El ferro o ferre és l'element químic de símbol Fe i nombre atòmic 26. Es tracta d'un metall pertanyent a la primera sèrie de transició i el grup 8 de la taula periòdica. És el quart element més abundant a l'escorça terrestre pel que fa a la massa, just per davant de l'oxigen (32,1% contra 30,1%), i constitueix una part substancial del nucli extern i el nucli intern de la Terra. La major part del ferro natiu de l'escorça terrestre és d'origen meteorític.
Per extreure metall aprofitable de menes de ferro, calen forns que arribin com a mínim a 1.500 °C, és a dir, uns 500 °C més del que cal per a la fosa del coure. Els éssers humans començaren a dominar aquesta tècnica a l'Euràsia del II mil·lenni aC. A partir d'aleshores, les eines i les armes de ferro anaren substituint els aliatges de coure, fet que marca la transició entre l'edat de bronze i l'edat de ferro. En algunes parts del món, aquest esdeveniment es produí en temps més aviat recents, cap al 1200 aC. Modernament, les propietats mecàniques i el baix cost del ferro (95 € de mitjana per tona de mineral el 2025, menys que qualsevol altre metall) han fet que els seus aliatges, com ara l'acer, l'acer inoxidable, el ferro colat i l'acer aliat, siguin els metalls industrials més comuns amb diferència. La indústria fèrrica i siderúrgica és una peça clau de l'economia.
Les superfícies de ferro netes i llises són de color gris argentat i recorden un mirall. El ferro reacciona fàcilment amb l'oxigen i l'aigua, cosa que genera òxids de ferro hidratats de color marró a negre que en llenguatge planer es coneixen com a rovell. A diferència dels òxids de determinats altres metalls, que formen capes de passivació, el rovell és més voluminós que el metall i, per tant, se'n desprèn i exposa noves superfícies a la corrosió. Els seus estats d'oxidació més comuns són el ferro(II) i el ferro(III). El ferro comparteix nombroses propietats amb altres metalls de transició, incloent-hi dos altres elements del grup 8, el ruteni i l'osmi. Forma compostos en un ampli ventall d'estats d'oxidació, des de −4 fins a +7. Així mateix, forma molts complexos de coordinació, alguns dels quals —com el ferrocè, el ferrioxalat i el blau de Prússia— tenen aplicacions importants en la indústria, la recerca i la medicina.
Propietats fisicoquímiques És un metall mal·leable, tenaç, de color gris argentat i presenta propietats magnètiques; és ferromagnètic a temperatura ambient.
Es troba en la naturalesa formant part de nombrosos minerals, molts dels quals són òxids, i rarament es troba lliure. Per a obtenir ferro en estat elemental, els òxids es redueixen amb carboni i després és sotmès a un procés de refinat per a eliminar les impureses presents. L'òxid més abundant és l'òxid de ferro III, de fórmula Fe₂O₃.
Fonamentalment s'empra en la producció d'acers, consistents en aliatges de ferro amb altres elements, tant metàl·lics com no metàl·lics, que confereixen distintes propietats al material. Es considera que un aliatge de ferro és acer si conté un 0.008% i un 2,1% de carboni; si el percentatge és entre un 2,1% i un 6,67%, rep el nom de fosa.
És l'element més pesant que es produeix exotèrmicament per fusió, i el més lleuger que es produeix a través d'una fissió, pel fet que el seu nucli té la més alta energia d'enllaç per nucleó (energia necessària per a separar del nucli un neutró o un protó); per tant, el nucli més estable és el del ferro-56.
Presenta diferents formes estructurals depenent de la temperatura: Ferro α: És la que es troba a temperatura ambient; fins als 788 °C. El sistema cristal·lí és una xarxa cúbica centrada en el cos i és ferromagnètic. Ferro β: 788 °C - 910 °C; té el mateix sistema cristal·lí que la α, però la temperatura de Curie és de 770 °C, i per sobre passa a ser paramagnètic. Ferro γ: 910 °C - 1400 °C; presenta una xarxa cúbica centrada en les cares. Ferro δ: 1400 °C - 1539 °C; torna a presentar una xarxa cúbica centrada en el cos.
