Introdução à Química/Ferro: diferenças entre revisões

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Revisão das 17h36min de 30 de junho de 2005

O ferro ( do latim ferrum) é um elemento químico , símbolo Fe , de número atômico 26 (26 prótons e 26 elétrons ) e massa atómica 56 u. À temperatura ambiente, o ferro encontra-se no estado sólido. É extraído da natureza sob a forma de minério de ferro que, depois de passado para o estágio de ferro-gusa, através de processos de transformação, é usado na forma de lingotes. Adicionando-se carbono dá-se origem a várias formas de aço.

Este metal de transição é encontrado no grupo 8 ( 8B ) da Classificação Periódica dos Elementos. É o quarto elemento mais abundante da crosta terrestre (aproximadamente 5%) e, entre os metais, somente o alumínio é mais abundante.

É um dos elementos mais abundantes do Universo; o núcleo da Terra é formado principalmente por ferro e níquel ( NiFe ), gerando um campo magnético.

O ferro tem sido históricamente importante, e um período da história recebeu o nome de Idade do ferro.

O ferro, atualmente, é utilizado extensivamente para a produção de aço, liga metálica para a produção de ferramentas, máquinas, veículos de transporte ( automóveis, navios, etc ), como elemento estrutural de pontes, edificios, e infinidade de outras aplicações.

Características principais

É um metal maleável, tenaz, de coloração cinza prateado apresentando propriedades magnéticas; é ferromagnético a temperatura ambiente.

É encontrado na natureza fazendo parte da composição de diversos minerais, entre eles muitos óxidos e raramente é encontrado livre. Para obter-se ferro no estado elementar, os óxidos são reduzidos com carbono, e imediatamente são submetidos a um processo de refinação para retirar as impurezas presentes.

Fundamentalmente é empregado na produção de aços, que são ligas metálicas de ferro com outros elementos, tanto metálicos quanto não metálicos, que conferem propriedades distintas ao material. É considerada aço uma liga metálica de ferro que contém menos de 2% de carbono; se a percentagem é maior recebe a denominação de fundição.

É o elemento mais pesado que se produz exotérmicamente por fusão, e o mais leve produzido por fissão, devido ao fato de seu núcleo ter a mais alta energia de ligação por nucleon, que é a energia necessária para separar do núcleo um neutron ou um próton. Portanto, o núcleo mais estável é o do ferro-56.

Apresenta diferentes formas estruturais dependendo da temperatura:

Ferro α: É o que se encontra na temperatura ambiente, até os 788 ºC. O sistema cristalino é uma rede cúbica centrada no corpo e é ferromagnético.
Ferro β: 788 ºC - 910 ºC. Tem o mesmo sistema cristalino que o α, porém a temperatura de Curie é de 770 ºC, e passa a ser paramagnético.
Ferro γ: 910 ºC - 1400 ºC; apresenta uma rede cúbica centrada nas faces.
Ferro δ: 1400 ºC - 1539 ºC; volta a apresentar uma rede cúbica centrada no corpo.

Aplicações

O ferro é o metal mais usado, com 95% em peso da produção mundial de metal. É indispensável devido ao seu baixo preço e dureza , especialmente empregado em automóveis, barcos e componentes estruturais de edifícios. O aço é a liga metálica de ferro mais conhecida, sendo este o seu uso mais frequente. As ligas férreas apresentam uma grande variedade de propriedades mecânicas dependendo da sua composição e do tratamento que se tem aplicado.

