Ferro (elemento): características, estrutura química, usos - Ciência - 2023

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o ferro é um metal de transição que pertence ao grupo 8 ou VIIIB da tabela periódica e é representado pelo símbolo químico Fe. É um metal acinzentado, dúctil, maleável e altamente tenaz, utilizado em inúmeras aplicações de grande utilidade para o homem e a mulher. sociedade.

Constitui 5% da crosta terrestre e é também o segundo metal mais abundante depois do alumínio. Além disso, sua abundância é superada por oxigênio e silício. No entanto, com relação ao núcleo da Terra, 35% dele é composto de ferro metálico e líquido.

Fora do núcleo da Terra, o ferro não está na forma metálica, pois é rapidamente oxidado quando exposto ao ar úmido. Ele está localizado em rochas basálticas, sedimentos carboníferos e meteoritos; geralmente ligado ao níquel, como no mineral kamacita.

Os principais minerais de ferro utilizados para sua mineração são os seguintes: hematita (óxido férrico, Fe₂OU₃), magnetita (óxido ferroférrico, Fe₃OU₄), limonita (hidróxido de óxido ferroso hidratado, [FeO (OH) · nH₂O]), e siderita (carbonato de ferro, FeCO₃).

Em média, o homem possui um teor de 4,5 g de ferro, dos quais 65% estão na forma de hemoglobina. Essa proteína intervém no transporte do oxigênio no sangue e na sua distribuição aos diferentes tecidos, para sua posterior captação pela mioglobina e neuroglobina.

Apesar dos muitos benefícios do ferro para os humanos, o excesso de metal pode ter ações tóxicas muito graves, especialmente no fígado, no sistema cardiovascular e no pâncreas; é o caso da hemocromatia da doença hereditária.

Ferro é sinônimo de construção, força e guerras. Por outro lado, pela sua abundância, é sempre uma alternativa a considerar no desenvolvimento de novos materiais, catalisadores, fármacos ou polímeros; E apesar da cor vermelha da ferrugem, é um metal ecologicamente correto.

História

Antiguidade

O ferro é processado há milênios. Porém, é difícil encontrar objetos de ferro tão antigos devido à sua suscetibilidade à corrosão, o que causa sua destruição. Os mais antigos objetos de ferro conhecidos foram feitos a partir dos encontrados em meteoritos.

É o caso de uma espécie de contas feitas em 3500 aC, encontradas em Gerzah, no Egito, e de uma adaga encontrada na tumba de Tutancâmon. Os meteoritos de ferro são caracterizados por um alto teor de níquel, razão pela qual sua origem pode ser identificada nesses objetos.

Evidências de ferro fundido também foram encontradas em Asmar, Mesopotâmia, e Tail Chagar Bazaar, na Síria, entre 3.000 e 2.700 aC. Embora a fundição do ferro tenha começado na Idade do Bronze, levou séculos para deslocar o bronze.

Além disso, artefatos de ferro fundido foram encontrados na Índia, de 1800 a 1200 aC. e no Levante, cerca de 1500 a.C. Pensa-se que a Idade do Ferro teve início no ano 1000 aC, quando o custo de sua produção foi reduzido.

Aparece na China entre 700 e 500 aC, provavelmente transportado pela Ásia Central. Os primeiros objetos de ferro foram encontrados em Luhe Jiangsu, na China.

Europa

O ferro forjado era produzido na Europa com o uso das chamadas forjas de gala. O processo exigia o uso de carvão como combustível.

Os altos-fornos medievais tinham 3,0 m de altura, feitos de tijolos à prova de fogo, e o ar era fornecido por foles manuais. Em 1709, Abraham Darby estabeleceu um alto-forno de coque para produzir ferro fundido, substituindo o carvão vegetal.

A disponibilidade de ferro barato foi um dos fatores que levaram à Revolução Industrial. Nesse período teve início o refino do ferro-gusa em ferro forjado, que servia para construir pontes, navios, armazéns, etc.

