O ferro, um elemento químico denotado pelo símbolo Fe (derivado do termo latino ferrum, que significa 'ferro'), possui um número atômico de 26. Este metal é classificado na primeira série de transição e no grupo 8 da tabela periódica. Em massa, constitui o elemento mais prevalente na Terra, formando porções substanciais do núcleo externo e interno. Além disso, é classificado como o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre. Na sua forma metálica, o ferro foi introduzido principalmente na Terra através da deposição de meteoritos.
Ferro é um elemento químico; possui símbolo Fe (do latim ferrum 'ferro') e número atômico 26. É um metal que pertence à primeira série de transição e grupo 8 da tabela periódica. É, em massa, o elemento mais comum na Terra, formando grande parte do núcleo externo e interno da Terra. É o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre. Em seu estado metálico, foi depositado principalmente por meteoritos.
A extração de metal utilizável de minérios de ferro necessita de fornos ou fornalhas capazes de atingir temperaturas de 1.500 °C (2.730 °F), que é aproximadamente 500 °C (900 °F) superior à temperatura necessária para a fundição de cobre. O domínio humano deste processo surgiu na Eurásia durante o II milénio a.C., levando à substituição gradual das ligas de cobre por ferramentas e armamentos de ferro, uma mudança que ocorreu por volta de 1200 a.C. em certas regiões. Este avanço tecnológico é reconhecido como a transição crucial da Idade do Bronze para a Idade do Ferro. Atualmente, as ligas de ferro, incluindo aço, aço inoxidável, ferro fundido e vários aços especiais, representam os metais industriais predominantes, devido às suas propriedades mecânicas favoráveis e custo-benefício econômico. Consequentemente, a indústria do ferro e do aço tem uma importância económica significativa, estando o ferro entre os metais mais acessíveis, normalmente custando alguns dólares por quilograma ou libra.
As superfícies de ferro puro, quando imaculadas e lisas, exibem uma aparência cinzenta prateada espelhada. No entanto, o ferro reage prontamente com o oxigênio e a água para formar óxidos de ferro hidratados, comumente chamados de ferrugem, cuja cor varia do marrom ao preto. Diferente das camadas de óxido passivantes formadas por alguns outros metais, a ferrugem ocupa um volume maior que o metal original, levando à sua descamação e subsequente exposição de superfícies frescas a mais corrosão. Do ponto de vista químico, os estados de oxidação mais prevalentes do ferro são ferro (II) e ferro (III). O ferro demonstra inúmeras características compartilhadas com outros metais de transição, notadamente o rutênio e o ósmio, que também são membros do grupo 8. O elemento é capaz de formar compostos em um amplo espectro de estados de oxidação, variando de -2 a +7. Além disso, o ferro participa na formação de numerosos complexos de coordenação, alguns dos quais, como o ferroceno, o ferrioxalato e o azul da Prússia, possuem utilidade industrial, médica ou de pesquisa significativa.
Um corpo humano adulto normalmente contém aproximadamente 4 gramas de ferro, constituindo cerca de 0,005% do peso corporal total, localizado principalmente na hemoglobina e na mioglobina. Essas duas proteínas são cruciais para o transporte de oxigênio na corrente sanguínea e para o armazenamento de oxigênio nos tecidos musculares, respectivamente. Consequentemente, o metabolismo humano do ferro necessita de uma ingestão alimentar mínima de ferro para manter os níveis fisiológicos necessários. Além disso, o ferro serve como componente metálico no sítio ativo de inúmeras enzimas redox vitais envolvidas na respiração celular e nos processos de oxidação-redução nos reinos vegetal e animal.
Características
Alótropos
Sob pressões normais, o ferro sólido exibe três arranjos atômicos distintos, convencionalmente designados como alótropos α, γ, δ e ε. Após o resfriamento além do ponto de congelamento de 1538 °C, o ferro fundido cristaliza em seu alótropo δ, caracterizado por uma estrutura cristalina cúbica de corpo centrado (bcc). O resfriamento adicional até 1394 ° C induz uma transformação no alótropo de ferro γ, também conhecido como austenita, que possui uma estrutura cristalina cúbica de face centrada (fcc). Abaixo de 912 °C, a estrutura cristalina reverte para o alótropo de ferro α bcc.
Sob altas pressões, especificamente acima de aproximadamente 10 GPa e em temperaturas de algumas centenas de Kelvin ou menos, o ferro α sofre uma transformação em outra estrutura hexagonal compacta (hcp), identificada como ferro ε. A fase γ de temperatura mais alta também se converte em ferro ε, embora essa transição ocorra em pressões elevadas. As características físicas do ferro sob pressões e temperaturas extremas têm sido extensivamente investigadas devido às suas implicações críticas para as teorias relativas aos núcleos da Terra e de outros corpos planetários. Geralmente, é levantada a hipótese de que o núcleo interno da Terra compreende uma liga de ferro-níquel exibindo uma estrutura ε (ou β). Evidências experimentais controversas sugerem a existência de uma fase β estável em pressões superiores a 50 GPa e temperaturas de pelo menos 1500 K, com a hipótese de possuir uma estrutura ortorrômbica ou dupla hcp. É importante notar que o termo "ferro β" também é ocasionalmente empregado para descrever o ferro α acima de seu ponto Curie, um estado onde ele transita do comportamento ferromagnético para o paramagnético sem qualquer alteração em sua estrutura cristalina.
Pontos de fusão e ebulição
Os pontos de fusão e ebulição do ferro, além de sua entalpia de atomização, são inferiores aos observados nos elementos 3d anteriores, do escândio ao cromo. Isto indica uma contribuição reduzida dos elétrons 3d para a ligação metálica, atribuída à sua maior atração pelo núcleo em direção ao núcleo inerte. Por outro lado, esses valores superam os do manganês, o elemento anterior, devido à sua subcamada 3d meio preenchida, o que dificulta a deslocalização de seus elétrons-d. Um padrão semelhante é evidente para o rutênio, mas não para o ósmio.
O ponto de fusão do ferro está experimentalmente bem estabelecido para pressões abaixo de 50 GPa. No entanto, para pressões que excedem este limite, os dados publicados (a partir de 2007) apresentam discrepâncias significativas, variando em dezenas de gigapascais e mais de mil Kelvin.
Propriedades Magnéticas
Abaixo de seu ponto Curie de 770 °C (1.420 °F; 1.040 K), o ferro α sofre uma transição de um estado paramagnético para um estado ferromagnético. Esta transformação envolve o alinhamento geral dos spins dos dois elétrons desemparelhados dentro de cada átomo com os dos seus vizinhos, gerando assim um campo magnético geral. Este fenômeno ocorre porque os orbitais desses dois elétrons (dz§34§ e dx§910§ − y§1314§) não estão orientados para átomos adjacentes na rede, consequentemente impedindo sua participação na ligação metálica.
Sem um campo magnético externo, os átomos se organizam espontaneamente em domínios magnéticos, normalmente ao redor 10 micrômetros de tamanho. Dentro de cada domínio, os spins atômicos estão alinhados em paralelo, embora domínios diferentes possam exibir orientações variadas. Consequentemente, uma amostra macroscópica de ferro possuirá um campo magnético líquido insignificante.
Quando um campo magnético externo é aplicado, os domínios alinhados com a direção geral do campo se expandem, enquanto os domínios adjacentes orientados de forma diferente se contraem, amplificando assim o campo externo. Este princípio é utilizado em dispositivos que requerem canalização de campo magnético para seu projeto operacional, incluindo transformadores elétricos, cabeçotes de gravação magnética e motores elétricos. A presença de impurezas, defeitos de rede ou limites de grãos e partículas pode "fixar" esses domínios em suas novas configurações, garantindo que o efeito magnético perdure mesmo após o campo externo ser retirado, transformando efetivamente o objeto de ferro em um ímã permanente.
Certos compostos de ferro, como ferritas, incluindo o mineral magnetita - uma forma cristalina do óxido misto de ferro (II, III) Fe3O4 - demonstram comportamento magnético análogo, embora o mecanismo subjacente em escala atômica, o ferrimagnetismo, seja ligeiramente diferente. Fragmentos de magnetita naturalmente magnetizados, conhecidos como magnetitas, serviram como as primeiras bússolas de navegação. Partículas de magnetita foram amplamente empregadas em mídias de gravação magnética, incluindo memórias centrais, fitas magnéticas, disquetes e discos rígidos, até sua eventual substituição por alternativas à base de cobalto.
Isótopos
O ferro possui quatro isótopos estáveis: 54Fe (constituindo 5,845% do ferro natural), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) e 58Fe (0,282%). Além disso, vinte e quatro isótopos artificiais foram sintetizados. Entre esses isótopos estáveis, apenas 57Fe exibe um spin nuclear (−§1112§⁄§1314§). Teoricamente, o nuclídeo 54Fe é capaz de sofrer dupla captura de elétrons para formar 54Cr; no entanto, este processo não foi observado experimentalmente, e apenas um limite inferior para sua meia-vida, 4,4×1020 anos, foi determinado.
60Fe representa um radionuclídeo extinto caracterizado por uma meia-vida longa de 2,6 milhões de anos. Embora ausente na Terra, seu produto final de decaimento é seu neto, o nuclídeo estável 60Ni. Historicamente, a pesquisa relativa à composição isotópica do ferro concentrou-se amplamente na nucleossíntese do 60Fe, principalmente através de investigações de meteoritos e processos de formação de minério. Na última década, os avanços na espectrometria de massa facilitaram a detecção e a quantificação precisa de variações sutis e naturais nas proporções de isótopos de ferro estáveis. Embora grande parte desta investigação tenha origem nas comunidades científicas da Terra e do planeta, as suas aplicações estendem-se cada vez mais aos sistemas biológicos e industriais.
