che si combatte con entrambi / e scaglia armi di schianto con mani insanguinate".

Nella Bibbia si parla spesso del ferro, e vi sono presentati entrambi gli aspetti del suo uso. La lancia di Golia, il gigante filisteo, aveva la punta di ferro, ma con il ferro si costruivano gli attrezzi dei carpentieri e gli attrezzi agricoli. La Bibbia ricorda anche che i filistei impedivano agli Ebrei di esercitare il mestiere di fabbro; solo dopo la vittoria di Davide su Golia gli Ebrei poterono impadronirsi delle conoscenze necessarie per fondere e lavorare il ferro.

Un simbolo di forza

In tempi successivi le tecniche per trattare le sostanze presero il nome di alchimia, una pratica che associava le procedure di laboratorio con aspirazioni spirituali. Il tentativo di trasmutare in oro i metalli comuni per mezzo della cosiddetta pietra filosofale era spesso descritto come una profonda trasformazione interiore. La pietra filosofale era una polvere o una cera che poteva essere ridotta allo stato liquido, e così era chiamata anche elisir o tintura. Il mistico e alchimista medievale Jakob Böhme così parlava del ferro: "un metallo dalla cui tintura, se si riuscisse ad estrargliela si potrebbe ottenere l'oro". In realtà la frase di Böhme può essere letta in senso mistico, spirituale: se la forza virile del corpo (il ferro) potesse essere trasformata (la tintura), si otterrebbe una conoscenza superiore (l'oro).

La funzione simbolica positiva del ferro si rintraccia in molte culture. In Cina, per esempio, il ferro era il simbolo della forza e della rettitudine, e nella stessa accezione si ritrova anche ne Il sistema periodico del grande scrittore e chimico Primo Levi. In questo bellissimo libro del 1975 Levi intitola Ferro il capitolo in cui ricorda con affetto la sua amicizia con Sandro Del Mastro, il bidello dell'Istituto chimico di Torino dove Levi studiava: "Sandro sembrava fatto di ferro, ed era legato al ferro da una parentela antica: i padri dei suoi padri, mi raccontò, erano stati calderai ‒ magnin ‒ e fabbri ‒ fré ‒ delle valli canavesane".

Ma tutti noi possiamo fare una raccolta dei modi di dire che si usano ancora adesso a proposito del ferro: dall'espressione di un forte senso di sicurezza ("sono in una botte di ferro") all'invito superstizioso che fa appello alle proprietà benefiche del metallo ("tocca ferro").

Le proprietà del ferro

Proprietà fisiche. Abbiamo certamente visto le padelle bucate con cui si preparano le caldarroste. Come tutti gli oggetti di ferro, le padelle hanno un colore molto scuro; si rimane quindi sorpresi che il ferro allo stato naturale, ma non in contatto con l'aria, si presenti come un metallo bianco argenteo, lucente quanto il platino.

Ovviamente il ferro condivide con gli altri metalli una serie di proprietà importanti: conduce bene l'elettricità e il calore; può essere deformato con una certa facilità (è malleabile) e può essere tirato in fili (è duttile). È proprio nella valutazione delle proprietà meccaniche dei fili di ferro che si scopre perché a questo metallo sia stato riservato un posto d'onore nella costruzione degli edifici e in grandi opere architettoniche come la Torre Eiffel. Un filo di ferro con una sezione di 1 mm² può sollevare un peso fino a 40 kg senza spezzarsi. Si tratta di un carico di rottura molto elevato, ma nelle costruzioni fatte a regola d'arte si usa un carico di rottura di sicurezza che è quattro volte più piccolo, come se il nostro filo potesse reggere solo 10 kg. Malgrado questa fortissima limitazione si calcola che un tondino di ferro del diametro di 16 mm può resistere alla trazione di un peso di 2 t. Ci spieghiamo così il fatto notevole che la Torre Eiffel, alta 312 m, pesa meno di 7.200 t (quanto possono trasportare 200 camion).

