Ferro (elemento): características, estrutura química, usos

O ferro é um metal de transição pertencendo ao grupo de oito ou VIIIB da tabela periódica e representada pelo símbolo químico Fe. É um metal cinzento, dúctil, maleável e força elevada, utilizado em numerosas aplicações úteis para o homem e sociedade

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

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Alchemist-hp (Discussão) (www.pse-mendelejew.de) [FAL ou GFDL 1.2 (http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/fdl-1.2.html)]

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

Os principais minérios de ferro utilizados na mineração são: hematita (óxido férrico, Fe 2 O 3 ), magnetita (óxido ferro-férrico, Fe 3 O 4 ), limonita (hidróxido de óxido ferroso hidratado, [FeO (OH ) · NH 2 O]) e a siderita (carbonato de ferro, FeCO 3 ).

Em média, o homem tem um conteúdo de 4,5 g de ferro, dos quais 65% estão na forma de hemoglobina. Esta proteína está envolvida no transporte de oxigênio no sangue e em sua distribuição para diferentes tecidos, para sua subsequente absorção pela mioglobina e neuroglobina.

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

Ferro é sinônimo de construção, força e guerras. Por outro lado, devido à sua abundância, é sempre uma alternativa a considerar quando se trata de desenvolvimento de novos materiais, catalisadores, medicamentos ou polímeros; e apesar da cor vermelha de sua ferrugem, é um metal ambientalmente verde.

História

Antiguidade

O ferro foi processado por milênios. No entanto, é difícil encontrar objetos de ferro de idades tão antigas devido à sua suscetibilidade à corrosão, o que causa sua destruição. Os objetos de ferro conhecidos mais antigos foram feitos com os encontrados nos meteoritos.

É o caso de um tipo de relato elaborado em 3500 aC, encontrado em Gerzah, no Egito, e de um punhal encontrado no túmulo de Tutancâmon. Os meteoritos de ferro são caracterizados por um alto teor de níquel, para que sua origem nesses objetos possa ser identificada.

Também foram encontradas evidências de ferro fundido em Asmar, Mesopotâmia e Bazar Chagar Tail, na Síria, entre 3000 e 2700 aC Embora a fundição de ferro tenha começado na Idade do Bronze, demorou séculos para substituir o bronze.

Além disso, artefatos de ferro encontrados foram encontrados na Índia, de 1800 a 1200 aC e no Levante, por volta de 1500 aC.Pensa-se que a Idade do Ferro começou em 1000 aC, à medida que 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, China.

Europa

O ferro forjado foi produzido na Europa através do uso das chamadas forjas de gala. O processo exigiu o uso de carvão como combustível.

Os altos-fornos medievais tinham 3,0 m de altura, eram 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.

A disponibilidade de ferro barato foi um dos fatores que levaram à Revolução Industrial . Durante esse período, iniciou-se o refino de ferro fundido em ferro forjado, utilizado para a construção de pontes, navios, armazéns, etc.

Aço

O aço utiliza uma concentração de carbono mais alta que o ferro forjado. O aço foi produzido no Luristan, na Pérsia, no ano 1000 aC Na Revolução Industrial, novos métodos foram criados para produzir barras de ferro sem carvão, que foram então usadas para produzir aço.

No final da década de 1850, Henry Bessemer planejou soprar ar em ferro fundido para produzir aço-carbono, o que tornou a produção de aço mais econômica. Isso resultou em uma diminuição na produção de ferro forjado.

Propriedades

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Aparência

Brilho metálico com um tom acinzentado.

Peso atômico

55,845 u.

Número atômico (Z)

26

Ponto de fusão

1.533 ° C

Ponto de ebulição

2.862 ° C

Densidade

-Temperatura ambiental: 7.874 g / mL.

– Ponto de fusão (líquido): 6.980 g / mL.

Calor de fusão

13,81 kJ / mol

Calor de vaporização

340 kJ / mol

Capacidade de calorias molares

25,10 J / (molK)

Energia de ionização

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

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-Segundo nível de ionização: 1.561,9 kJ / mol (Fe 2+ gás)

-Terceiro nível de ionização: 2.957, kJ / mol (Fe 3+ gás)

Eletronegatividade

1,83 na escala de Pauling

Raio atômico

Empírica 126 pm

Condutividade térmica

80,4 W / (mK)

Resistividade elétrica

96,1 µm (a 20 ºC)

Curie Point

770 ° C, aproximadamente. A essa temperatura, o ferro deixa de ser ferromagnético.

Isótopos

Isótopos estáveis: 54 Fe, com abundância de 5,85%; 56 Fe, com uma abundância de 91,75%; 57 Fe, com uma abundância de 2,12%; e 57 Fe, com abundância de 0,28%. Como 56 Fe é o isótopo mais estável e abundante, não surpreende que o peso atômico do ferro esteja muito próximo de 56 u.