A análise das fases dos meteoritos, especificamente em Semarkona e Chervony Kut, revelou uma correlação entre a concentração de 60Ni, um produto de decaimento do 60Fe, e a prevalência de isótopos de ferro estáveis. Esta correlação forneceu evidências convincentes da presença de 60Fe durante a gênese do Sistema Solar. A energia liberada pelo decaimento do 60Fe, em conjunto com a do 26Al, facilitou potencialmente a refusão e subsequente diferenciação de asteróides há aproximadamente 4,6 bilhões de anos. Além disso, a quantidade de 60Ni encontrada na matéria extraterrestre poderia fornecer informações adicionais sobre as origens do Sistema Solar e seus estágios iniciais de desenvolvimento.
O isótopo 56Fe, sendo a forma mais prevalente de ferro, tem um interesse significativo para os cientistas nucleares, pois constitui o ponto final primário da nucleossíntese. 56Ni, composto por 14 partículas alfa, forma-se prontamente a partir de núcleos mais leves através do processo alfa durante reações nucleares dentro de supernovas, marcando assim o culminar de cadeias de fusão em estrelas excepcionalmente massivas. Embora a adição de mais partículas alfa seja teoricamente viável, a sequência de fusão termina efetivamente em 56Ni. Isso ocorre porque as condições extremas no interior estelar fazem com que a fotodesintegração prevaleça sobre o processo alfa na vizinhança de 56Ni. As quantidades substanciais de 56Ni produzidas nestas estrelas, possuindo uma meia-vida de aproximadamente seis dias, subsequentemente sofrem decaimento através de duas emissões sucessivas de pósitrons dentro da nuvem de gás remanescente da supernova. Este processo primeiro produz 56Co radioativo, que então se transforma em 56Fe estável. Consequentemente, o ferro é o elemento mais abundante encontrado nos núcleos das gigantes vermelhas e representa o metal mais comum nos meteoritos de ferro e nos densos núcleos metálicos dos planetas, incluindo a Terra. A sua prevalência no universo também é notável quando comparada com outros metais estáveis de peso atômico comparável. O ferro é classificado como o sexto elemento mais abundante no cosmos e é reconhecido como o elemento refratário mais comum.
Embora a síntese de 62Ni, que possui uma energia de ligação marginalmente maior do que 56Fe, possa teoricamente produzir um pequeno ganho de energia adicional, as condições estelares não são propícias a este processo. A produção de elementos nas supernovas favorece predominantemente o ferro em vez do níquel. Além disso, 56Fe mantém uma massa menor por núcleon em comparação com 62Ni, atribuível à sua maior proporção de prótons mais leves. Consequentemente, a formação de elementos mais pesados que o ferro necessita de um evento de supernova, envolvendo a rápida captura de nêutrons pelos 56núcleos de Fe iniciais.
No futuro distante do universo, dependendo da ausência de decaimento de prótons, a hipótese é que a fusão a frio facilitada pelo tunelamento quântico induza a fusão de núcleos leves dentro da matéria comum em 56núcleos de Fe. Posteriormente, os processos de fissão e emissão de partículas alfa fariam com que núcleos mais pesados decaíssem em ferro, transformando todos os objetos de massa estelar em corpos esféricos frios compostos inteiramente de ferro.
Origem e ocorrência na natureza
Cosmogênese
A prevalência de ferro em planetas rochosos, como a Terra, é atribuída à sua geração substancial durante a fusão descontrolada e subsequente explosão de supernovas do Tipo Ia, que então disseminam este ferro por todo o espaço.
Ferro Metálico
O ferro metálico ou nativo é raramente encontrado na superfície da Terra devido à sua propensão à oxidação. No entanto, tanto o núcleo interno como o externo da Terra, que constituem colectivamente 35% da massa total do planeta, são considerados compostos principalmente por uma liga de ferro, potencialmente incorporando níquel. As correntes elétricas dentro do núcleo externo líquido são amplamente consideradas como a gênese do campo magnético da Terra. Da mesma forma, acredita-se que os outros planetas terrestres (Mercúrio, Vênus e Marte), juntamente com a Lua, possuam núcleos metálicos predominantemente compostos de ferro. Além disso, acredita-se que os asteróides do tipo M também consistam parcial ou em grande parte de uma liga metálica de ferro.
Os meteoritos de ferro, embora incomuns, representam a principal fonte natural de ferro metálico encontrada na superfície da Terra. As descobertas arqueológicas incluem artefatos feitos de ferro meteorítico trabalhado a frio, anteriores ao desenvolvimento da fundição de ferro. Notavelmente, está documentado que os Inuit da Groenlândia utilizaram o ferro do meteorito do Cabo York para a fabricação de ferramentas e instrumentos de caça. Aproximadamente 5% dos meteoritos compreendem os distintos minerais ferro-níquel taenita (contendo 35–80% de ferro) e kamacita (contendo 90–95% de ferro). Além disso, o ferro nativo ocorre com pouca frequência nos basaltos. Esses basaltos se originam de magmas que interagiram com rochas sedimentares ricas em carbono, um processo que reduz suficientemente a fugacidade do oxigênio para permitir a cristalização do ferro. Esta forma é denominada ferro telúrico e foi identificada em locais limitados, incluindo a Ilha Disko, no oeste da Groenlândia, Yakutia, na Rússia, e Bühl, na Alemanha.
Minerais do Manto da Terra
Ferropericlase (Mg,Fe)O, uma solução sólida composta por periclásio (MgO) e wüstita (FeO), constitui aproximadamente 20% do volume do manto inferior da Terra. Isso a torna a segunda fase mineral mais prevalente naquela região, depois da perovskita de silicato (Mg,Fe)SiO3, e serve como hospedeiro principal do ferro no manto inferior. Na base da zona de transição do manto, a reação γ-(Mg,Fe)§78§[SiO§910§] ↔ (Mg,Fe)[SiO§1112§] + (Mg,Fe)O facilita a interconversão de γ-olivina em uma combinação de silicato perovskita e ferropericlásio. Esta fase mineral específica do manto inferior é frequentemente referida como magnesiowüstita na literatura científica. A perovskita de silicato pode constituir até 93% do manto inferior. Sua variante magnésio-ferro, (Mg,Fe)SiO§1516§, é reconhecida como o mineral mais abundante na Terra, respondendo por 38% do volume total do planeta.
A Crosta Terrestre
Embora o ferro seja o elemento mais abundante na Terra, a maior parte dele está concentrada nos núcleos internos e externos. A proporção de ferro presente na crosta terrestre constitui apenas aproximadamente 5% de sua massa total, posicionando-o apenas como o quarto elemento mais abundante nesta camada, depois do oxigênio, do silício e do alumínio.
Na crosta terrestre, a maior parte do ferro existe em compostos com outros elementos, formando numerosos minerais de ferro. Uma categoria significativa inclui minerais de óxido de ferro como hematita (Fe2O3), magnetita (Fe§45§O§67§) e siderita (FeCO§89§), que servem como minérios de ferro primários. Além disso, muitas rochas ígneas incorporam os minerais sulfuretos pirrotita e pentlandita. Durante o processo de intemperismo, o ferro normalmente é lixiviado dos depósitos de sulfetos na forma de sulfato e dos depósitos de silicatos na forma de bicarbonato. Posteriormente, ambas as formas sofrem oxidação em soluções aquosas e precipitam como óxido de ferro (III), mesmo sob condições de pH ligeiramente alcalino.
Depósitos substanciais de ferro são encontrados em formações ferríferas bandadas, um tipo de rocha caracterizado por finas camadas repetitivas de óxidos de ferro intercaladas com estratos de xisto e sílex pobres em ferro. Essas formações ferríferas em faixas foram depositadas durante um período geológico que vai de aproximadamente 3.700 milhões de anos atrás a 1.800 milhões de anos atrás.
Óxidos ou óxido-hidróxidos de ferro(III) finamente moídos, exemplificados pelo ocre, serviram como pigmentos amarelos, vermelhos e marrons desde eras pré-históricas. Esses compostos também conferem cor a várias rochas e argilas, incluindo formações geológicas notáveis, como Painted Hills em Oregon e Buntsandstein ("arenito colorido", também conhecido como British Bunter). Compostos de ferro em materiais como Eisensandstein (um 'arenito de ferro' jurássico, por exemplo, de Donzdorf na Alemanha) e pedra de Bath no Reino Unido são responsáveis pela tonalidade amarelada observada em numerosos edifícios históricos e esculturas. A coloração vermelha característica da superfície marciana origina-se de um regolito rico em óxido de ferro. Embora quantidades substanciais de ferro estejam presentes na pirita mineral de sulfeto de ferro (FeS2), sua extração é desafiadora, tornando-a economicamente inexplorada. Na verdade, a abundância generalizada de ferro significa que a produção industrial normalmente visa apenas os minérios que contêm concentrações excepcionalmente elevadas do elemento.
Conforme relatado pelo relatório "Estoques de Metal na Sociedade" do Painel Internacional de Recursos, o estoque global per capita de ferro atualmente em uso social equivale a 2.200 kg. Existe uma disparidade notável entre nações mais desenvolvidas e menos desenvolvidas, com as primeiras possuindo 7.000–14.000 kg per capita em comparação com 2.000 kg per capita nas últimas.
Ferro nos oceanos
A investigação oceanográfica elucidou o papel significativo do ferro nos antigos ambientes marinhos, influenciando tanto a biota marinha como o clima global.
