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Ferro, acciaio ed altre “scoperte” siderurgiche

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di Giorgio Poli

Prosegue il viaggio alla (ri)scoperta della chimica siderurgica, realizzato in piccola puntate a cura di Chimicare tramite domande-chiave all’esperto.
Nata ancor una volta dalla volontà di mettersi nei panni del lettore non professionale alla ricerca di una risposta ai suoi dubbi, la domanda di oggi suonava all’incirca in questo modo:
” Si tende a dire che sono “di ferro” molti oggetti metallici, specie quelli a basso costo, quando non sia evidente (ad esempio per la loro leggerezza o per il loro colore) che essi sono stati realizzati con altri metalli altrettanto noti, come ad esempio l’alluminio o il rame. E’ vero che esistono e si usano tanti oggetti “di ferro”? “

ferro metallico puro

ferro metallico puro

La risposta è molto semplice: non c’è niente al mondo che sia fatto di ferro, naturalmente inteso come elemento chimico puro. Nel gergo comune, dire che una cosa è di ferro è quasi come dire che una cosa è metallica. Soltanto i più avveduti, magari utilizzando una calamita o verificandone il peso o il colore, tendono a distinguere fra vari tipi di metallo. E spesso incorrono in errore, perché esistono oggetti fatti prevalentemente di ferro che non sono magnetici (provare con una posata su cui sia scritto 18-8 o 18-10. Se la calamita si attacca vuol dire: a) che il metallo è stato lavorato male, o b) che vi hanno venduto un metallo diverso da quello dichiarato, certamente meno costoso), oppure oggetti magnetici ma non ferrosi. O ancora oggetti imprevedibilmente magnetici: provare con monete da 1, 2 o 5 centesimi di euro, quelle che si direbbero fatte di rame, metallo certamente non magnetico (qui il trucco c’è, ma non si vede!!!).

Un piccolo approfondimento: la forma più pura di ferro attualmente disponibile ha 4 o 5 N (N sta per 9, quindi 4N vuol dire 99,99 % di ferro, 5N 99,999 % e così via) e serve per ricerca ed impieghi di laboratorio. La produzione di ferro a così elevata purezza richiede tecniche particolari, essenzialmente di tipo elettrochimico e quindi molto energivore. Chi si accontentasse di meno ha a disposizione il cosiddetto FeARMCO, prodotto per la prima volta nel 1909 dalla American Rolling Mill COmpany: è ferro al 99,85 % e serve per fabbricare lamierini magnetici ed in elettrotecnica, oltre che per la produzione di leghe speciali.

Comuni minerali del ferro - (a, d) ematite; (b, e) goethite; (c, f) pirite

Comuni minerali del ferro – (a, d) ematite; (b, e) goethite; (c, f) pirite

Che il ferro abbia una eccezionale reattività chimica è certamente vero: in natura non esistono “pepite” di ferro, ma solo composti di ferro (ossidi, solfuri, carbonati, silicati,…). Del resto, anche le pepite di oro non sono costituite da metallo puro: magari gli N sono tanti, ma non si raggiunge mai il 100 %. Concetti termodinamici di difficile comprensione mettono in evidenza che la purezza assoluta è irraggiungibile perché c’è un parametro, la cosiddetta “entropia di miscela”, che non può essere azzerato: ciò vale per tutti i 92 elementi chimici naturali.

Essendo stato fatto un richiamo a concetti termodinamici, si deve ricordare che in metallurgia essi vengono ritenuti fondamentali: è come dire che se è prevista dalla termodinamica, quella cosa è da ritenersi alla pari di un postulato (senza tener conto di sviluppi teorici moderni). Ad esempio, in termodinamica la reattività chimica del ferro (come quella di tutti gli altri elementi) si traduce ammettendo che i suoi composti naturali sono caratterizzati da un valore negativo della “variazione di energia libera di formazione, ΔG”, almeno entro intervalli di temperatura che comprendono la temperatura ambiente.

sezione di meteorite costituita da ferro con microstrutura Widmanstätten

sezione di meteorite costituita da ferro con microstruttura Widmanstätten

Una curiosità: a fare ferro quasi puro erano più bravi i “siderurgisti” antichi che quelli attuali! Certo oggi esistono tecniche sofisticate che permettono di produrre ferro con molti N: in antichità, anche prima del 1300 a.C (inizio dell’età del ferro), il ferro quasi puro era l’inconsapevole risultato della tecnologia produttiva. La giustificazione di quanto suddetto risiede nella “storia del ferro”, che vale la pena ripercorrere. Sono stati ritrovati (e stanno in molti musei) oggetti “di ferro” databili prima del 2000 a.C. Indagini chimiche accurate mostrano che questi oggetti sono in realtà costituiti da una lega di ferro e nichel, quasi sempre con tracce di cobalto, iridio e altri metalli. Si è anche visto che questa lega ha una microstruttura (più avanti si capirà il significato di questo termine) molto tipica, tanto che gli è stato dato un nome specifico: microstruttura “Widmanstätten”, dal nome del suo scopritore ufficiale, il chimico austriaco Conte Alois Widmanstätten, che divulgò oralmente la scoperta nel 1808 (pare che la stessa scoperta sia stata fatta in precedenza dal geologo inglese G. Thomson, che non è Lord Kelvin e di cui non si conosce il vero nome che inizia con G). Perché questa composizione e questa microstruttura? Perché si tratta di “ferro meteoritico”, proveniente dal cielo, a giustificare il termine “siderurgia” come derivazione dal nome greco del ferro che è “σιδεροσ” (sideros). Frammenti della disgregazione di corpi celesti (generati forse per esplosione, forse per impatto) arrivano a noi come meteoriti, e parte di queste sono “ferrose”, contenenti anche quantità elevate (dal 4 a più del 16 %) di nichel. Quindi il primo ferro utilizzato dall’uomo era meteoritico (App. 1: meteoriti ferrose). Per inciso, quando il pianeta Terra esploderà (tranquilli: per gli astrofisici l’evento è previsto fra qualche migliaia di miliardi di anni!) produrrà frammenti di questo tipo visto che il suo interno è proprio una lega ferro-nichel! E’ per questo che la bussola funziona e le indagini geologiche sul nucleo terrestre (che, per inciso, si chiama “Nife”) mostrano che nelle condizioni di temperatura e pressione là presenti (fino a 4000 °C e fino a 3600 kbar) la lega è in parte solida e in parte liquida.