Aço

O aço usa uma concentração de carbono mais alta do que o ferro forjado. O aço foi produzido no Luristão, na Pérsia, em 1000 aC. Na Revolução Industrial, novos métodos foram concebidos para produzir barras de ferro sem carbono, que mais tarde foram usadas para produzir aço.

No final da década de 1850, Henry Bessemer inventou o sopro de ar no ferro-gusa fundido para produzir aço macio, o que tornava a produção de aço mais econômica. Isso resultou em uma diminuição na produção de ferro forjado.

Propriedades

Aparência

Brilho metálico com matiz acinzentado.

Peso atômico

55.845 u.

Número atômico (Z)

Ponto de fusão

1.533 ºC

Ponto de ebulição

2.862 ºC

Densidade

-Temperatura ambiente: 7,874 g / mL.

-Ponto de fusão (líquido): 6,980 g / mL.

Calor de fusão

13,81 kJ / mol

Calor da vaporização

340 kJ / mol

Capacidade calórica molar

25,10 J / (mol K)

Energia de ionização

- Primeiro nível de ionização: 762,5 kJ / mol (Fe⁺ gasoso)

-Segundo nível de ionização: 1.561,9 kJ / mol (Fe²⁺ gasoso)

- Terceiro nível de ionização: 2,957, kJ / mol (Fe³⁺ gasoso)

Eletro-negatividade

1,83 na escala de Pauling

Rádio atômico

Empírico 126 pm

Condutividade térmica

80,4 W / (m K)

Resistividade elétrica

96,1 Ω · m (a 20 ºC)

Ponto Curie

770 ° C, aproximadamente. Nessa temperatura, o ferro não é mais ferromagnético.

Isótopos

Isótopos estáveis: ⁵⁴Fé, com abundância de 5,85%; ⁵⁶Fe, com abundância de 91,75%; ⁵⁷Fe, com abundância de 2,12%; Y ⁵⁷Fe, com abundância de 0,28%. Sendo o ⁵⁶Fe é o isótopo mais estável e abundante, não é surpreendente que o peso atômico do ferro seja muito próximo a 56 u.

Enquanto os isótopos radioativos são: ⁵⁵Fé, ⁵⁹Fé e ⁶⁰Fé.

Estrutura e configuração eletrônica

-Allropes

O ferro à temperatura ambiente cristaliza na estrutura cúbica centrada no corpo (bcc), também conhecida como α-Fe ou ferrita (no jargão metalúrgico). Uma vez que pode adotar diferentes estruturas cristalinas dependendo da temperatura e pressão, o ferro é considerado um metal alotrópico.

O alótropo bcc é o ferro comum (ferromagnético), aquele que as pessoas tão bem conhecem e que é atraído por ímãs. Quando aquecido acima de 771 ºC, torna-se paramagnético e, embora seu cristal apenas se expanda, essa “nova fase” era anteriormente considerada β-Fe. Os outros alótropos do ferro também são paramagnéticos.

Entre 910ºC e 1394ºC, o ferro é encontrado como austenita ou alótropo γ-Fe, cuja estrutura é cúbica de face centrada, fcc. A conversão entre austenita e ferrita tem um grande impacto na produção de aço; uma vez que os átomos de carbono são mais solúveis na austenita do que na ferrita.

E então, acima de 1394 ºC até seu ponto de fusão (1538 ºC), o ferro volta a adotar a estrutura bcc, δ-Fe; mas, ao contrário da ferrita, esse alótropo é paramagnético.

Ferro épsilon

Ao aumentar a pressão para 10 GPa, a uma temperatura de algumas centenas de graus Celsius, o alótropo α ou ferrita evolui para o alótropo ε, épsilon, caracterizado por cristalizar em uma estrutura hexagonal compacta; ou seja, com os átomos de Fe mais compactos. Esta é a quarta forma alotrópica de ferro.