Química e Compostos de Ferro
O ferro exibe as propriedades químicas características dos metais de transição, especificamente, sua capacidade de formar estados de oxidação variáveis, normalmente diferindo em unidades únicas, e sua extensa coordenação e química organometálica. Notavelmente, a descoberta do ferroceno, um composto de ferro, catalisou uma revolução na química organometálica durante a década de 1950. Dada a sua prevalência e contribuição fundamental para o avanço tecnológico humano, o ferro é frequentemente considerado como um elemento prototípico dentro do bloco de metais de transição. Sua configuração eletrônica, [Ar]3d64s2, possui 26 elétrons. A proximidade energética dos elétrons 3d e 4s facilita a ionização de múltiplos elétrons.
O ferro forma compostos principalmente nos estados de oxidação +2 (ferro (II) ou "ferroso") e +3 (ferro (III) ou "férrico"). Estados de oxidação mais elevados do ferro também são observados, exemplificados pelo ferrato de potássio roxo (K2FeO4), onde o ferro existe no estado de oxidação +6. A espectroscopia infravermelha a 4 K revelou o ânion [FeO4]–, contendo ferro no estado de oxidação +7, ao lado de um isômero ferro(V)-peroxo, após a cocondensação de átomos de Fe ablados a laser com uma mistura O§89§/Ar. O ferro (IV) freqüentemente serve como intermediário em vários processos de oxidação bioquímica. Uma variedade de compostos organoferrosos exibem estados de oxidação formal, como +1, 0, -1 ou mesmo -2. A espectroscopia Mössbauer é frequentemente empregada para avaliar os estados de oxidação e outras características de ligação de compostos de ferro. Numerosos compostos de valência mista, incluindo magnetita e azul da Prússia (Fe§1112§(Fe[CN]§1314§)§1516§), incorporam centros de ferro (II) e ferro (III). O azul da Prússia é historicamente utilizado como o pigmento azul característico em projetos.
Entre os metais de transição, o ferro é único em sua incapacidade de atingir o estado de oxidação de grupo de +8, um estado alcançável por seus congêneres mais pesados, rutênio e ósmio, embora o rutênio o alcance com maior dificuldade do que o ósmio. Enquanto o rutênio apresenta química catiônica aquosa em seus estados de oxidação mais baixos, semelhantes ao ferro, o ósmio se desvia, preferindo estados de oxidação mais elevados, formando complexos aniônicos. Na segunda metade da série de transição 3D, as semelhanças dos grupos verticais são frequentemente ofuscadas pelas semelhanças horizontais do ferro com seus vizinhos da tabela periódica, o cobalto e o níquel. Esses elementos também exibem ferromagnetismo à temperatura ambiente e possuem propriedades químicas comparáveis. Conseqüentemente, ferro, cobalto e níquel são ocasionalmente categorizados coletivamente como a tríade do ferro.
Em contraste com vários outros metais, o ferro não forma amálgamas com o mercúrio. Consequentemente, o mercúrio é transportado comercialmente em frascos padronizados de 76 libras (34 kg) construídos a partir de ferro.
O ferro permanece como o elemento mais reativo dentro do seu grupo; é pirofórico na forma finamente dividida e se dissolve facilmente em ácidos diluídos, produzindo íons Fe2+. Por outro lado, resiste à reação com ácido nítrico concentrado e outros ácidos oxidantes devido à formação de uma camada de óxido impermeável, embora esta camada ainda possa reagir com ácido clorídrico. O ferro de alta pureza, conhecido como ferro eletrolítico, é considerado resistente à ferrugem devido à sua camada protetora de óxido.
Compostos binários
Óxidos e Sulfetos
O ferro produz uma variedade de compostos de óxidos e hidróxidos; os mais prevalentes incluem óxido de ferro (II, III) (Fe3O4) e óxido de ferro(III) (Fe§45§O§67§). O óxido de ferro (II) também existe, mas é instável à temperatura ambiente. Apesar da sua nomenclatura, estes compostos são não estequiométricos, apresentando composições variáveis. Esses óxidos servem como minérios primários para a produção de ferro, principalmente em processos de floração e alto-forno. Além disso, são empregados na síntese de ferritas, que são valiosas como meio de armazenamento magnético na computação, e como pigmentos. O sulfeto mais conhecido é a pirita de ferro (FeS§89§), comumente chamada de ouro dos tolos devido ao seu brilho metálico dourado. Este composto não é uma espécie de ferro (IV), mas sim um polissulfeto de ferro (II), compreendendo íons Fe2+ e S2−
§1819§ dispostos em um estrutura distorcida do cloreto de sódio.
Halides
Tanto os halogenetos ferrosos quanto os férricos binários são extensivamente caracterizados. Os halogenetos ferrosos são geralmente sintetizados pela reação do ferro metálico com o ácido hidrohálico apropriado, produzindo os sais hidratados correspondentes.
- Fe + 2 HX → FeX2 + H2 (X = F, Cl, Br, I)
O ferro reage com flúor, cloro e bromo para produzir os respectivos halogenetos férricos, sendo o cloreto férrico o mais prevalente.
- 2 Fe + 3 X2 → 2 FeX3 (X = F, Cl, Br)
O iodeto férrico representa uma exceção, exibindo instabilidade termodinâmica atribuída à capacidade oxidante do Fe3+ e à potente natureza redutora do I−.
- 2 I− + 2 Fe3+ → I§45§ + 2 Fe2+ (E§89§ = +0,23 V)
Embora o iodeto férrico, um sólido preto, não tenha estabilidade sob condições ambientais, sua síntese é alcançada pela reação do pentacarbonil de ferro com iodo e monóxido de carbono. Este processo ocorre na presença de hexano e luz a -20 °C, sob condições estritamente anóxicas e anidras. Notavelmente, os complexos formados entre o iodeto férrico e certas bases moles demonstram estabilidade.
Química de soluções
Os potenciais de redução padrão para vários íons de ferro predominantes em soluções aquosas ácidas são apresentados posteriormente.
- O ânion ferrato (VI) tetraédrico vermelho-púrpura funciona como um potente agente oxidante, capaz de oxidar amônia em nitrogênio (N2) e água em oxigênio.
O ânion ferrato (VI) tetraédrico vermelho-púrpura é um agente oxidante tão forte que oxida a amônia em nitrogênio (N2) e a água em oxigênio:
- 4 FeO2−
§67§ + 34 H
§1718§O → 4 [Fe(H§2324§O)§2526§]3+ + 20 OH−
+ 3 O§4142§
O complexo hexaquo violeta claro [Fe(H2O)6]3+ se comporta como um ácido, passando por hidrólise completa em valores de pH superiores a 0.
- À medida que o pH aumenta além de 0, surgem as espécies hidrolisadas amarelas acima mencionadas; posteriormente, quando o pH ultrapassa 2–3, o óxido de ferro (III) hidratado marrom-avermelhado precipita da solução. Apesar do Fe3+ possuir uma configuração eletrônica d5, seu espectro de absorção diverge daquele do Mn2+, que exibe bandas d – d fracas e com spin proibido. Esta diferença surge porque o Fe3+ carrega uma carga positiva mais alta e é mais polarizador, reduzindo assim a energia de suas absorções de transferência de carga ligante-metal. Consequentemente, todos os complexos acima mencionados são intensamente coloridos, com a única exceção do íon hexaquo, cujo espectro é, no entanto, dominado pela transferência de carga na região quase ultravioleta. Por outro lado, o íon hexaquo verde claro de ferro (II) [Fe (H2O) 6] 2+ não sofre hidrólise significativa. A adição de ânions carbonato não resulta na evolução de dióxido de carbono; em vez disso, o carbonato de ferro (II) branco precipita. Na presença de excesso de dióxido de carbono, forma bicarbonato ligeiramente solúvel, um constituinte comum das águas subterrâneas. No entanto, este bicarbonato oxida rapidamente no ar para produzir óxido de ferro (III), que é responsável pelos depósitos marrons observados em vários riachos.
À medida que o pH sobe acima de 0, as espécies hidrolisadas amarelas acima se formam e à medida que sobe acima de 2–3, o óxido de ferro (III) hidratado marrom-avermelhado precipita da solução. Embora o Fe3+ tenha uma configuração d5, seu espectro de absorção não é como o do Mn2+ com suas bandas d – d fracas e com spin proibido, porque o Fe3+ tem carga positiva mais alta e é mais polarizador, diminuindo a energia de suas absorções de transferência de carga ligante-metal. Assim, todos os complexos acima são fortemente coloridos, com a única exceção do íon hexaquo – e mesmo este tem um espectro dominado pela transferência de carga na região do ultravioleta próximo. Por outro lado, o íon hexaquo verde claro de ferro (II) [Fe(H§910§O)§1112§]2+ não sofre hidrólise apreciável. O dióxido de carbono não é liberado quando os ânions carbonato são adicionados, o que resulta na precipitação do carbonato de ferro branco (II). Em excesso de dióxido de carbono, forma-se o bicarbonato ligeiramente solúvel, que ocorre comumente nas águas subterrâneas, mas oxida rapidamente no ar para formar óxido de ferro (III), responsável pelos depósitos marrons presentes em um número considerável de riachos.
Compostos de Coordenação
O ferro exibe uma extensa coordenação e química organometálica, uma característica diretamente atribuível à sua estrutura eletrônica.
Uma infinidade de compostos de coordenação de ferro foram identificados. Um ânion de seis coordenadas representativo é o hexacloroferrato (III), [FeCl6]3−, que está presente no sal misto cloreto de hexacloroferrato(III) de tetraquis(metilamônio). Complexos com múltiplos ligantes bidentados geralmente exibem isomeria geométrica. Por exemplo, o complexo trans-clorohidridobis(bis-1,2-(difenilfosfino)etano)ferro(II) serve como precursor para compostos contendo a porção Fe(dppe)§78§. O íon ferrioxalato, compreendendo três ligantes oxalato, demonstra quiralidade helicoidal, caracterizada por duas geometrias não sobreponíveis designadas Λ (lambda) para o eixo do parafuso para canhotos e Δ (delta) para o eixo do parafuso para destros, consistente com a nomenclatura IUPAC. O ferrioxalato de potássio tem aplicação na actinometria química e, junto com seu sal de sódio, sofre fotorredução utilizada em processos fotográficos tradicionais. O di-hidrato de oxalato de ferro (II) possui uma estrutura polimérica, onde íons de oxalato co-planares formam uma ponte entre os centros de ferro, com a água de cristalização ocupando posições que cobrem cada octaedro, conforme representado a seguir.
