Introdução à Química/Ferro

O ferro (do latim ferrum) é um elemento químico , símbolo Fe , de número atômico 26 (26 prótons e 26 elétrons) e massa atômica 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 Tabela Periódica. 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), e sua rotação gera o campo magnético terrestre.

O ferro tem sido historicamente 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 fundamental na produção de ferramentas, máquinas, veículos de transporte (automóveis, navios, etc), como elemento estrutural (de pontes, edifícios, etc), e infinidade de outras aplicações.

Características principais

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

Fundamentalmente é empregado na produção de aço, que é uma liga metálica de ferro com outros elementos, tanto metálicos quanto não metálicos, que conferem propriedades distintas ao material.

Apresenta diferentes formas estruturais dependendo da temperatura:

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

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 alto forno. 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 °C .

• 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 decompõe:

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.

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

• 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 encontrado em praticamente 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.
• 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.

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.