Alguns estudos teorizam sobre a possível existência de outros alótropos de ferro sob tais pressões, mas em temperaturas ainda mais elevadas.

-Link de metal

Independentemente do alótropo do ferro e da temperatura que "sacode" seus átomos de Fe, ou a pressão que os compacta, eles interagem entre si com os mesmos elétrons de valência; São, os apresentados em sua configuração eletrônica:

[Ar] 3d⁶ 4s²

Portanto, há oito elétrons que participam da ligação metálica, seja ela enfraquecida ou fortalecida durante as transições alotrópicas. Da mesma forma, são esses oito elétrons que definem as propriedades do ferro, como sua condutividade térmica ou elétrica.

- Números de oxidação

Os números de oxidação mais importantes (e comuns) para o ferro são +2 (Fe²⁺) e o +3 (Fe³⁺) Na verdade, a nomenclatura convencional considera apenas esses dois números ou estados. No entanto, existem compostos onde o ferro pode ganhar ou perder outro número de elétrons; ou seja, a existência de outros cátions é assumida.

Por exemplo, o ferro também pode ter números de oxidação de +1 (Fe⁺), +4 (Fe⁴⁺), +5 (Fe⁵⁺), +6 (Fe⁶⁺) e +7 (Fe⁷⁺) A espécie aniônica ferrato, FeO₄^2-, tem ferro com um número de oxidação de +6, uma vez que os quatro átomos de oxigênio o oxidaram a tal ponto.

Da mesma forma, o ferro pode ter números de oxidação negativos; como: -4 (Fe^4-), -2 (Fe^2-) e -1 (Fe^–) No entanto, compostos com centros de ferro com esses ganhos de elétrons são muito raros. Por isso, embora supere o manganês nesse aspecto, este último forma compostos muito mais estáveis com sua gama de estados de oxidação.

O resultado, para fins práticos, considere apenas o Fe²⁺ o Fé³⁺; os outros cátions são reservados para íons ou compostos um tanto específicos.

Como é obtido?

Recolha de matérias-primas

É necessário proceder à localização dos minérios dos minerais mais adequados para a mineração de ferro. Os minerais mais utilizados para a sua obtenção são os seguintes: hematite (Fe₂OU₃), magnetita (Fe₃OU₄) limonita (FeO · OH · nH₂O) e siderita (FeCO₃).

Então, o primeiro passo da extração é coletar as rochas com o minério de ferro. Essas rochas são esmagadas para quebrá-las em pequenos pedaços. Posteriormente, há uma fase de seleção dos fragmentos das rochas com minério de ferro.

Duas estratégias são seguidas na seleção: uso de um campo magnético e sedimentação na água. Os fragmentos de rocha são submetidos a um campo magnético e os fragmentos minerais são nele orientados, podendo ser separados.

No segundo método, os fragmentos rochosos são despejados na água e os que contêm ferro, por serem mais pesados, depositam-se no fundo da água, deixando a ganga na parte superior por ser mais leve.

Forno alto

Os minérios de ferro são transportados para altos-fornos, onde são despejados junto com o carvão coqueificável, que tem o papel de combustível e fornecedor de carbono. Além disso, é adicionado calcário ou calcário, que cumpre a função de fluxo.

O ar quente à temperatura de 1.000 ºC é injetado no alto-forno, com a mistura anterior. O ferro é derretido pela combustão do carvão, que leva a temperatura a 1.800 ºC. Uma vez líquido, é denominado ferro-gusa, que se acumula no fundo do forno.

O ferro-gusa é retirado da fornalha e colocado em recipientes para ser transportado para uma nova fundição; enquanto a escória, impureza localizada na superfície do ferro-gusa, é descartada.

O ferro-gusa é despejado por meio de conchas em um forno conversor, junto com o calcário como fundente, e o oxigênio é introduzido em altas temperaturas. Com isso, o teor de carbono é reduzido, refinando o ferro-gusa para transformá-lo em aço.