Os complexos de ferro (III) têm considerável semelhança com aqueles de cromo (III), com a distinção notável sendo a propensão do ferro (III) para ligantes doadores de O em vez de ligantes doadores de N . A última categoria de complexos geralmente apresenta maior instabilidade em comparação aos complexos de ferro (II) e frequentemente dissocia-se em soluções aquosas. Numerosos complexos Fe-O exibem cores vibrantes e são, consequentemente, empregados em testes de fenóis ou enóis. Por exemplo, o teste do cloreto férrico, utilizado para verificar a presença de fenóis, envolve a reação do cloreto de ferro (III) com um fenol para produzir um complexo violeta profundo.- 3 ArOH + FeCl3 → Fe(OAr)3 + 3 HCl (Ar = aril)
Dentro da categoria de complexos de haleto e pseudo-halogeneto, os complexos de ferro(III)fluoro apresentam a maior estabilidade; especificamente, o incolor [FeF5(H2O)]2− demonstra estabilidade máxima em ambientes aquosos. Por outro lado, os complexos de cloro apresentam estabilidade diminuída e adotam preferencialmente uma geometria de coordenação tetraédrica, exemplificada por [FeCl§67§]−, enquanto [FeBr§1011§]− e [FeI§1415§]− são facilmente reduzidos a ferro (II). O tiocianato serve como um reagente analítico predominante para a detecção de ferro (III), devido à sua formação do distinto complexo vermelho-sangue [Fe (SCN) (H§1819§O)§2021§]2+. Semelhante ao manganês (II), a maioria dos complexos de ferro (III) são de alta rotação, com exceções ocorrendo quando ligantes de alto nível na série espectroquímica, como o cianeto, estão presentes. Por exemplo, [Fe(CN)§2425§]3− representa um complexo de ferro (III) de baixo spin. O ferro exibe um amplo espectro de estados de spin eletrônico, abrangendo todos os valores potenciais de número quântico de spin para um elemento do bloco d, variando de 0 (diamagnético) a §2930§⁄§3132§ (correspondendo a cinco elétrons desemparelhados). Este valor específico corresponde consistentemente a metade da quantidade de elétrons desemparelhados. Complexos que possuem zero a dois elétrons desemparelhados são categorizados como de baixo spin, enquanto aqueles com quatro ou cinco elétrons desemparelhados são classificados como de alto spin.
Os complexos de ferro (II) geralmente exibem menor estabilidade em comparação aos complexos de ferro (III); no entanto, a sua afinidade por ligandos doadores de O é menos pronunciada. Consequentemente, embora [Fe(NH3)6]2+ seja uma entidade reconhecida, [Fe(NH§1112§)§1314§]3+ não é. Esses complexos tendem a sofrer oxidação em ferro (III), processo que pode ser mitigado mantendo um pH baixo e empregando ligantes específicos.
Compostos Organometálicos
A química organoiron concentra-se na investigação dos compostos organometálicos do ferro, caracterizados por ligações covalentes entre os átomos de carbono e o átomo central do metal. Esta classe de compostos é diversa, abrangendo complexos de cianeto, complexos de carbonila, bem como estruturas sanduíche e meio sanduíche.
O azul da Prússia, também conhecido como "ferrocianeto férrico" (Fe4[Fe(CN)6]§45§), é um complexo de cianeto de ferro historicamente significativo e amplamente reconhecido, utilizado extensivamente como pigmento e em várias outras aplicações. A formação do azul da Prússia serve como um ensaio químico úmido direto para diferenciar entre soluções aquosas de Fe2+ e Fe3+, dadas suas respectivas reações com ferricianeto de potássio e ferrocianeto de potássio.
O pentacarbonil de ferro, Fe(CO)5, representa outro exemplo histórico de um composto organoiron, caracterizado por um átomo de ferro neutro ligado covalentemente aos átomos de carbono de cinco moléculas de monóxido de carbono. Este composto é empregado na síntese do pó de ferro carbonílico, um alótropo altamente reativo do ferro metálico. A decomposição térmica do ferro pentacarbonil produz triferro dodecacarbonil, Fe3(CO)12, um complexo que apresenta um aglomerado central de três átomos de ferro. O reagente de Collman, tetracarbonilferrato dissódico, é um reagente valioso em química orgânica, notável por conter ferro no estado de oxidação -2. O dímero de ciclopentadieniliron dicarbonil incorpora ferro no incomum estado de oxidação +1.
Um avanço fundamental neste domínio ocorreu em 1951 com a descoberta independente do composto sanduíche ferroceno excepcionalmente estável, Fe(C5H5)§56§, por Pauson e Kealy, e simultaneamente por Miller e associados. Sua estrutura molecular inesperada foi posteriormente elucidada apenas um ano depois por Woodward, Wilkinson e Fischer. O ferroceno continua sendo uma ferramenta e modelo fundamental dentro desta classe de compostos.
Compostos organometálicos com centro de ferro são empregados como catalisadores. Por exemplo, o complexo Knölker funciona como um catalisador de hidrogenação de transferência para cetonas.
Usos industriais
Industrialmente, o sulfato de ferro(II) (FeSO4·7H2O) e o cloreto de ferro(III) (FeCl§45§) são os compostos de ferro mais extensivamente produzidos. Embora o primeiro represente uma fonte altamente acessível de ferro (II), ele exibe estabilidade diminuída contra a oxidação aérea em comparação com o sal de Mohr ((NH§78§)§910§Fe(SO§1112§)§1314§·6H§1516§O). Os compostos de ferro (II) geralmente sofrem oxidação em compostos de ferro (III) após exposição ao ar.
Histórico
Desenvolvimento da Metalurgia do Ferro
O ferro está entre os elementos inequivocamente reconhecidos pelas civilizações antigas. Sua manipulação e modelagem ocorreram ao longo de milênios. No entanto, os antigos artefatos de ferro são consideravelmente menos comuns do que aqueles feitos de ouro ou prata, principalmente devido à suscetibilidade do ferro à corrosão. A tecnologia metalúrgica associada evoluiu gradualmente, exigindo vários séculos, mesmo após o advento da fundição, para que o ferro substituísse o bronze como material preferido para instrumentos e armamentos.
Ferro Meteorítico
Contas feitas de ferro meteórico, datadas de 3.500 a.C. ou antes, foram descobertas em Gerzeh, no Egito, por G. A. Wainwright. Essas contas exibem um teor de níquel de 7,5%, um indicador característico de origem meteórica, visto que o ferro terrestre normalmente contém apenas impurezas insignificantes de níquel.
O ferro meteórico tinha um valor cultural significativo, atribuído à sua proveniência celestial, e era frequentemente empregado na fabricação de armas e implementos. Um exemplo notável é uma adaga recuperada da tumba de Tutancâmon, que foi feita de ferro meteórico e exibia proporções elementares de ferro, cobalto e níquel consistentes com um meteorito encontrado localmente, que se acredita ter se originado de uma antiga chuva de meteoros. Evidências arqueológicas sugerem que os egípcios produziram artefatos de ferro entre 3.000 e 2.500 aC.
O ferro meteorítico é caracterizado por sua relativa suavidade e ductilidade, tornando-o passível de forjamento a frio; no entanto, seu teor de níquel pode induzir fragilidade ao ser aquecido.
Ferro Forjado
A produção inicial de ferro começou durante a Idade Média do Bronze, embora vários séculos tenham se passado antes que o ferro substituísse o bronze como metal predominante. Espécimes de ferro fundido de Asmar, Mesopotâmia e Tall Chagar Bazaar, no norte da Síria, foram datados do período entre 3.000 e 2.700 aC. Acredita-se que os hititas, que estabeleceram um império no centro-norte da Anatólia por volta de 1600 a.C., estejam entre os primeiros a compreender a extração de ferro de seus minérios e a atribuir-lhe uma importância social significativa. As atividades hititas de fundição de ferro começaram entre 1.500 e 1.200 aC, com a tecnologia se espalhando por todo o Oriente Próximo após o colapso de seu império em 1.180 aC. A era que sucede a este período é historicamente designada como Idade do Ferro.
Artefatos de ferro fundido foram descobertos na Índia, datando de 1.800 a 1.200 aC, e no Levante, de aproximadamente 1.500 aC, potencialmente indicando origens da fundição na Anatólia ou no Cáucaso. Supostas alusões ao ferro nos Vedas indianos foram citadas para apoiar alegações de utilização excepcionalmente precoce do ferro na Índia ou para estabelecer a datação desses textos. O termo Rigvédico ayas, que significa 'metal', denota principalmente cobre, enquanto o ferro, referido como śyāma ayas (literalmente 'cobre preto'), aparece pela primeira vez no Atharvaveda pós-Rigvédico.
Achados arqueológicos indicam que a fundição de ferro ocorreu no Zimbábue e no sudeste da África já no século VIII aC. A tecnologia de trabalho em ferro foi introduzida na Grécia no final do século XI a.C., espalhando-se posteriormente rapidamente pela Europa.
