FERRO

Ferro

Nota: Esta página é sobre o elemento químico. Se procura outros significados da mesma expressão, consulte Ferro (desambiguação).

Manganês - Ferro - Cobalto Fe Ru Tabela periódica
Geral
Nome, símbolo, número	Ferro, Fe, 26
Classe , série química	Metal , transição
Grupo, período, bloco	8 ( 8 B ), 4 , d
Densidade, dureza	7874 kg/m3, 4.0
Cor e aparência	Metálico brilhante com tons acinzentados
Propriedades atómicas
Massa atómica	55.845 u
Raio atómico (calculado)	140 (156) picómetro
Raio covalente	125 pm
Raio de van der Waals	nenhma informação
Configuração electrónica	Ar3d64s2
Elétrons por nível de energia	2, 8, 14, 2
Estados de oxidação (óxido)	2,3,4,6 ( anfótero)
Estrutura cristalina	Cúbica centrado no corpo
Propriedades físicas
Estado da matéria	sólido , (ferromagnético)
Ponto de fusão	1808 K (2795 °F)
Ponto de ebulição	3023 K (4982 °F)
Volume molar	7.09 ×10-6 m3/mol
Entalpia de vaporização	349.6 kJ/mol
Entalpia de fusão	13.8 kJ/mol
Pressão de vapor	7.05 Pa at 1808 K
Velocidade do som	4910 m/s at 293.15 K
Informações diversas
Eletronegatividade	1.83 (Escala de Pauling)
Capacidade calorífica	440 J/(kg*K)
Condutividade elétrica	9.93 106/m ohm
Condutividade térmica	80.2 W/(m*K)
1º Potencial de ionização	762.5 kJ/mol
2º Potencial de ionização	1561.9 kJ/mol
3º Potencial de ionização	2957 kJ/mol
4º Potencial de ionização	5290 kJ/mol
Isótopos mais estáveis
iso AN Meia-vida MD ED MeV PD 54Fe 5.8% Fe é isótopo estável com 28 neutrons 55Fe 2.73 y captura eletrônica ( e ) 0.231 55Mn 56Fe 91.72% Fe é isótopo estável com 30 neutrons 57Fe 2.2% Fe é isótopo estável com 31 neutrons 58Fe 0.28% Fe é isótopo estável com 32 neutrons 59Fe 44.503 d ß 1.565 59Co 60Fe 1.5E6 y ß- 3.978 60Co
unidades SI e CNPT excepto onde indicado

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). Este ferro está em uma temperatura muito acima da temperatura de Curie do ferro, dessa forma, o núcleo da Terra não é ferromagnético.

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

O ferro, actualmente, 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 uma infinidade de outras aplicações.

Ferro

É um metal maleável, tenaz, de coloração cinza prateado apresentando propriedades magnéticas; é ferromagnético a temperatura ambiente, assim como o Níquel e o Cobalto.

É encontrado na natureza fazendo parte da composição de diversos minerais, entre eles muitos óxidos, como o FeO (óxido de ferro II, ou óxido ferroso) ou como Fe₂O₃ (óxido de ferro III, ou óxido férrico). Os números que acompanham o íon ferro diz respeito aos estados de oxidação apresentados pelo ferro, que são +2 e +3, e é raramente 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.

É o elemento mais pesado que se produz exotermicamente 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 a: 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 ß: 788 ºC - 910 ºC. Tem o mesmo sistema cristalino que o a, porém a temperatura de Curie é de 770 ºC, e passa a ser paramagnético.
• Ferro ?: 910 ºC - 1400 ºC; apresenta uma rede cúbica centrada nas faces.
• Ferro d: 1400 ºC - 1539 ºC; volta a apresentar uma rede cúbica centrada no corpo.

Aplicações

Ponte pensil de aço (Golden Gate, São Francisco, EUA)

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. Os aços 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 ferro fundido.

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 frágis 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 tungstênio, 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 ferro fundido. Estas ligas apresentam, em geral, entre 3% e 4.5% de carbono em peso. Existem diversos tipos de ferros fundidos: cinzento, esferoidal, branco 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

Peça de ferro da Idade do Ferro

Tem-se indícios do uso de ferro, seguramente procedente de meteoritos, quatro milênios a.C., pelos sumérios e egípcios.

Entre dois e três milênios antes de Cristo foram aparecendo cada vez mais objetos de ferro (que se distingue do ferro proveniente dos meteoritos pela ausência de níquel) na Mesopotâmia, Anatólia e Egito. Entretanto, seu uso parece ser cerimonial, por ter sido um metal muito caro, mais que o ouro. Algumas fontes sugerem que talvez era obtido como subproduto da obtenção do cobre. Entre 1600 e 1200 a.C., observa-se um aumento do seu uso no Oriente Médio, porém não foi usado para substituir o bronze.

Entre os séculos XII e X antes de Cristo, ocorreu uma rápida transição no Oriente Médio na substituição das armas de bronze para as de ferro. Esta rápida transição talvez tenha ocorrido devido a uma escassez de estanho , e devido a uma melhoria na tecnologia em trabalhar com o ferro. Este período, que ocorreu em diferentes ocasiões segundo o lugar, denominou-se Idade do ferro, substituindo a Idade do bronze. Na Grécia iniciou-se em torno do ano 1000 a.C., e não chegou à Europa ocidental antes do século VII a.C.. A substituição do bronze pelo ferro foi paulatina, pois era difícil produzir peças de ferro: localizar o mineral, extraí-lo, proceder a sua fundição a temperaturas altas e depois forjá-lo.