Posteriormente, o aço passa por fornos elétricos para a produção de aços especiais.

Formulários

-Ferro metálico

Por se tratar de um metal de baixo custo de produção, maleável, dúctil e resistente à corrosão, tornou-se o metal mais útil para o homem, em suas diferentes formas: forjado, fundido e aço de diversos tipos.

O ferro é usado para a construção de:

-Bridges

- Noções básicas para edifícios

-Portas e janelas

- Cascos de barco

-Diferentes ferramentas

-Tubulação para água potável

-Tubos para coleta de águas residuais

- Móveis para os jardins

-Grelha para segurança doméstica

Também é utilizado na elaboração de utensílios domésticos, como potes, panelas, facas, garfos. Além disso, é utilizado na fabricação de geladeiras, fogões, máquinas de lavar, lava-louças, liquidificadores, fornos, torradeiras.

Em suma, o ferro está presente em todos os objetos que circundam o homem.

Nanopartículas

O ferro metálico também é preparado como nanopartículas, que são altamente reativas e retêm as propriedades magnéticas do sólido macroscópico.

Essas esferas de Fe (e suas múltiplas morfologias adicionais) são usadas para purificar as águas de compostos organoclorados e como transportadores de drogas para regiões selecionadas do corpo através da aplicação de um campo magnético.

Da mesma forma, eles podem servir como suporte catalítico em reações onde as ligações de carbono, C-C, são quebradas.

-Compostos de ferro

Óxidos

O óxido ferroso, FeO, é usado como pigmento para cristais. Óxido férrico, Fe₂OU₃, é a base para uma série de pigmentos que vão do amarelo ao vermelho, conhecidos como vermelho veneziano. A forma vermelha, chamada rouge, é usada para polir metais preciosos e diamantes.

Óxido ferro-férrico, Fe₃OU₄, é utilizado em ferritas, substâncias com alta acessibilidade magnética e resistividade elétrica, utilizáveis em certas memórias de computador e no revestimento de fitas magnéticas. Também tem sido usado como pigmento e agente de polimento.

Sulfatos

Hepta-hidrato de sulfato ferroso, FeSO₄7h₂Ou, é a forma mais comum de sulfato ferroso, conhecido como vitríolo verde ou coppéra. É utilizado como redutor e na fabricação de tintas, fertilizantes e pesticidas. Também encontra uso na galvanoplastia de ferro.

Sulfato férrico, Fe₂(SW₄)₃, é usado para obter ferro alúmen e outros compostos férricos. Ele serve como coagulante na purificação de águas residuais e como mordente no tingimento de tecidos.

Cloretos

Cloreto Ferroso, FeCl₂, é usado como mordente e agente redutor. Enquanto isso, cloreto férrico, FeCl₃, é usado como agente de cloração para metais (prata e cobre) e alguns compostos orgânicos.

O tratamento Fe³⁺com o íon hexocianoferrato [Fe (CN)₆]^-4 produz um precipitado azul, denominado azul da Prússia, usado em tintas e vernizes.

Alimentos de ferro

Em geral, é recomendada uma ingestão de ferro de 18 mg / dia. Entre os alimentos que o fornecem na dieta diária estão os seguintes:

Os mariscos fornecem ferro na forma heme, portanto, não há inibição na absorção intestinal dele. O molusco fornece até 28 mg de ferro por 100 g; portanto, essa quantidade de molusco seria suficiente para suprir as necessidades diárias de ferro.

O espinafre contém 3,6 mg de ferro por 100 g. A carne bovina de órgãos, por exemplo fígado de vitela, contém 6,5 mg de ferro por 100 g. É provável que a contribuição da linguiça de sangue seja um pouco maior. A linguiça de sangue consiste em porções do intestino delgado, recheadas com sangue de boi.