Ocurrència a la natura esquerra|miniatura|L'aparença vermella d'aquesta aigua és deguda a l'ió fèrric Fe3+ de les roques. El ferro és el sisè element químic més abundant a l'Univers, format en l'acte final de la nucleosíntesi, pel procés de fusió del silici. Si bé representa aproximadament un 5% de l'escorça terrestre, es creu que el nucli de la Terra està format per un aliatge de ferro-níquel, constituint un 35% del total de la massa de la Terra. El ferro és conseqüentment l'element més abundant a la Terra, però només el quart element més abundant a l'escorça. Gran part del ferro es troba combinat amb oxigen com a minerals d'òxid de ferro, com l'hematites i la magnetita.
Un de cada vint meteorits estan formats per mineral de níquel-ferro: taenita (35-80% de ferro) i kamacita (90-95% de ferro). Encara que rar, els meteorits fèrrics són la forma essencial de ferro metàl·lic natural a la superfície de la Terra.
El color vermell de la superfície de Mart es pensa que és a causa d'un ferro ric en òxid.
Aplicacions El ferro és el metall més utilitzat al món: representa prop del 95 % de tota la producció metàl·lica (1.904 Mt d’acer el 2023, davant uns 120 Mt dels principals metalls no fèrrics).
És molt popular a causa del seu baix preu i duresa, especialment en automòbils, vaixells i components estructurals d'edificis.
El diagrama de fases ferro-carboni caracteritza els acers i les foses. Fins a un valor del 2,1% de carboni en pes es troben els acers. Entre un 2,1% i un 6,67% de carboni, les foses. Aquest valor de 2,1% correspon a la solubilitat màxima del carboni en ferro, que es troba a la fase γ o austenita, i que es troba a una temperatura de 1146 °C.Diverses fonts no coincideixen en aquest valor, que ha estat arrodonit al 2,1%, ja que el valor exacte és una qüestió acadèmica degut a la dificultat d'obtenir acer pur amb només Fe i C. De totes formes, cal desmitificar el clàssic 1,76% erroni d'alguns texts. Vegeu: Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006). Foundations of Materials Science and Engineering (4th ed.). McGraw-Hill. , p. 363—2,08%. Degarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003). Materials and Processes in Manufacturing (9th ed.). Wiley. . p. 75 —2,11%. Ashby, Michael F.; Jones, David Rayner Hunkin (1992). An introduction to microstructures, processing and design. Butterworth-Heinemann. —2,14%. miniatura|esquerra|Estructures de xarxa per a la ferrita i l'austenita L'austenita és una solució intersticial de carboni en ferro amb estructura de xarxa cúbica centrada en les cares (CCC). La fase α o ferrita té una solubilitat del carboni molt més baixa: un 0,02% a 723 °C. La ferrita té una estructura de xarxa cúbica centrada en el cos (CC).
Al domini dels acers trobem un punt eutectoide per a una concentració de carboni del 0,77% i una temperatura de 723 °C. Pels acers hipoeutectoides, l'excés de carboni dissolt a la fase γ es combina amb el ferro creant perlita. Pels acers hipereutectoides, a més de la perlita, es necessita per absorbir aquest carboni la ledeburita, que porta un 4,5% de carboni i és un aliatge eutèctic d'austenita i cementita (Fe₃C).