oggetti in ferro di produzione ittita

oggetti in ferro di produzione ittita

Per ottenere ferro dai minerali naturali bisogna aspettare il 1300 a.C., e si dice che a riuscirci per primi siano stati gli Ittiti, popolazione risiedente in una regione nordorientale dell’Asia Minore alla pendici del Caucaso (circa in corrispondenza della parte settentrionale dell’attuale Irak). E’ probabile che nei loro focolari i metallurgisti del bronzo abbiano inconsapevolmente riscaldato minerali ferrosi, ottenendo una specie di spugna, in realtà costituita da ferro quasi puro, che inglobava scorie e residui rendendo quanto prodotto praticamente inutilizzabile.

“L’uomo eneolitico, ormai esperto nelle arti del fuoco quanto basta per ottenere il rame e il bronzo, continua a sperimentare il calore su altri minerali, pietre pesanti e di vario colore.  Capita nel suo forno un minerale di ferro, molto probabilmente magnetite, ed egli constata che a differenza di rame o stagno, la pietra non si trasforma in metallo fuso, ma una volta estratta dal forno e lasciata raffreddare dimostra di essersi molto trasformata.  L’uomo la ricaccia nel forno e soffia aria perché vuole fonderla. Non ci riesce e la batte quando è ancora rovente scoprendo un materiale metallico più duro del bronzo e più micidiale come arma”.
[da: F. De Carli – Vita dei metalli – Ed. Vallardi, 1956]

Sembra che gli Ittiti siano riusciti a mantenere per molto tempo il monopolio del ferro, fin a quando furono sopraffatti dagli Egiziani: a quel punto gli esperti siderurgisti si misero sul mercato e divulgarono la tecnica in varie direzioni (Fig. 1).

le vie del ferro in europa

Fig. 1 – Le vie del ferro: dal medio oriente all’Europa del nord

Il problema è che per produrre ferro dai suoi ossidi (gran parte dei minerali di ferro sono di questo tipo, altri sono solfuri che per trasformarli in ferro devono prima essere “arrostiti”, cioè ossidati) ed ottenere un prodotto utilizzabile servono temperature ben maggiori di quelle usate per il bronzo, ottenibili soltanto se si usa un combustibile adatto, il quale deve fornire una opportuna quantità di calore: il legno non basta, serve il “carbone di legna”, prodotto che si otteneva fino a poco tempo fa anche nelle nostre colline nelle vecchie “carbonaie”, bruciando legna senza contatto con aria (forse questa fu la via percorsa dagli Ittiti!). Ma il carbone da solo non basta: come fare per aumentare la quantità di calore disponibile, così da avvicinarsi alla temperatura di fusione di ciò che si sta producendo (notare che non ho scritto ferro, perché quel prodotto tale non è)? “Bisogna soffiare sul fuoco!”, si direbbe da noi. Cioè bisogna inventare il mantice. Non si sa se questa fu la soluzione usata dai primi siderurgisti, ma di certo fu adottata dai metallurgisti antichi, ad esempio quelli egiziani. Si sa che gli etruschi, ottimi metallurgisti che insegnarono la tecnica ai romani, usavano come mantici dei sacchi fatti con pelli di pecora: due mantici per ogni focolare, azionati da una persona con i piedi, prima uno poi l’altro! Questa pratica fu perfezionata soprattutto nel nordeuropea, ove veniva usato il “mantice a leva” (Fig. 2).

evoluzione del mantice

Fig. 2 – Evoluzione del mantice: li egiziani usavano doppi mantici a piede; per riscaldare crogioli più piccoli poteva bastare il doppio mantice a mano; il successivo uso di leve aiutava il lavoro del metallurgista e permetteva l’incremento della temperatura che era possibile raggiungere. (in parte da: W. Nicodemi, C. Mapelli: Archeometallurgia, Ed. AIM, 2009)

Quanto sopra avveniva ai primordi della tecnica siderurgica, ma è possibile fornire una spiegazione scientifica delle condizioni che è necessario produrre per ottenere ferro? Certamente, anche se per arrivarci bisogna aspettare molto tempo! Le ragioni si ritrovano in quella branca della scienza che si chiama “termochimica metallurgica”: una miscela intelligente di termodinamica e di chimica che ha avuto tra i suoi principali artefici Harold Ellingham, il quale nel 1944 pubblicò quei diagrammi che portano il suo nome. Il più importante dei “diagrammi di Ellingham” è quello relativo alla formazione degli ossidi degli elementi chimici (compresi quelli a carattere metallico), e, indirettamente, alla loro possibile riduzione: molto in metallurgia si basa sulla sua conoscenza, e quindi è necessario un suo approfondito esame.

 

 

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