As leguminosas, como as lentilhas, contêm 6,6 mg de ferro por 198 g. A carne vermelha contém 2,7 mg de ferro por 100 g. As sementes de abóbora contêm 4,2 mg por 28 g. A quinua contém 2,8 mg de ferro por 185 g. A carne escura do peru contém 2,3 mg por 100 g. O brócolis contém 2,3 mg por 156 mg.

Tofu contém 3,6 mg por 126 g. Enquanto isso, o chocolate amargo contém 3,3 mg por 28 g.

Papel biológico

As funções que o ferro cumpre, especialmente nos seres vivos vertebrados, são inúmeras. Estima-se que mais de 300 enzimas necessitem de ferro para seu funcionamento. Entre as enzimas e proteínas que o utilizam, são citadas as seguintes:

-Proteínas que possuem o grupo heme e não possuem atividade enzimática: hemoglobina, mioglobina e neuroglobina.

-Enzimas com o grupo heme envolvido no transporte de elétrons: citocromos a, b e f, e citocromo oxidases e / ou atividade de oxidase; sulfito oxidase, citocromo P450 oxidase, mieloperoxidase, peroxidase, catalase, etc.

-Proteínas contendo ferro-enxofre, relacionadas às atividades da oxiredutase, envolvidas na produção de energia: succinato desidrogenase, isocitrato desidrogenase e aconitase, ou enzimas envolvidas na replicação e reparo do DNA: DNA-polimerase e DNA-heliclases.

- Enzimas não heme que utilizam o ferro como co-fator para sua atividade catalítica: fenilalanina hidrolase, tirosina hidrolase, triptofano hidrolase e lisina hidrolase.

-Proteínas não responsáveis pelo transporte e armazenamento de ferro: ferritina, transferrina, haptoglobina, etc.

Riscos

Toxicidade

Os riscos da exposição ao excesso de ferro podem ser agudos ou crônicos. Uma das causas do envenenamento agudo por ferro pode ser a ingestão excessiva de comprimidos de ferro, na forma de gluconato, fumarato, etc.

O ferro pode causar irritação na mucosa intestinal, cujo desconforto se manifesta imediatamente após a ingestão e desaparece após 6 a 12 horas. O ferro absorvido é depositado em diferentes órgãos. Esse acúmulo pode causar distúrbios metabólicos.

Se a quantidade de ferro ingerida for tóxica, pode causar perfuração intestinal com peritonite.

No sistema cardiovascular, produz hipovolemia que pode ser causada por sangramento gastrointestinal e liberação pelo ferro de substâncias vasoativas, como serotonina e histamina. Em última análise, pode ocorrer necrose maciça do fígado e insuficiência hepática.

Hemocromatia

A hemocromatia é uma doença hereditária que apresenta uma alteração no mecanismo de regulação do ferro no organismo, que se manifesta no aumento da concentração sanguínea de ferro e seu acúmulo em diversos órgãos; incluindo o fígado, coração e pâncreas.

Os sintomas iniciais da doença são os seguintes: dores nas articulações, dores abdominais, fadiga e fraqueza. Com os seguintes sintomas e sinais subsequentes da doença: diabetes, perda do desejo sexual, impotência, insuficiência cardíaca e insuficiência hepática.

Hemossiderose

A hemossiderose é caracterizada, como o próprio nome indica, pelo acúmulo de hemossiderina nos tecidos. Não causa dano tecidual, mas pode evoluir para dano semelhante ao observado na hemocromatia.

A hemossiderose pode ser produzida pelas seguintes causas: aumento da absorção de ferro da dieta, anemia hemolítica que libera ferro dos glóbulos vermelhos e excesso de transfusões de sangue.

A hemossiderose e a hemocromatia podem ser devidas a um funcionamento inadequado do hormônio hepcidina, um hormônio secretado pelo fígado que está envolvido na regulação do ferro corporal.

Referências

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