L'acer és l'aliatge de ferro més conegut, sent aquest el seu ús més freqüent. Els aliatges ferris presenten una gran varietat de propietats mecàniques, depenent de la seva composició o el tractament que s'hagi dut a terme. esquerra|miniatura|Diagrama ferro-carboni. Els acers són aliatges de ferro i carboni, així com altres elements. Depenent del seu contingut en carboni es classifiquen en: Acer baix en carboni. Menys del 0,25% de C en pes. Són tous però dúctils. S'utilitzen en vehicles, canonades, elements estructurals, etcètera. També hi ha els acers d'alta resistència i baix aliatge, que contenen altres elements aliats fins a un 10% en pes; tenen una major resistència mecànica i poden ser treballats fàcilment. Acer mitjà en carboni. Entre un 0,25% i un 0,6% de C en pes. Per a millorar les seves propietats són tractats tèrmicament. Són més resistents que els acers baixos en carboni, però menys dúctils; s'empren en peces d'enginyeria que requereixen una alta resistència mecànica i al desgast. Acer alt en carboni. Entre un 0,60% i un 1,4% de C en pes. Són encara més resistents, però també menys dúctils. S'afegeixen altres elements perquè formen carburs, per exemple, amb wolframi es forma el carbur de wolframi, WC; aquests carburs són molt durs. Aquests acers s'empren principalment en la fabricació d'eines. Un dels inconvenients del ferro és que s'oxida amb facilitat. Hi ha una sèrie d'acers als quals s'afegeixen altres elements aliats (principalment crom) perquè siguin més resistents a la corrosió, s'anomenen acers inoxidables. Quan el contingut en carboni és superior a un 2,1% en pes, l'aliatge es denomina fosa. Generalment tenen entre un 3% i un 4,5% de C en pes. Hi ha distints tipus de foses (gris, esferoïdal, blanca i mal·leable); segons el tipus s'utilitzen per a distintes aplicacions: en motors, vàlvules, engranatges, etcètera. Per altra banda, els òxids de ferro tenen moltes aplicacions: en pintures, obtenció de ferro, la magnetita (Fe₃O₄) i l'òxid de ferro III en aplicacions magnètiques, etcètera.
Compostos miniatura|esquerra|Mena de ferro, en una empresa siderúrgica de fabricació d'acer Els estats d'oxidació del ferro són; L'estat Ferro (-II), Fe2- (p. ex. Fe(CO)₄2-,Fe(CO)₂(NO)₂. L'estat Ferro (0), Fe(CO)₅, Fe(PF₃)₅. L'estat Ferro (I), [Fe(H₂O)₅NO]2+. L'estat Ferro (II), Fe2+, anteriorment conegut com a ferrós, és molt comú. L'estat Ferro (III), Fe3+, anteriorment conegut com a fèrric, és també molt comú, per exemple en el rovell. L'estat Ferro (IV), Fe4+, anteriorment conegut com a ferril, estabilitzat en alguns enzims (p. ex. peroxidases). L'estat Ferro (VI), Fe6+ es troba rarament, en el ferrat potàssic.
Els òxids de ferro més coneguts són l'òxid de ferro (II), FeO, l'òxid de ferro (III), Fe₂O₃, i l'òxid mixt Fe₃O₄. Forma així mateix nombroses sals i complexos en aquests estats d'oxidació. L'hexacianoferrat (II) de ferro (III), utilitzat en pintures, s'ha denominat blau de Prússia o blau de Turnbull; es pensava que eren substàncies diferents.
miniatura|Oxidació del ferro Es coneixen compostos en l'estat d'oxidació +4, +5 i +6, però són poc comuns, i en el cas del +5, no està ben caracteritzat. El ferrat de potassi, K₂FeO₄, en el qual el ferro està en estat d'oxidació +6, s'empra com a oxidant. L'estat d'oxidació +4 es troba en uns pocs compostos i també en alguns processos enzimàtics.
El Fe₃C es coneix com a cementita, conté un 6,67% en carboni, el ferro α és conegut com a ferrita, i a la mescla de ferrita i cementita, perlita o ledeburita depenent del contingut en carboni. L'austenita és el ferro γ.
Història Es tenen indicis d'ús del ferro, segurament procedent de meteorits, quatre mil·lennis abans de Crist, per part dels sumeris i egipcis.
miniatura|esquerra|Destral de l'edat del ferro trobada a Suècia Entre dos i tres mil·lennis abans de Crist van apareixent cada vegada més objectes de ferro (que es distingeix del ferro procedent de meteorits per l'absència de níquel) a Mesopotàmia, Anatòlia i Egipte. No obstant això, el seu ús sembla cerimonial, sent un metall molt car, més que l'or. Algunes fonts suggereixen que tal vegada es va obtenir com subproducte de l'obtenció de coure. Entre el 1600 aC i el 1200 aC, va augmentar el seu ús a l'Orient Mitjà, però no substitueix a l'ús predominant del bronze.