A disseminação das práticas de trabalho do ferro na Europa Central e Ocidental está ligada à expansão celta. Plínio, o Velho, documentou o uso generalizado do ferro durante a era romana. Na região hoje reconhecida como China, artefatos de ferro surgem aproximadamente entre 700 e 500 aC, com a fundição de ferro potencialmente introduzida através da Ásia Central. As primeiras evidências arqueológicas da operação de altos-fornos na China datam do século I dC, enquanto os fornos de cúpula foram empregados desde o período dos Reinos Combatentes (403-221 aC). As tecnologias de alto-forno e de cúpula continuaram a ser amplamente utilizadas durante as dinastias Tang e Song. Durante a Revolução Industrial Britânica, Henry Cort iniciou o refinamento do ferro-gusa em ferro forjado (também conhecido como ferro em barra) através da implementação de novas metodologias de produção. Em 1783, Cort obteve a patente do processo de poça, projetado para refinar minério de ferro. Este processo foi posteriormente aprimorado por outros inovadores, principalmente Joseph Hall.
Ferro Fundido
A produção de ferro fundido teve origem na China durante o século V a.C., mas a sua presença na Europa permaneceu mínima até ao período medieval. Arqueólogos desenterraram os primeiros artefatos de ferro fundido no condado contemporâneo de Luhe, em Jiangsu, China. Na China antiga, o ferro fundido serviu a diversas aplicações, incluindo guerra, agricultura e construção arquitetônica. Durante a era medieval na Europa, foram desenvolvidos métodos para converter ferro fundido (referido como ferro-gusa neste contexto) em ferro forjado usando forjas finas. Todos esses processos metalúrgicos necessitavam de carvão vegetal como fonte de combustível.
Os altos-fornos medievais normalmente mediam aproximadamente 3,0 m (10 pés) de altura e eram construídos com tijolos à prova de fogo, com ar forçado comumente fornecido por foles manuais. Os altos-fornos contemporâneos aumentaram significativamente em escala, apresentando lareiras de até quatorze metros de diâmetro, possibilitando a produção diária de milhares de toneladas de ferro. Apesar destes avanços em tamanho e produção, os seus princípios operacionais fundamentais permanecem amplamente consistentes com aqueles empregados durante o período medieval.
Em 1709, Abraham Darby I inovou ao estabelecer um alto-forno a coque para a produção de ferro fundido, substituindo assim o carvão vegetal como combustível primário, mantendo a tecnologia do alto-forno. Este desenvolvimento aumentou significativamente a disponibilidade de ferro a preços acessíveis, contribuindo substancialmente para o início da Revolução Industrial. No final do século XVIII, o ferro fundido substituiu cada vez mais o ferro forjado em aplicações específicas devido ao seu menor custo de produção. O papel crítico do teor de carbono na diferenciação das propriedades do ferro forjado, do ferro fundido e do aço não foi totalmente compreendido até o século XVIII.
À medida que o ferro se tornou mais económico e abundante, a sua adoção como material estrutural primário acelerou, nomeadamente após a construção da pioneira Ponte de Ferro em 1778. Esta estrutura histórica permanece como um testemunho da contribuição fundamental do ferro para a Revolução Industrial. Posteriormente, o ferro encontrou ampla aplicação em infraestrutura, incluindo trilhos ferroviários, embarcações marítimas, aquedutos, edifícios e cilindros de máquinas a vapor. Ferrovias, muitas vezes chamadas de estrada de ferro em vários idiomas (por exemplo, francês chemin de fer, alemão Eisenbahn, turco demiryolu, russo железная дорога, chinês, japonês e coreano 鐵道, vietnamita đường sắt), desempenhou um papel fundamental na formação da modernidade e no avanço de conceitos de progresso.
Aço
O aço, caracterizado por um teor de carbono inferior ao do ferro-gusa, mas superior ao do ferro forjado, originou-se na antiguidade através do processo de bloomery. Por volta de 1000 aC, ferreiros qualificados no Luristão, na Pérsia Ocidental, já produziam aço de alta qualidade. Posteriormente, surgiram variantes mais avançadas, incluindo o aço Wootz da Índia por volta de 300 a.C. e o aço de Damasco por volta de 500 d.C. No entanto, esses primeiros métodos de produção eram altamente especializados, impedindo que o aço se tornasse uma mercadoria amplamente disponível até a década de 1850.
O século XVII viu o desenvolvimento de novas técnicas de produção de aço, como o processo de cimentação, que envolvia a cementação de barras de ferro. Durante a Revolução Industrial, as inovações na produção de barras de ferro eliminaram a necessidade de carvão vegetal e esses avanços foram posteriormente adaptados para a fabricação de aço. Um avanço crucial ocorreu no final da década de 1850, quando Henry Bessemer introduziu um processo revolucionário de fabricação de aço que envolvia soprar ar através do ferro-gusa fundido para produzir aço-carbono. Esta inovação reduziu drasticamente os custos de produção de aço, diminuindo consequentemente a produção em larga escala de ferro forjado.
Fundamentos da Química Moderna
Em 1774, Antoine Lavoisier conduziu experimentos demonstrando a conservação da massa, um passo crucial na transformação da química de uma disciplina qualitativa para uma disciplina quantitativa. Ele conseguiu isso reagindo o vapor de água com o ferro metálico dentro de um tubo de ferro incandescente para gerar hidrogênio.
Função Simbólica
O ferro ocupa um lugar significativo na mitologia, servindo como uma metáfora recorrente e com destaque no folclore. Por exemplo, o poeta grego Hesíodo, em Obras e Dias (linhas 109-201), delineia idades sucessivas da humanidade, associando-as a metais como ouro, prata, bronze e ferro. O conceito de Idade do Ferro é frequentemente associado à Roma antiga, e as Metamorfoses de Ovídio ilustram ainda mais esta conexão:
As Virtudes, em desespero, abandonam a terra; e a depravação do homem se torna universal e completa. O aço duro teve então sucesso.
O significado simbólico do ferro é ainda exemplificado pelo seu papel na Campanha Alemã de 1813. Durante este período, Frederico Guilherme III instituiu a primeira Cruz de Ferro como condecoração militar. As joias de ferro de Berlim atingiram seu apogeu na produção entre 1813 e 1815, coincidindo com o apelo da família real prussiana para que os cidadãos contribuíssem com joias de ouro e prata para apoiar as finanças militares. O lema Ich gab Gold für Eisen (Eu dei ouro por ferro) posteriormente tornou-se um tema recorrente em esforços posteriores de arrecadação de fundos durante a guerra.
Produção de ferro metálico
Rotas de laboratório
Para aplicações especializadas que exigem alta pureza, a produção de ferro em escala laboratorial envolve a redução de seu óxido ou hidróxido puro com hidrogênio, ou a decomposição térmica do ferro pentacarbonil a 250 °C para produzir pó de ferro puro. Uma técnica alternativa envolve a eletrólise de cloreto ferroso em um cátodo de ferro.
Principal Rota Industrial
A fabricação industrial de ferro e aço envolve um processo em duas etapas. Inicialmente, o minério de ferro sofre redução com coque dentro de um alto-forno, facilitando a separação do metal fundido de impurezas significativas, como minerais de silicato. Essa fase inicial produz ferro gusa, liga caracterizada por seu substancial teor de carbono. Posteriormente, a concentração de carbono no ferro-gusa diminui por meio da oxidação, resultando na produção de ferro forjado, aço ou ferro fundido. Elementos metálicos adicionais podem ser incorporados durante este último estágio para criar vários aços-liga.
Processamento de alto-forno
Os altos-fornos são carregados com minério de ferro, normalmente hematita Fe2O3 ou magnetita Fe§78§O§910§, em conjunto com coque (carvão submetido ao cozimento para eliminar substâncias voláteis constituintes) e um agente fundente (calcário ou dolomita). Ar pré-aquecido, atingindo temperaturas de 900 °C e ocasionalmente enriquecido com oxigênio, é então injetado nesta mistura em quantidades suficientes para converter o carbono em monóxido de carbono:
- 2 C + O2 → 2 CO
Esta reação exotérmica eleva a temperatura interna a aproximadamente 2.000 °C, permitindo que o monóxido de carbono reduza o minério de ferro em ferro metálico:
- Fe2O3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO§56§
Dentro da zona inferior de alta temperatura do forno, uma porção do ferro sofre reação direta com o coque:
- 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO§56§
O fluxo serve para eliminar minerais siliciosos presentes no minério, que de outra forma impediriam o funcionamento do forno. A temperatura elevada dentro do forno facilita a decomposição de carbonatos em óxido de cálcio, que posteriormente reage com qualquer excesso de sílica para gerar uma escória composta principalmente de silicato de cálcio CaSiO3 ou outros subprodutos. Na temperatura operacional do forno, tanto o metal fundido quanto a escória existem no estado líquido. Estas duas camadas líquidas imiscíveis acumulam-se na base do forno, com a escória formando a camada superior, permitindo uma separação simples. Essa escória é útil como material de construção para estradas ou como corretivo para melhorar solos agrícolas com deficiência de minerais.
Consequentemente, a produção de aço persiste como uma importante fonte industrial de emissões globais de CO2.
Siderurgia
O ferro-gusa, um produto do processo de alto-forno, normalmente contém de 4 a 5% de carbono em massa, além de pequenas quantidades de impurezas como enxofre, magnésio, fósforo e manganês. Este elevado teor de carbono torna o material comparativamente fraco e quebradiço. Por outro lado, reduzir a concentração de carbono para uma faixa de 0,002 a 2,1% produz aço, um material potencialmente até 1.000 vezes mais duro que o ferro puro. Diversos produtos de aço podem posteriormente ser fabricados através de métodos que incluem trabalho a frio, laminação a quente, forjamento e usinagem. Alternativamente, a remoção de impurezas do ferro-gusa e a retenção de 2 a 4% de carbono resulta em ferro fundido, que as fundições utilizam para produzir itens como fogões, tubos, radiadores, postes de iluminação e trilhos.