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

Estrutura e configuração eletrônicas

-Atrofes

O ferro à temperatura ambiente cristaliza na estrutura cúbica centrada no corpo (cco), também conhecida como α-Fe ou ferrita (dentro do jargão metalúrgico). Como ele pode adotar diferentes estruturas cristalinas, dependendo da temperatura e da pressão, diz-se que o ferro é um metal alotrópico.

O alótropo cco é o ferro comum (ferromagnético), que as pessoas conhecem muito e é atraído por ímãs. Quando é aquecido acima de 771 ° C, torna-se paramagnético e, embora seu cristal só se expanda, eles costumavam considerar essa “nova fase” como β-Fe. Os outros alótropos de ferro também são paramagnéticos.

Entre 910 ° C e 1394 ° C, o ferro é encontrado como alótropo austenita ou γ-Fe, cuja estrutura é cúbica, centrada nas faces, fcc. A conversão entre austenita e ferrita tem um impacto importante na siderurgia; uma vez que os átomos de carbono são mais solúveis na austenita do que na ferrita.

E então, acima de 1394 ° C até seu ponto de fusão (1538 ° C), o ferro adota novamente a estrutura bcc, δ-Fe; mas, diferentemente da ferrita, esse alótropo é paramagnético.

Ferro Epsilon

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; isto é, com os átomos de Fe mais compactados. Esta é a quarta forma alotrópica de ferro.

Alguns estudos teorizam sobre a possível existência de outros alótropos de ferro sob essas pressões, mas a temperaturas ainda mais altas.

-Link de metal

Independentemente do que seja o alótropo do ferro e da temperatura que “agita” seus átomos de Fe, ou da pressão que os compacta, eles interagem entre si com os mesmos elétrons de valência; Estes são os mostrados na sua configuração eletrônica:

[Ar] 3d 6 4s 2

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

-Números de oxidação

Os números mais importantes (e comuns) de oxidação do ferro são +2 (Fe2 + ) e +3 ( Fe3 + ). De fato, a nomenclatura convencional considera apenas esses dois números ou estados. No entanto, existem compostos em que o ferro pode ganhar ou perder outra quantidade de elétrons; isto é, a existência de outros cátions é assumida.

Por exemplo, o ferro também pode ter números de oxidação de +1 (Fe + ), +4 (Fe 4+ ), +5 (Fe 5+ ), +6 (Fe 6+ ) e +7 (Fe 7 + ). O ferrato aniônico da espécie, FeO 4 2- , possui ferro com um número de oxidação de +6, uma vez que os quatro átomos de oxigênio o oxidaram a tal extremo.

Além disso, o ferro pode ter números de oxidação negativos; tais como: -4 (Fe 4- ), -2 (Fe 2- ) e -1 (Fe ). No entanto, compostos que possuem centros de ferro com esses ganhos de elétrons são muito raros. É por isso que, embora ultrapasse o manganês nesse aspecto, este último forma compostos muito mais estáveis ​​com sua gama de estados de oxidação.

O resultado, para fins práticos, é suficiente considerar Fé 2+ ou Fé 3+ ; os outros cátions são reservados para íons ou compostos um tanto específicos.

Como você consegue isso?

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Ornamentos de aço, a liga de ferro mais importante. Fonte: Pxhere

Coleta de matérias-primas

Os minérios dos minerais mais adequados para a mineração de ferro devem estar localizados. Os minerais mais utilizados para obtê-los são os seguintes: hematita (Fe 2 O 3 ), magnetita (Fe 3 O 4 ) limonita (FeO · OH · nH 2 O) e siderita (FeCO 3 ).

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

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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 com minerais são orientados, podendo ser separados.

No segundo método, os fragmentos de rocha são despejados na água e os que contêm ferro, porque são mais pesados, se depositam no fundo da água, deixando a barganha no topo dela com menos peso.

Fornos altos

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Alto-forno onde o aço é produzido. Fonte: Pixabay

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

No alto-forno, com a mistura anterior, o ar quente é injetado a uma temperatura de 1.000 ° C. O ferro é derretido pela combustão do carvão, que eleva a temperatura a 1.800 ° C. Uma vez que o líquido é chamado de ferro-gusa, que se acumula no fundo do forno.

O ferro-gusa é removido do forno e derramado em recipientes para serem transportados para uma nova fundição; enquanto a escória, impureza localizada na superfície do ferro-gusa, é descartada.

O ferro-gusa é derramado através do uso de colheres de roupa em um forno conversor, juntamente com o calcário como um fluxo, e o oxigênio é introduzido em alta temperatura. Assim, o teor de carbono é reduzido, refinando o ferro-gusa para transformá-lo em aço.

Posteriormente, o aço é passado através de fornos elétricos para a produção de aços especiais.