Na Europa central, surgiu no século IX a.C. a "cultura de Hallstatt" substituindo a "cultura dos campos de urnas", que se denominou "Primeira Idade do Ferro", pois coincide com a introdução do uso deste metal. Aproximando-se do ano 450 a.C., ocorreu o desenvolvimento da "cultura da Tène", também denominada "Segunda Idade do Ferro". O ferro era usado em ferramentas, armas e jóias, embora segue-se encontrando objetos de bronze.

Junto com esta transição de bronze ao ferro descobriu-se o processo de "carburação", que consiste em adicionar carbono ao ferro. O ferro era obtido misturado com a escória contendo carbono ou carbetos, e era forjado retirando-se a escória e oxidando o carbono, criando-se assim o produto já com uma forma. Este ferro continha uma quantidade de carbono muito baixa, não sendo possível endurecê-lo com facilidade ao esfriá-lo em água. Observou-se que se podia obter um produto muito mais resistente aquecendo a peça de ferro forjado num leito de carvão vegetal, para então submergi-lo na água ou óleo. O produto resultante, apresentando uma camada superficial de aço, era menos duro e mais frágil que o bronze.

Na China, o primeiro ferro utilizado também era proveniente dos meteoritos. Foram encontrados objetos de ferro forjado no noroeste, perto de Xinjiang, do século VIII a.C.. O procedimento utilizado não era o mesmo que o usado no Oriente Médio e na Europa.

Nos últimos anos da Dinastia Zhou (550 a.C.), na China, se conseguiu obter um produto resultante da fusão do ferro (ferro fundido). O mineral encontrado ali apresentava um alto conteúdo de fósforo, com o qual era fundido em temperaturas menores que as aplicadas na Europa e outros lugares. Todavia, durante muito tempo, até a Dinastía Qing (aos 221 a.C.), o processo teve uma grande repercussão.

O ferro fundido levou mais tempo para ser obtido na Europa, pois não se conseguia a temperatura necessária. Algumas das primeiras amostras foram encontradas na Suécia, em Lapphyttan e Vinarhyttan, de 1150 a 1350 d.C.

Na Idade Média, e até finais do século XIX, muitos países europeus empregavam como método siderúrgico a "farga catalana". Se obtinha ferro e aço de baixo carbono empregando-se carvão vegetal e o minério de ferro. Este sistema já estava implantado no século XV, conseguindo-se obter temperaturas de até 1200 ºC. Este procedimento foi substituído pelo emprego de altos fornos.

No princípio se usava carvão vegetal para a obtenção de ferro como fonte de calor e como agente redutor. No século XVIII, na Inglaterra, o carvão vegetal começou a escassear e tornar-se caro, iniciando-se a utilização do coque, um combustível fóssil, como alternativa. Foi utilizado pela primeira vez por Abraham Darby, no ínício do século XVIII, construindo em Coalbrookdale um "alto forno". Mesmo assim, o coque só foi empregado como fonte de energia na Revolução industrial. Neste período a demanda foi se tornando cada vez maior devido a sua utilização, como por exemplo, em estradas de ferro.

O alto forno foi evoluindo ao longo dos anos. Henry Cort, em 1784, aplicou novas técnicas que melhoraram a produção. Em 1826 o alemão Friedrich Harkot construiu um alto forno sin mampostería para humos.

Em finais do século XVIII e início do século XIX começou-se a empregar amplamente o ferro como elemento estrutural em pontes, edifícios e outros. Entre 1776 e 1779 se construiu a primeira ponte de ferro fundido por John Wilkinson e Abraham Darby. Na Inglaterra foi empregado pela primeira vez o ferro na construção de edifícios por Mathew Boulton e James Watt, no princípio do século XIX. Também são conhecidas outras obras deste século, como por exemplo, o "Palácio de Cristal" construído para a Exposição Universal de 1851 em Londres, do arquiteto Joseph Paxton, que tem uma armação de ferro, ou a Torre Eiffel, em Paris, construída em 1889 para a Exposição Universal, onde foram utilizadas milhares de toneladas de 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 2004, os cinco maiores países produtores de ferro eram a China, o Brasil, a Austrália, a Índia e a Rússia, com 74% da produção mundial¹.

Compostos

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 a 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 ?.

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. A hemoglobina localiza-se no sangue e, pelo fato de ter átomos de ferro, a cor do sangue é vermelha.
  • 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. 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.

Isótopos

O ferro tem quatro isótopos estáveis naturais: ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe e ⁵⁸Fe. As proporções relativas destes isótopos na natureza são aproximadamente: ⁵⁴Fe ( 5,8% ), ⁵⁶Fe ( 91,7% ), ⁵⁷Fe (2,2%) e ⁵⁸Fe ( 0,3% ).

Precauções

O ferro em excesso é tóxico. O ferro reage com peróxido produzindo radicais livres. A reação mais importante é:

Fe (II) + H₂O₂ ? Fe (III) + OH^- + OH^·

Porém esta mesma reação pode ter aplicação científica e industrial, na chamada Reação de Fenton.

Quando o ferro se encontra nos níveis normais, os mecanismos antioxidadantes do organismo podem controlar este processo.

A dose letal de ferro em crianças de 2 anos é de 3 gramas. 1 grama pode provocar um envenenamento importante.

O envenenamento por ferro é denominado hemocromatose. O ferro em exceso se acumula no fígado provocando danos neste órgão.

Ver também

• Corrosão
• Idade do Ferro
• Pelotização

Notas

Ligações externas

• Alto horno
• WebElements.com - Iron
• EnvironmentalChemistry.com - Iron
• It's Elemental - Iron
• Los Alamos National Laboratory - Iron

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