Proprietà chimiche. Il simbolo chimico del ferro è Fe. È un elemento chimico molto abbondante nella crosta terrestre, di cui costituisce quasi il 5% in peso. Scendendo in profondità, verso il centro della Terra, diventa l'elemento dominante perché costituisce il 90% del nocciolo della Terra. I minerali che contengono ferro sono molti e diffusi ovunque, ma qui ne ricordiamo solo due. La pirite (formula FeS₂) contiene ferro e zolfo e si presenta spesso con bellissimi cristalli cubici di colore giallo oro. Di aspetto completamente diverso, di un nero lucido, è la magnetite, una combinazione di ferro e ossigeno (formula Fe₃O₄). Il nome magnetite deriva dal nome greco di certe pietre misteriose provenienti dalla città di Magnesia, una località dell'attuale Turchia, che avevano la capacità di attrarre il ferro: proprio dal nome della magnetite deriva quello dell'insieme di fenomeni che chiamiamo magnetismo.

Anche le proprietà chimiche del ferro rendono questo elemento molto interessante. Infatti la sua capacità di reagire è intermedia tra quella di metalli molto reattivi, come il sodio, e quella di metalli nobili come il platino. Un pezzetto di sodio gettato in acqua la decompone immediatamente, e sviluppa tanto calore da incendiare l'idrogeno che si forma. Il ferro deve essere invece portato ad alta temperatura per riuscire a decomporre l'acqua. Questa reazione fu scoperta dal chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier, che nella seconda metà del 18° secolo la utilizzò per ottenere idrogeno in grande quantità per gonfiare gli aerostati.

Fra i molti composti del ferro va ricordato il solfato ferroso (FeSO₄) che trova numerose applicazioni, nel preparare i tessuti alla tintura, nella produzione di inchiostri, o come protettivo del legno.

La ruggine

In assenza di umidità il ferro non viene intaccato in profondità dall'ossigeno dell'atmosfera. Si ricopre di uno strato aderente di ossido, e tutto finisce lì. Ma quando un oggetto di ferro è a contatto con l'acqua (basta l'umidità dell'atmosfera), l'azione congiunta dell'acqua e dell'anidride carbonica presente nell'aria determina la corrosione del metallo: sulla superficie del ferro si formano come delle minuscole pile che, tramite la loro attività elettrica, danno quale prodotto finale un particolare ossido del ferro, la ruggine, che non è più in grado di aderire al metallo. La ruggine, il terribile nemico del ferro, si stacca facilmente dalla superficie, e acqua, ossigeno e anidride carbonica continuano inesorabilmente la loro opera fino alla completa distruzione dell'oggetto di ferro. Per questo motivo gli oggetti di ferro esposti alle intemperie sono protetti con vernici antiruggine.

Un fenomeno misterioso

Una delle più utili proprietà del ferro rimase misteriosa per molti secoli. L'attrazione reciproca del ferro e della magnetite era ben nota nelle civiltà del Medio Oriente e in quella greca; ma che un oggetto magnetizzato tende a orientarsi secondo la direzione nord-sud fu scoperto dai Cinesi nel 4° secolo a.C. I Cinesi ottennero le prime bussole ponendo un cucchiaio ricavato dalla magnetite su un piatto liscio di bronzo; lasciato a sé stesso il cucchiaio si orientava sempre nella stessa direzione. Molti secoli dopo, fra il 7° e l'8° secolo, gli studiosi cinesi riuscirono a magnetizzare aghi di ferro strofinandoli sulla magnetite, e verso l'11° secolo impararono a renderli più sensibili facendoli galleggiare sull'acqua o sospendendoli a un filo. Nella stessa epoca la bussola cominciava a diffondersi in Europa, facilitando la navigazione in alto mare.

Il fenomeno fisico alla base del funzionamento della bussola ebbe spiegazioni piuttosto fantastiche fino all'Ottocento, quando i fisici riuscirono a collegare i fenomeni elettrici con quelli magnetici, studiarono le leggi dell'elettromagnetismo e ne diedero una spiegazione basata su modelli matematici. Ora sappiamo che il magnetismo dei materiali è dovuto alle particolari proprietà di orientamento di certi atomi, tra cui quelli del ferro. Normalmente gli atomi di un ago di ferro sono orientati in tutte le direzioni, e l'ago non presenta proprietà magnetiche, ma quando viene posto sotto una forte influenza magnetica gli atomi che lo compongono si orientano tutti nella stessa direzione, e così l'ago rimane magnetizzato.