Os aços são ligas metálicas de ferro e carbono com concentrações máximas de 2.2% em peso de carbono, aproximadamente. O carbono é o elemento de ligação principal, porém os aços contêm outros elementos. Dependendo do seu conteúdo em carbono são classificados em:
- Aço baixo em carbono. Contém menos de 0.25% de carbono em peso. São fracos porém dúcteis. São utilizados em veículos, tubulações, elementos estruturais e outros. Também existem os aços de alta resistência com baixa liga de carbono, entretanto, contêm outros elementos fazendo parte da composição, até uns 10% em peso; apresentam uma maior resistência mecânica e podem ser trabalhados facilmente.
- Aço médio em carbono. Entre 0.25% e 0.6% de carbono em peso. Para melhorar suas propriedades são tratados termicamente. São mais resistentes que os aços baixo em carbono, porém menos dúcteis, sendo empregados em peças de engenharia que requerem uma alta resistência mecânica e ao desgaste.
- Aço alto em carbono. Entre 0.60% e 1.4% de carbono em peso. São os mais resistentes, entretanto, os menos dúcteis. Adicionam-se outros elementos para que formem carbetos, por exemplo, formando o carbeto de wolfrâmio, WC, quando é adicionado à liga o wolfrâmio. Estes carbetos são mais duros, formando aços utilizados principalmente para a fabricação de ferramentas.

Um dos inconvenientes do ferro é que se oxida com facilidade. Existem uma série de aços aos quais se adicionam outros elementos ligantes, principalmente o cromo, para que se tornem mais resistentes à corrosão. São os chamados aços inoxidáveis.
Quando o conteúdo de carbono da liga é superior a 2.1% em peso, a liga metálica é denominada fundição. Estas ligas apresentam, em geral, entre 3% e 4.5% de carbono em peso. Existem diversos tipos de fundições: cinza, esferoidal, branca e maleável. Dependendo do tipo apresenta aplicações diferentes: em motores, válvulas, engrenagens e outras.
Por outro lado, os óxidos de ferro apresentam variadas aplicações: em pinturas, obtenção de ferro, e outras. A magnetita (Fe₃O₄) e o óxido de ferro III (Fe₂O₃) têm aplicações magnéticas.

História

(Veja também: Idade do Ferro)

Abundância e obtenção

É o metal de transição mais abundante da crosta terrestre, e quarto de todos os elementos. Também abunda no Universo, havendo-se encontrados meteoritos que contêm este elemento. O ferro é encontrado em numerosos minerais, destacando-se:

A hematita (Fe₂O₃), a magnetita (Fe₃O₄), a limonita (FeO(OH)), a siderita (FeCO₃), a pirita (FeS₂) e a ilmenita (FeTiO₃).

Pode-se obter o ferro a partir dos óxidos com maior ou menor teor de impurezas. Muitos dos minerais de ferro são óxidos.

A redução dos óxidos para a obtenção do ferro é efetuada em fornos denominados alto forno ou forno alto. Nele são adicionados os minerais de ferro, em presença de coque, e carbonato de cálcio, CaCO₃ , que atua como escorificante.

No alto forno ocorrem as seguintes reações:

Formação de gases (óxidos de carbono):

O coque reage com o oxigênio produzindo gás carbônico (dióxido de carbono):

C + O₂ → CO₂

O dióxido de carbono reduz-se formando monóxido de carbono:

CO₂ + C → 2CO

Num processo contrário, o monóxido pode oxidar-se com oxigênio reproduzindo o gás carbônico:

2CO + O₂ → 2CO₂

O processo de oxidação do coque com oxigênio libera energia. Na parte inferior do alto forno a temperatura pode alcançar 1900 ºC .

Redução dos minerais que são óxidos:

Inicialmente, os óxidos de ferro são reduzidos na parte superior do alto forno, parcial ou totalmente, com o monóxido de carbono, já produzindo ferro metálico. Exemplo: redução da magnetita:

Fe₃O₄ + 3CO → 3FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

Posteriormente, na parte inferior do alto forno, onde a temperatura é mais elevada, ocorre a maior parte da redução dos óxidos com o coque (carbono):

Fe₃O₄ + C → 3FeO + CO

O carbonato de calcio se decompoem:

CaCO₃ → CaO + CO₂

e o dióxido de carbono é reduzido com o coque a monóxido de carbono, como visto acima.