Após o forjamento, os produtos de aço frequentemente passam por vários tratamentos térmicos. O recozimento, por exemplo, envolve o aquecimento do aço a temperaturas entre 700 e 800 °C durante várias horas, seguido de um resfriamento gradual controlado. Este processo melhora a maciez e a trabalhabilidade do aço.
Redução direta de ferro
Em resposta a considerações ambientais, surgiram metodologias alternativas de processamento de ferro. A redução direta de ferro converte o minério de ferro em um aglomerado ferroso conhecido como "ferro esponja" ou "ferro direto", que é adequado para a siderurgia subsequente. Este processo de redução direta envolve principalmente duas reações principais:
O gás natural sofre oxidação parcial, facilitada pelo calor e por um catalisador:
- 2 CH4 + O§34§ → 2 CO + 4 H§56§
Posteriormente, o minério de ferro é processado com esses gases dentro de um forno, produzindo ferro-esponja sólido:
- Fe2O3 + CO + 2 H§56§ → 2 Fe + CO§78§ + 2 H§910§O
A sílica é eliminada através da adição de um fluxo de calcário, consistente com o método detalhado anteriormente.
Processo Thermite
A ignição de uma mistura composta por pó de alumínio e óxido de ferro resulta na produção de ferro metálico através da reação termite:
- Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al§56§O§78§
Alternativamente, o ferro-gusa pode ser convertido em aço (contendo até aproximadamente 2% de carbono) ou ferro forjado (que é ferro comercialmente puro). Historicamente e atualmente, diversos processos têm sido empregados para esta conversão, incluindo forjas finas, fornos de poça, conversores Bessemer, fornos de soleira aberta, fornos básicos de oxigênio e fornos elétricos a arco. O objetivo fundamental de todos esses métodos é a oxidação de parte ou de todo o carbono, juntamente com outras impurezas. Por outro lado, a incorporação de elementos metálicos adicionais pode levar à formação de ligas de aço.
Eletrólise de óxido fundido
Eletrólise de óxido fundido (MOE) é um processo que utiliza a eletrólise de óxido de ferro fundido para produzir ferro metálico. Este método está atualmente sob investigação laboratorial e é proposto como uma técnica industrial de produção de ferro que não gera emissões diretas de dióxido de carbono. O sistema MOE incorpora um cátodo de ferro líquido, um ânodo fabricado a partir de uma liga de cromo, alumínio e ferro, e um eletrólito que consiste em óxidos de metal fundido nos quais o minério de ferro é dissolvido. A corrente elétrica sustenta o estado fundido do eletrólito e facilita a redução do óxido de ferro, produzindo ferro líquido e gás oxigênio. Consequentemente, as únicas emissões de dióxido de carbono associadas a este processo provêm de qualquer eletricidade gerada por combustíveis fósseis utilizada para aquecimento e redução de metais.
Aplicativos
Como material estrutural
O ferro é o metal mais utilizado em todo o mundo, respondendo por mais de 90% da produção total de metal no mundo. Seu baixo custo e alta resistência inerentes frequentemente o posicionam como o material preferido para aplicações que exigem resistência a tensões ou transmissão de força. Tais aplicações incluem a fabricação de máquinas, máquinas-ferramentas, trilhos ferroviários, automóveis, cascos de navios, barras de reforço de concreto e estruturas de suporte de edifícios. Como o ferro puro é relativamente macio, é mais comumente combinado com elementos de liga para produzir aço.
Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas do ferro e suas ligas são extremamente importantes para suas aplicações estruturais. Essas propriedades podem ser avaliadas por meio de diversas metodologias, incluindo os testes de dureza Brinell, Rockwell e Vickers.
As propriedades do ferro puro são frequentemente utilizadas para medições de calibração ou para testes comparativos. Contudo, as características mecânicas do ferro são significativamente influenciadas pela pureza da amostra. Por exemplo, monocristais puros de ferro são comprovadamente mais macios que o alumínio, e o ferro mais puro fabricado industrialmente (99,99%) exibe uma dureza que varia de 20 a 30 Brinell. O ferro de altíssima pureza (99,9% a 99,999%), conhecido como ferro eletrolítico, é produzido industrialmente por meio de refino eletrolítico.
Um aumento no teor de carbono aumenta significativamente a dureza e a resistência à tração do ferro. Uma dureza máxima de 65 Rc é alcançada com um teor de carbono de 0,6%, embora esta liga em particular apresente baixa resistência à tração. Além disso, devido à sua suavidade inerente, o ferro é consideravelmente mais fácil de processar do que os seus congéneres mais pesados, o ruténio e o ósmio.
Tipos de aços e ligas
O ferro alfa (ferro α) é um metal relativamente macio, capaz de dissolver apenas uma pequena concentração de carbono, especificamente não mais que 0,021% em massa a 910 °C. Por outro lado, a austenita (ferro γ) é igualmente macia e metálica, mas pode acomodar um teor de carbono substancialmente maior, até 2,04% em massa a 1146 °C. Esta forma austenítica de ferro é empregada principalmente na produção de aço inoxidável usado em talheres, instrumentação hospitalar e equipamentos de serviços de alimentação.
O ferro disponível comercialmente é categorizado com base na sua pureza e na concentração de aditivos. O ferro-gusa, por exemplo, contém 3,5–4,5% de carbono e quantidades variáveis de contaminantes, incluindo enxofre, silício e fósforo. Não serve como produto final comercializável, mas como material intermediário na fabricação de ferro fundido e aço. A redução de contaminantes prejudiciais, como enxofre e fósforo, no ferro-gusa produz ferro fundido, que normalmente contém 2–4% de carbono, 1–6% de silício e pequenas quantidades de manganês. O ferro-gusa apresenta um ponto de fusão entre 1420 e 1470 K, faixa inferior à de seus constituintes primários, tornando-o o produto inicial a derreter quando o carbono e o ferro são aquecidos juntos. Suas propriedades mecânicas são altamente variáveis, dependendo da forma específica que o carbono adota na liga.
Os ferros fundidos brancos contêm carbono na forma de cementita ou carboneto de ferro (Fe3C). Este composto duro e quebradiço determina predominantemente as propriedades mecânicas dos ferros fundidos brancos, tornando-os duros, mas suscetíveis a choques. A superfície fraturada do ferro fundido branco revela numerosas facetas finas do carboneto de ferro quebrado, um material muito claro, prateado e brilhante, o que explica a sua designação. O resfriamento lento de uma mistura de ferro com 0,8% de carbono abaixo de 723 °C até a temperatura ambiente produz camadas distintas e alternadas de cementita e ferro α, uma estrutura macia e maleável conhecida como perlita devido à sua aparência característica. Por outro lado, o resfriamento rápido evita essa separação de fases, resultando na formação de martensita dura e quebradiça. O aço pode posteriormente ser temperado por reaquecimento a uma temperatura intermediária, o que altera as proporções de perlita e martensita. Para teores de carbono abaixo de 0,8%, o produto final é uma mistura perlita-αFe, enquanto para teores de carbono acima de 0,8%, é uma mistura perlita-cementita.
O ferro cinzento contém carbono na forma de flocos finos e distintos de grafite, que contribuem para a fragilidade do material, criando pontos de concentração de tensão devido às suas bordas afiadas. Uma iteração mais recente, o ferro dúctil, passa por tratamento específico com vestígios de magnésio para transformar o grafite em esferóides ou nódulos. Esta modificação reduz significativamente as concentrações de tensão e aumenta substancialmente a tenacidade e resistência do material.
O ferro forjado é caracterizado por um teor de carbono abaixo de 0,25% e inclusões substanciais de escória, que conferem uma estrutura fibrosa. Este material apresenta resistência à corrosão superior em comparação ao aço. No entanto, foi amplamente substituído pelo aço-carbono, que, apesar da sua maior suscetibilidade à corrosão, oferece vantagens de custo e maior disponibilidade. O aço carbono normalmente compreende 2,0% de carbono ou menos, juntamente com pequenas quantidades de manganês, enxofre, fósforo e silício. Os aços-liga incorporam diversos níveis de carbono e outros elementos metálicos, incluindo cromo, vanádio, molibdênio, níquel e tungstênio. A inclusão destes elementos de liga aumenta os custos de produção, restringindo assim a sua aplicação principalmente a contextos especializados. O aço inoxidável representa uma liga de aço amplamente utilizada. Os avanços contemporâneos na metalurgia ferrosa levaram ao desenvolvimento de uma gama crescente de aços microligados, também conhecidos como aços de alta resistência e baixa liga (HSLA). Esses materiais incorporam adições mínimas para alcançar resistência excepcional e, muitas vezes, tenacidade notável com implicações de custo mínimo.
As ligas compostas de constituintes elementares de alta pureza, como aqueles derivados do ferro eletrolítico, exibem propriedades especificamente aprimoradas, incluindo ductilidade melhorada, resistência à tração, tenacidade, resistência à fadiga, resistência ao calor e resistência à corrosão.
Além de seus usos convencionais, o ferro também serve como material de proteção contra radiação ionizante. Apesar de ser menos denso que o chumbo, outro material de proteção estabelecido, o ferro possui resistência mecânica significativamente maior.