Le proprietà magnetiche rendono il ferro indispensabile per l'industria elettrica e nella fabbricazione di strumenti scientifici e sanitari.

Il ferro negli esseri viventi

Il ferro e il sangue sono inscindibilmente legati dall'uso dissennato delle armi, ma la biochimica ha scoperto un rapporto ben diverso, e veramente vitale, fra l'elemento ferro e la vita. Negli esseri viventi complessi, costituiti da miliardi di cellule, l'ossigeno necessario ai processi vitali deve essere trasportato dall'esterno dell'organismo alle cellule. Il trasporto dell'ossigeno è eseguito da particolari molecole, chiamate pigmenti respiratori. Queste molecole contengono atomi di ferro che sono in grado legare l'ossigeno dell'atmosfera e di rilasciarlo là dove le cellule ne hanno bisogno per compiere tutti i compiti fisiologici a cui sono adibite, accettando in cambio anidride carbonica, un prodotto di rifiuto delle cellule. Nei Vertebrati (e quindi anche nell'uomo) l'ossigeno è trasportato dall'emoglobina, una molecola presente nei globuli rossi del sangue, che ha nella sua struttura quattro atomi di ferro. Nei polmoni i quattro atomi di ferro dell'emoglobina rilasciano le molecole di anidride carbonica di scarto e legano una molecola di ossigeno ciascuno per trasportarlo nelle cellule di tutto il corpo.

Il nostro sangue è colorato di rosso perché l'emoglobina può essere considerata un vero e proprio colorante o pigmento rosso. L'emoglobina, rossa scura o brillante a seconda del contenuto di ossigeno, è presente in quasi tutti gli animali, dai Pesci ai Mammiferi. In alcuni Molluschi e nei Crostacei il trasporto dell'ossigeno è eseguito invece da molecole di emocianina, sostanza incolore o azzurra, che contiene rame al posto del ferro.

L'età del ferro continua

Il ferro cambia le proprie caratteristiche meccaniche a seconda delle lavorazioni a cui è sottoposto, ma le modificazioni diventano radicali quando il ferro è in lega con il carbonio. Se la percentuale del carbonio è fra il 2 e il 5,5% si hanno le ghise, se scende al di sotto dell'1,8 % si hanno gli acciai. Di ghise e di acciai se ne hanno molti tipi speciali, per una infinità di usi diversi. Si capisce quindi come il ferro continui a dominare il mercato mondiale dei metalli, con una percentuale che supera il 90% di tutti i metalli prodotti. Nel 2004 la produzione annuale mondiale di ferro ha superato i mille milioni di tonnellate!

Una produzione così massiccia pone grossi problemi, sia dal punto di vista ambientale, sia da quello di un uso intelligente delle risorse naturali. In tutta Europa e nell'America Settentrionale l'industria dell'acciaio sta riducendo notevolmente i danni ambientali, e d'altra parte i due punti di vista, dell'ambiente e dell'economia, confluiscono nella ricerca di una soluzione accettabile per tutti: il riciclaggio dei materiali ferrosi. Gli Stati Uniti sono particolarmente avanzati in questa direzione: nel 2003 sono stati riciclati materiali ferrosi per 69 milioni di tonnellate, pari al 70% della produzione totale di acciaio. Le proprietà magnetiche del ferro e dell'acciaio rendono questi materiali facilmente recuperabili, anche quando sono ridotti in piccoli frammenti. Prendiamo il caso delle lattine usate per conservare gli alimenti. Quando mettiamo nei contenitori dei rifiuti le lattine da riciclare non sappiamo se sono fatte di alluminio o di materiali ferrosi (acciaio o banda stagnata di ferro), ma quando le lattine arrivano all'impianto di riciclaggio una semplice passaggio attraverso un macchinario magnetico trattiene le lattine di ferro e lascia passare quelle di alluminio.