Usos

-Ferro de metal

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Ponte de ferro na Inglaterra, uma das muitas construções feitas com ferro ou suas ligas. Fonte: Nenhum autor legível por máquina é fornecido. Jasonjsmith assumiu (com base em reivindicações de direitos autorais). [Domínio público]

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

O ferro é usado para a construção de:

-Pontes

-Bases para edifícios

-Portas e janelas

-Barcos cascos

-Ferramentas diferentes

-Canos para água potável

-Tubos para coleta de águas residuais

-Móveis para jardins

-Grades para segurança em casa

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

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

Nanopartículas

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

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

Eles também podem servir como suportes catalíticos em reações onde as ligações de carbono, CC, são quebradas.

-Compostos de ferro

Óxidos

O óxido ferroso, FeO, é usado como pigmento de cristal. O óxido férrico, Fe 2 O 3 , é a base de uma série de pigmentos que variam do amarelo ao vermelho, conhecido como vermelho veneziano. A forma vermelha, chamada rouge, é usada para polir metais preciosos e diamantes.

O óxido ferro-férrico, Fe 3 O 4 , é usado 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 utilizado como pigmento e agente de polimento.

Sulfatos

O sulfato ferroso hepta-hidratado, FeSO 4 · 7H 2 O, é a forma mais comum de sulfato ferroso, conhecido como vitríolo verde ou coppera. É utilizado como agente redutor e na fabricação de tintas, fertilizantes e pesticidas. Também encontra uso em galvanoplastia de ferro.

sulfato férrico, Fe 2 (SO 4 ) 3 , é utilizado para a obtenção de alúmen de ferro e outros compostos de ferro. Serve como coagulante na purificação de águas residuais e como mordente no tingimento de têxteis.

Cloretos

cloreto ferroso FeCl 2 , é usado como um agente de mordente e redução. Enquanto isso, o cloreto férrico, FeCl 3 , é usado como agente de cloração de metais (prata e cobre) e alguns compostos orgânicos.

O tratamento do Fe 3+ com o íon hexocianoferrato [Fe (CN) 6 ] -4 produz um precipitado azul, chamado azul da Prússia, usado em tintas e vernizes.

Alimentos de ferro

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Amêijoas são uma fonte de alimento rica em ferro. Fonte: Pxhere

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

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Os frutos do mar fornecem ferro na forma heminica, portanto não há inibição na absorção intestinal. O molusco fornece até 28 mg de ferro por 100 g; portanto, essa quantidade de molusco seria suficiente para atender às necessidades diárias de ferro.

O espinafre contém 3,6 mg de ferro por 100 g. A carne de órgãos bovinos, por exemplo fígado de vitela, contém 6,5 mg de ferro por 100 g. É provável que a contribuição da salsicha no sangue seja um pouco maior. O pudim preto consiste em porções do intestino delgado, recheadas com sangue de boi.

Leguminosas, como a lentilha, 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. Quinoa contém 2,8 mg de ferro por 185 g. A carne de peru escuro contém 2,3 mg por 100 g. Brócolis contém 2,3 mg por 156 mg.

O tofu contém 3,6 mg por 126 g. Enquanto isso, o chocolate escuro contém 3,3 mg por 28 g.

Papel biológico

As funções que o ferro cumpre, especialmente nos seres vivos dos vertebrados, são inúmeras. Estima-se que mais de 300 enzimas exijam ferro para funcionar. Entre as enzimas e proteínas que o utilizam, estão os 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, bec, citocromo oxidases e / ou atividade oxidase; sulfito oxidase, citocromo P450 oxidase, mieloperoxidase, peroxidase, catalase, etc.

-Proteínas contendo ferro-enxofre, relacionadas às atividades das oxirredutases, 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 usam ferro como cofator por sua atividade catalítica: fenilalanina hidrolase, tirosina hidrolase, triptofano hidrolase e lisina hidrolase.

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

Riscos

Toxicidade

Os riscos de exposição ao excesso de ferro podem ser agudos ou crônicos. Uma causa para intoxicação aguda 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 de 6 a 12 horas. O ferro absorvido é depositado em diferentes órgãos. Esse acúmulo pode causar alterações metabólicas.

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. Por fim, pode ocorrer necrose hepática maciça e insuficiência hepática.

Hemocromatose

A hemocromatose é uma doença hereditária que apresenta alteração no mecanismo de regulação do ferro no corpo, que se manifesta no aumento da concentração sanguínea de ferro e no acúmulo de diferentes órgãos; entre eles o fígado, coração e pâncreas.

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

Hemossiderose

A hemossiderose é caracterizada, como o nome indica, pelo acúmulo de hemossiderina nos tecidos. Isso não causa danos aos tecidos, mas pode evoluir para danos semelhantes aos observados na hemocromatose.

A hemossiderose pode ser causada pelas seguintes causas: aumento da absorção de ferro na dieta, anemia hemolítica que libera ferro dos eritrócitos e transfusões excessivas de sangue.

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

Referências

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