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Triade del ferro

  |   Chimica, Chimica Generale

La triade del ferro è costituita da tre elementi: ferro, cobalto e nichel che appartengono al quarto periodo della tavola periodica e hanno numeri atomici rispettivamente 26, 27 e 28.

Lo sviluppo della tavola periodica iniziò quando il chimico tedesco Johann Dobereiner (1780-1849) raggruppò gli elementi sulla base delle loro somiglianze. Egli individuò delle triadi costituite da tre elementi aventi proprietà chimiche simili. Nelle triadi   il peso atomico del secondo elemento è dato dalla semisomma del primo e del terzo elemento. Così ad esempio gli elementi calcio (peso atomico = 40) , stronzio (peso atomico = 88) e bario (peso atomico = 137) costituivano una triade: essi mostrano proprietà chimiche diverse ed inoltre la semisomma dei pesi atomici del primo e del terzo elemento ovvero 40 + 137/2 corrisponde a 88.5 che è all’incirca uguale al peso atomico dell’elemento centrale. Furono individuate altre triadi costituite rispettivamente dal litio, sodio e potassio e da cloro, bromo e iodio. Si noti che gli elementi che costituiscono tali triadi appartengono allo stesso gruppo della tavola periodica.

Tuttavia, a causa delle somiglianze sia delle caratteristiche chimiche che fisiche, anche elementi appartenenti allo stesso periodo possono essere classificati come costituenti di una triade.

Proprietà

La triade del ferro è costituita da elementi ferromagnetici che mostrano la caratteristica di magnetizzarsi sotto l’azione di un campo magnetico e, anche quando il campo si annulla, rimangono a lungo magnetizzati. Tale proprietà viene esibita solo quando ci si trova al di sotto di una certa temperatura detta temperatura di Curie al di sopra della quale l’elemento si comporta da paramagnetico. Le temperature di Curie del ferro, cobalto e nichel sono rispettivamente 768 °C, 1121 °C e 354 °C.

Gli elementi della triade del ferro sono comunemente usati, in combinazione con il carbonio, in alcuni tipi di leghe.

Ferro

Il ferro (Fe) è un metallo di transizione con peso atomico 55.845 e presenta numeri di ossidazione 2, 3, 4 e 6 di cui gli stati di ossidazione +2 e +3 sono i più comuni. E’ un elemento piuttosto comune e la sua abbondanza sulla crosta terrestre è del 6.3 %. A causa della sua reattività il ferro si trova raramente allo stato nativo mentre si trova nei minerali combinato con altri elementi.

Il ferro è utilizzato nelle  costruzioni edilizie, civili ed industriali, in macchine e macchinari e nell’arredamento. Il ferro è inoltre utilizzato in molte leghe metalliche tra cui la ghisa e l’acciaio spesso insieme ad altri elementi della triade. Nell’ambito  delle superleghe che hanno la caratteristica di conservare una buona resistenza meccanica e alla corrosione anche intorno ai 1200 °C e che hanno grande utilità in campo aeronautico e aerospaziale, il ferro, unito al nichel, altro elemento della triade forma una classe di superleghe usate in turbine a gas e a vapore come palette, dischi, alberi, involucri protettivi e in alcuni motori automobilistici come valvole.

Il ferro è essenziale per l’organismo ed infatti esso è presente nei quattro gruppi eme dell’emoglobina, nella ferritina, nella mioglobina, in alcuni enzimi e nella transferrina. E’ contenuto in molti cibi tra cui, in particolare, nel fegato di bovino, nei legumi secchi,  nelle uova e nella frutta secca.

Cobalto

Il cobalto (Co)  è un metallo di transizione con peso atomico 58.93 e si trova, nella tavola periodica tra ferro e nickel; presenta numeri di ossidazione  -1, 1, 2, 3, 4 e 5 e lo stato di ossidazione più stabile è +2. E’ un elemento poco comune e ha un’abbondanza sulla crosta terrestre di circa 0.0030%.

Il cobalto, come il ferro, è usato per ottenere leghe e superleghe. In particolare le superleghe al cobalto rivestono una particolare importanza per il loro vario utilizzo. La superlega cobalto-cromo-molibdeno fu  sviluppata già dagli anni ’30 e trovò dapprima utilizzo in campo odontoiatrico nell’ambito delle protesi scheletrate e successivamente, in particolare nel corso della Seconda Guerra Mondiale, nelle pale delle turbine aeree.

Le leghe al cobalto sono usate per le turbine a gas industriali e per i pigmenti in ceramiche e vetri commerciali e industriali e, recentemente, in dispositivi  impiantabili in campo medico.

Oltre a essere la base di molte leghe il cobalto è anche un elemento importante in altri materiali quali pigmenti delle vernici, carburi cementati e acciai da utensili.

Il cobalto, grazie alle sue proprietà ferromagnetiche è usato anche nel campo dell’elettronica, nei magneti e nei mezzi magnetici per la registrazione.

Nichel

Il nichel (Ni) è un metallo di transizione con peso atomico 58.69 93 e si trova, nella tavola periodica, dpo il cobalto; presenta numeri di ossidazione  1, 2 e 3 e lo stato di ossidazione più stabile è +2. Ha ha un’abbondanza sulla crosta terrestre di circa 0.0089 %.

Il nichel si impiega per ricoprire altri metalli a scopo protettivo e decorativo, nella fabbricazione di monete e, sotto forma di grani finissimi, insieme all’alluminio costituisce il Nichel Raney utilizzato quale catalizzatore in molte sintesi organiche tra cui l’idrogenazione degli alcheni.

Il nichel, come gli altri elementi della triade, è usato per ottenere leghe resistenti all’azione meccanica, alla corrosione e al calore.

Trova uso, nel campo della gioielleria, unitamente all’oro e allo zinco per l’ottenimento dell’oro bianco  e, insieme al rame e allo zinco per l’ottenimento dell’alpacca.

Il nichel è un costituente delle superleghe al nichel utilizzate nella realizzazione di componenti operanti ad alta temperatura e sottoposti ad intensi sforzi, come le turbine di motori a reazione di aeromobili e parti meccaniche di motori ad alte prestazioni.
La superlega al nichel è infatti dotata di una resistenza superiore, soprattutto alle elevate temperature e agli sforzi di elevata intensità.

Il nichel è inoltre molto malleabile e possiede un’elevata capacità di solubilizzare i metalli in lega qualità. Questa proprietà  aumenta sensibilmente le possibilità di utilizzo anche in settori strategici. Una delle superleghe più apprezzate è quella a base di nickel e cobalto, creata utilizzando una serie di leganti che hanno l’obiettivo di aumentarne la durezza o la resistenza alla corrosione.