Na parte mais inferior do alto forno ocorre a carburação:

3Fe + 2CO → Fe₃C + CO₂

Processos de enriquecimento:

Finalmente ocorre a combustão e a desulfuração (eliminação do enxofre) devido à injeção de ar no alto forno, e por último são separadas as frações: a escória do ferro fundido, que é a matéria-prima empregada na indústria.

O ferro obtido pode conter muitas impurezas não desejáveis, sendo necessário submetê-lo a um processo de refinação que pode ser realizado em fornos chamados convertidores.

Em 2000, os cinco maiores países produtores de ferro eram a China, o Brasil, a Austrália, a Rússia e a Índia, com 70% da produção mundial.

Compostos

Ficheiro:180px-IronInRocksMakeRiverRed.jpg

Água com compostos de ferro

Os estados de oxidação mais comuns são +2 e +3. Os óxidos de ferro mais conhecidos são o óxido de ferro II, FeO, o óxido de ferro III, Fe₂O₃, e o óxido misto Fe₃O₄. Forma numerosos sais e complexos com estes mesmos estados de oxidação. O hexacianoferrato II de ferro III, usado em pinturas, é conhecido como azul da Prússia ou azul de Turnbull.
São conhecidos compostos de ferro com estados de oxidação +4, +5 e +6, porém são pouco comuns. No ferrato de potássio, K₂FeO₄, usado como oxidante , o ferro apresenta estado de oxidação +6. O estado de oxidação +4 é encontrados em poucos compostos e também em alguns processos enzimáticos.
O Fe₃C é conhecido como cementita, contém 6,67 % em carbono. O ferro α é conhecido como ferrita, e a mistura de ferrita e cementita é denominada perlita ou ledeburita, dependendo do teor de carbono. A austenita é o ferro γ.

Papel biológico

O ferro é praticamente encontrado em todos os seres vivos e cumpre numerosas e variadas funções.

Existem diferentes proteínas que contêm o grupo hemo, que consiste na ligação da porfirina com um átomo de ferro. Alguns exemplos:
- A hemoglobina e a mioglobina. A primeira transporta oxigênio, O₂, e a segunda o armazena.
- Os citocromos reduzem o oxigênio em água. Os citocromos P450 catalisam a oxidação de compostos hidrofóbicos, como fármacos ou drogas, para que possam ser excretados, e participam na síntese de diversas moléculas.
- As peroxidases e catalases catalisam a oxidação de peróxidos, H₂O₂, que são tóxicos.

Imagen:Ferredoxina_4Fe-4S.png
Exemplo de centro de uma proteína de Fe/S (ferredoxina)

As proteínas de ferro/enxofre (Fe/S) participam em processos de transferência de elétrons.
Também é possível encontrar proteínas onde os átomos de ferro se enlaçam entre si através de pontes de oxigênio. São denominadas proteínas Fe-O-Fe. Alguns exemplos:
- As bactérias metanotróficas, que usam o metano, CH₄, como fonte de energia e de carbono, usam proteínas deste tipo, chamadas monooxigenases, para catalisar a oxidação do metano.
- A hemeritrina transporta oxigênio em alguns organismos marinhos.
- Algumas ribonucleótideo redutases contêm ferro. Catalisam a formação de desoxinucleótideos.

Os animais para transportar o ferro dentro do corpo empregam proteínas chamadas transferrinas. Para armazená-lo empregam a ferritina e a hemosiderina. O ferro entra no organismo absorvido no intestino delgado e é transportado e armazenado por essas proteínas. A maior parte do ferro é reutilizada e um pouco é excretado.

Tanto o excesso como a deficiência de ferro podem causar problemas no organismo. O envenenamento por ferro é chamado de hemocromatose. Nas transfusões de sangue são usados ligantes que formam com o ferro complexos de alta estabilidade, evitando que ocorra uma queda demasiada de ferro livre. Estes ligantes são conhecidos como sideróforos. Muitos organismos empregam estes sideróforos para captar o ferro que necessitam. Também podem ser empregados como antibióticos, pois não permitem ferro livre disponível.