Uma principal desvantagem do ferro e do aço é a grave suscetibilidade do ferro puro e da maioria das suas ligas à ferrugem se deixados desprotegidos, incorrendo num fardo económico superior a 1% da economia global. Vários métodos, incluindo pintura, galvanização, passivação, revestimento plástico e azulamento, são empregados para proteger o ferro da corrosão. Estas técnicas funcionam impedindo o contato com água e oxigênio ou implementando proteção catódica. O mecanismo eletroquímico de ferrugem do ferro ocorre da seguinte forma:
- Cátodo: 3 O2 + 6 H2O + 12 e− → 12 OH−
- Ânodo: 4 Fe → 4 Fe2+ + 8 e−; 4 Fe2+ → 4 Fe3+ + 4 e−
- Geral: 4 Fe + 3 O2 + 6 H2O → 4 Fe3+ + 12 OH− → 4 Fe(OH)§89§ ou 4 FeO(OH) + 4 H§1011§O
Em ambientes urbanos, o eletrólito normalmente consiste em sulfato de ferro (II), que se forma quando o dióxido de enxofre atmosférico reage com o ferro. Nas regiões costeiras, as partículas de sal atmosférico servem como eletrólito.
Catalisadores e Reagentes
Dada a acessibilidade e a natureza não tóxica do ferro, muitas pesquisas têm se concentrado no desenvolvimento de catalisadores e reagentes à base de ferro. No entanto, o ferro é menos frequentemente utilizado como catalisador em processos industriais em comparação com metais mais caros. Em sistemas biológicos, as enzimas contendo ferro são onipresentes. Os catalisadores de ferro são convencionalmente utilizados no processo Haber-Bosch para síntese de amônia e no processo Fischer-Tropsch para converter monóxido de carbono em hidrocarbonetos, que são posteriormente usados como combustíveis e lubrificantes. Além disso, o ferro em pó em ambiente ácido é empregado na redução de Béchamp, facilitando a transformação do nitrobenzeno em anilina.
Compostos de Ferro
Uma mistura de óxido de ferro (III) e pó de alumínio pode ser inflamada para iniciar uma reação termite, que é aplicada na soldagem de componentes substanciais de ferro, como trilhos de trem, e na purificação de minério. Além disso, o óxido e o oxi-hidróxido de ferro (III) servem como pigmentos avermelhados e ocres. O cloreto de ferro (III) é empregado em diversas aplicações, incluindo purificação de água, tratamento de esgoto, tingimento de têxteis, como agente corante em tintas, aditivo em ração animal e um decapante para cobre durante a fabricação de placas de circuito impresso. Quando dissolvido em álcool, forma tintura de ferro, medicamento usado para estancar sangramentos em canários.
O sulfato de ferro (II) serve como precursor para a síntese de outros compostos de ferro e também é utilizado para reduzir o cromato no cimento. Além disso, é empregado na fortificação de alimentos e no tratamento da anemia ferropriva. O sulfato de ferro (III) facilita a sedimentação de partículas finas de esgoto na água do tanque. O cloreto de ferro (II) funciona como agente floculante redutor, contribui para a formação de complexos de ferro e óxidos de ferro magnéticos e atua como agente redutor na síntese orgânica.
O nitroprussiato de sódio funciona como vasodilatador e está incluído na Lista de Medicamentos Essenciais da Organização Mundial da Saúde.
Funções biológicas e patológicas
O ferro é um elemento indispensável à vida, formando aglomerados penetrantes de ferro-enxofre, como os encontrados na nitrogenase, que catalisa a fixação biológica de nitrogênio. Além disso, as proteínas que contêm ferro são cruciais para o transporte, armazenamento e utilização de oxigênio, bem como para processos de transferência de elétrons.
Em organismos superiores, exemplos proeminentes de proteínas contendo ferro incluem hemoglobina, citocromo e catalase. Um ser humano adulto médio normalmente possui aproximadamente 0,005% do peso corporal em ferro, o que equivale a cerca de quatro gramas. Três quartos desse ferro são incorporados à hemoglobina, uma concentração mantida consistentemente apesar da absorção diária de apenas cerca de um miligrama, devido à reciclagem eficiente da hemoglobina pelo corpo para seu conteúdo de ferro.
A proliferação microbiana pode ser facilitada através da oxidação do ferro(II) ou da redução do ferro(III).
Aspectos Bioquímicos
Organismos aeróbicos enfrentam um desafio significativo na aquisição de ferro devido à baixa solubilidade do ferro férrico em pH quase neutro. Consequentemente, estes organismos desenvolveram mecanismos para absorver o ferro como complexos, ocasionalmente internalizando o ferro ferroso antes da sua reoxidação em ferro férrico. Notavelmente, as bactérias desenvolveram agentes sequestrantes altamente eficazes e de alta afinidade, conhecidos como sideróforos.
Após a absorção celular em humanos, o armazenamento de ferro sofre uma regulação precisa. Um componente regulador primário é a proteína transferrina, que liga os íons de ferro absorvidos pelo duodeno e os transporta através da corrente sanguínea para várias células. A transferrina encapsula Fe3+ dentro de um ambiente de coordenação octaédrica distorcida, onde está ligada a um átomo de nitrogênio, três átomos de oxigênio e um ânion carbonato quelante que retém efetivamente o íon Fe3+. Sua constante de estabilidade excepcionalmente alta permite a absorção eficiente de íons Fe3+, mesmo de complexos altamente estáveis. Na medula óssea, o ferro ligado à transferrina é reduzido de Fe3+ para Fe2+ e subsequentemente armazenado como ferritina para eventual incorporação na hemoglobina.
Os compostos de ferro bioinorgânicos mais amplamente reconhecidos e investigados, muitas vezes chamados de moléculas biológicas de ferro, são as proteínas heme, exemplificadas pela hemoglobina, mioglobina e citocromo P450. Esses compostos são fundamentais no transporte de gases, na síntese de enzimas e nos processos de transferência de elétrons. As metaloproteínas constituem uma classe de proteínas caracterizadas pela presença de cofatores de íons metálicos; metaloproteínas de ferro incluem ferritina e rubredoxina. Numerosas enzimas essenciais para a vida, como catalase, lipoxigenases e IRE-BP, também incorporam ferro.
A hemoglobina, uma proteína transportadora de oxigênio encontrada nos glóbulos vermelhos, confere sua cor característica. Facilita o transporte de oxigênio através das artérias dos pulmões para os músculos, onde o oxigênio é posteriormente transferido para a mioglobina para armazenamento até ser necessário para a oxidação metabólica da glicose e geração de energia. Após a oxidação da glicose, a hemoglobina liga-se ao dióxido de carbono produzido, transportando-o através das veias (principalmente como ânions bicarbonato) de volta aos pulmões para exalação. Dentro da hemoglobina, o ferro está situado em um dos quatro grupos heme, possuindo seis potenciais locais de coordenação. Quatro desses locais são ocupados por átomos de nitrogênio dentro de um anel de porfirina, o quinto por um nitrogênio imidazol de um resíduo de histidina de uma cadeia proteica ligada e o sexto é designado para ligação reversível de oxigênio. Na ausência de oxigênio (formando a desoxihemoglobina), o íon Fe2+ no núcleo do grupo heme, localizado no interior da proteína hidrofóbica, adota uma configuração de spin alto. Isso o torna muito grande para caber dentro do anel de porfirina, que consequentemente se deforma em um formato de cúpula, posicionando o íon Fe2+ aproximadamente 55 picômetros acima dele. Nesta configuração específica, o sexto sítio de coordenação, destinado ao oxigênio, é obstruído por um resíduo adicional de histidina.
A ligação de uma molécula de oxigênio à desoxihemoglobina inicia uma mudança conformacional, em que um resíduo específico de histidina inicialmente se afasta e subsequentemente retorna para formar uma ligação de hidrogênio com o oxigênio ligado. Essa interação induz uma configuração de baixo spin no íon Fe2+, reduzindo seu raio iônico em 20% e permitindo sua acomodação dentro do anel porfirínico agora planar. Além disso, este mecanismo de ligação de hidrogênio faz com que a molécula de oxigênio se incline, estabelecendo um ângulo de ligação Fe – O – O de aproximadamente 120°. Esta orientação específica é crucial para prevenir a formação de pontes Fe–O–Fe ou Fe–O2–Fe, que de outra forma facilitariam a transferência de elétrons, levando à oxidação de Fe2+ a Fe3+, e à subsequente degradação da hemoglobina. Esses rearranjos moleculares se propagam por toda a proteína, alterando a forma de outras subunidades da hemoglobina e aumentando sua afinidade pelo oxigênio. Conseqüentemente, à medida que a desoxihemoglobina se liga ao oxigênio, sua afinidade por moléculas adicionais de oxigênio aumenta e vice-versa. Em contraste, a mioglobina, possuindo apenas um único grupo heme, não apresenta este fenómeno de ligação cooperativa. Portanto, embora a hemoglobina atinja quase a saturação de oxigênio nas altas pressões parciais características dos pulmões, sua afinidade pelo oxigênio permanece consideravelmente menor que a da mioglobina, que oxigena efetivamente mesmo sob as pressões parciais mais baixas encontradas no tecido muscular. O efeito Bohr, atribuído a Christian Bohr, elucida ainda mais que a afinidade da hemoglobina pelo oxigênio diminui na presença de dióxido de carbono.
O monóxido de carbono e o trifluoreto de fósforo exercem seus efeitos tóxicos em humanos ligando-se à hemoglobina com afinidade significativamente maior que o oxigênio, impedindo assim o transporte de oxigênio por todo o corpo. A hemoglobina complexada com monóxido de carbono é especificamente denominada carboxihemoglobina. Embora este mecanismo de ligação contribua marginalmente para a toxicidade do cianeto, o efeito predominante do cianeto envolve a sua profunda interferência com a proteína transportadora de electrões citocromo a. As proteínas do citocromo, que também incorporam grupos heme, são essenciais para a oxidação metabólica da glicose pelo oxigênio. Nessas proteínas, o sexto sítio de coordenação é normalmente ocupado por um nitrogênio imidazol ou por um enxofre metionina, tornando a maioria dos citocromos praticamente não reativos ao oxigênio. O citocromo a, entretanto, representa uma exceção, pois se liga diretamente ao oxigênio e é, consequentemente, altamente suscetível ao envenenamento por cianeto. Dentro desses sistemas, a transferência de elétrons ocorre à medida que o centro de ferro mantém um estado de baixo spin enquanto circula entre os estados de oxidação +2 e +3. O aumento incremental no potencial de redução em cada etapa facilita a liberação gradual de energia, que é posteriormente aproveitada para a síntese de trifosfato de adenosina. O citocromo a distingue-se ainda pela sua localização na membrana mitocondrial, pela sua interação direta com o oxigênio e pela sua capacidade de transportar prótons e elétrons, conforme detalhado abaixo:
- 4 Cytc2+ + O2 + 8H+
dentro → 4 Cytc3+ + 2 H§1516§O + 4H+
fora
Os mexilhões marinhos exibem uma adesão notável às rochas oceânicas, uma capacidade atribuída à utilização de ligações organometálicas à base de ferro dentro das suas cutículas ricas em proteínas. Investigações empregando réplicas sintéticas demonstraram que a incorporação de ferro nesses componentes estruturais melhora significativamente suas propriedades mecânicas, aumentando o módulo de elasticidade em 770 vezes, a resistência à tração em 58 vezes e a tenacidade em 92 vezes. Além disso, a resistência a danos permanentes foi aumentada por um fator de 76.
Nutrição
Fontes dietéticas
Embora o ferro seja onipresente, fontes dietéticas particularmente abundantes incluem carne vermelha, ostras, feijão, aves, peixes, vegetais de folhas verdes, agrião, tofu e melaço. Além disso, certos produtos de panificação e cereais matinais são frequentemente enriquecidos com ferro.
Os suplementos dietéticos frequentemente incorporam ferro na forma de fumarato de ferro(II), apesar do sulfato de ferro(II) ser uma alternativa mais econômica com eficiência de absorção comparável. O ferro elementar, também conhecido como ferro reduzido, é comumente adicionado a alimentos fortificados, como cereais matinais ou farinha de trigo enriquecida, embora sua taxa de absorção seja apenas um terço a dois terços da do sulfato de ferro. O ferro apresenta ótima biodisponibilidade quando quelado a aminoácidos, uma forma também utilizada em suplementos comuns de ferro. A glicina, sendo o aminoácido com melhor relação custo-benefício, é predominantemente empregada na produção de suplementos de glicinato de ferro.
Recomendações dietéticas
Em 2001, o Instituto de Medicina dos EUA (IOM) revisou suas Necessidades Médias Estimadas (EARs) e Dose Dietética Recomendada (RDAs) para ferro. A EAR atual para mulheres de 14 a 18 anos é de 7,9 mg/dia, aumentando para 8,1 mg/dia para mulheres de 19 a 50 anos e diminuindo para 5,0 mg/dia após a menopausa. Para homens com 19 anos ou mais, a EAR é de 6,0 mg/dia. A RDA para mulheres de 15 a 18 anos é de 15,0 mg/dia, 18,0 mg/dia para idades de 19 a 50 anos e 8,0 mg/dia a partir de então. Homens com 19 anos ou mais têm uma RDA de 8,0 mg/dia. As RDAs são estabelecidas em níveis mais elevados do que as EARs para acomodar indivíduos com necessidades elevadas de ferro. Durante a gravidez, a RDA é de 27 mg/dia e para a lactação é de 9 mg/dia. Crianças de 1 a 3 anos necessitam de 7 mg/dia, crianças de 4 a 8 anos necessitam de 10 mg/dia e crianças de 9 a 13 anos necessitam de 8 mg/dia. No que diz respeito à segurança, o IOM também define Níveis Superiores Toleráveis de Ingestão (ULs) para vitaminas e minerais quando existem evidências suficientes; para o ferro, o UL é fixado em 45 mg/dia. Esses valores coletivos - EARs, RDAs e ULs - são denominados Ingestões Dietéticas de Referência.
A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA) designa este conjunto abrangente de diretrizes nutricionais como Valores Dietéticos de Referência, empregando a Ingestão de Referência da População (PRI) no lugar da RDA e a Necessidade Média em vez da EAR. As definições de Ingestão Adequada (AI) e Nível Superior Tolerável de Ingestão (UL) estão alinhadas com as dos Estados Unidos. Para mulheres, o PRI é de 13 mg/dia para idades entre 15 e 17 anos, 16 mg/dia para mulheres na pré-menopausa com 18 anos ou mais e 11 mg/dia para mulheres na pós-menopausa. Durante a gravidez e lactação, o PRI é de 16 mg/dia. Homens com 15 anos ou mais têm PRI de 11 mg/dia. Para crianças de 1 a 14 anos, o PRI aumenta progressivamente de 7 para 11 mg/dia. Notavelmente, os PRIs da EFSA geralmente excedem as RDAs dos EUA, com exceção da gravidez. A EFSA, após revisar os mesmos dados de segurança, não estabeleceu um UL para o ferro.
Os bebês que consomem leite de vaca em mamadeira podem necessitar de suplementação de ferro. Indivíduos que doam sangue com frequência são suscetíveis a níveis reduzidos de ferro e são comumente aconselhados a aumentar sua ingestão de ferro.
Para fins de rotulagem de alimentos e suplementos dietéticos nos EUA, a quantidade de um nutriente por porção é apresentada como uma porcentagem do valor diário (%DV). Para o ferro, 100% do valor diário foi estabelecido em 18 mg e permanece nesse nível desde 27 de maio de 2016.
Deficiência
A deficiência de ferro representa a inadequação nutricional mais prevalente em todo o mundo. Quando a perda de ferro não é adequadamente compensada pela ingestão suficiente de ferro na dieta, surge um estado de deficiência latente de ferro que, se não for tratado, pode progredir para anemia por deficiência de ferro. Esta condição é caracterizada por uma contagem insuficiente de glóbulos vermelhos e níveis inadequados de hemoglobina. Crianças, mulheres na pré-menopausa (em idade fértil) e indivíduos com dietas abaixo do ideal são particularmente vulneráveis a esse distúrbio. Embora a maioria dos casos de anemia por deficiência de ferro sejam leves, os casos não tratados podem levar a complicações como batimentos cardíacos rápidos ou irregulares, resultados adversos na gravidez e comprometimento do crescimento em bebês e crianças.
O cérebro exibe resiliência à deficiência aguda de ferro devido ao transporte restrito de ferro através da barreira hematoencefálica. Consequentemente, as flutuações de curto prazo no estado sistêmico do ferro, indicadas pelos níveis séricos de ferritina, não refletem com precisão as concentrações cerebrais de ferro. No entanto, acredita-se que a deficiência nutricional prolongada de ferro diminua progressivamente os níveis de ferro no cérebro. Dentro do cérebro, o ferro é essencial para o transporte de oxigênio, síntese de mielina, respiração mitocondrial e serve como cofator para a síntese e metabolismo de neurotransmissores. Estudos em animais sobre deficiência nutricional de ferro documentaram alterações biomoleculares que lembram aquelas observadas nas doenças de Parkinson e Huntington. Por outro lado, o acúmulo de ferro no cérebro relacionado à idade também tem sido implicado na patogênese da doença de Parkinson.
Excesso
O corpo humano controla rigorosamente a absorção de ferro, carecendo de um mecanismo fisiológico específico para sua excreção. Consequentemente, a perda diária de ferro é mínima, ocorrendo principalmente através da eliminação de células epiteliais da mucosa e da pele; assim, os níveis sistémicos de ferro são predominantemente controlados através da regulação da absorção. Uma anomalia genética, localizada na região do gene HLA-H no cromossomo 6, pode comprometer a regulação da captação de ferro em certos indivíduos, resultando em níveis patologicamente reduzidos de hepcidina. A hepcidina é um regulador crucial para mamíferos que rege a entrada de ferro no sistema circulatório. Para os indivíduos afetados, o consumo excessivo de ferro pode precipitar condições de sobrecarga de ferro, clinicamente denominadas hemocromatose. Uma parcela significativa da população possui uma predisposição genética não diagnosticada à sobrecarga de ferro, muitas vezes sem conhecimento de história familiar da doença. Portanto, a suplementação de ferro é geralmente contra-indicada, a menos que seja prescrita por um médico após um diagnóstico de deficiência de ferro. Estima-se que a hemocromatose seja responsável por 0,3–0,8% de todas as patologias metabólicas observadas nas populações caucasianas.
As overdoses de ferro ingeridas podem levar a concentrações elevadas de ferro não ligado na corrente sanguínea. Níveis circulantes elevados de ferro ferroso livre interagem com os peróxidos, gerando radicais livres altamente reativos, capazes de infligir danos ao DNA, proteínas, lipídios e outros constituintes celulares. A toxicidade do ferro manifesta-se quando o ferro intracelular não está ligado, normalmente quando as concentrações de ferro ultrapassam a capacidade de ligação da transferrina. Além disso, os danos nas células do trato gastrointestinal podem prejudicar a sua capacidade de regular a absorção de ferro, exacerbando assim os níveis sistémicos de ferro. O ferro comumente inflige danos celulares em órgãos como o coração e o fígado, precipitando resultados adversos graves, incluindo coma, acidose metabólica, choque, insuficiência hepática, coagulopatia, danos crônicos em órgãos e mortalidade. A toxicidade do ferro em humanos é observada em doses superiores a 20 miligramas por quilograma de massa corporal, sendo 60 miligramas por quilograma considerado um limite letal. O consumo excessivo acidental de ferro, frequentemente decorrente da ingestão de quantidades substanciais de comprimidos de sulfato ferroso em formulação adulta por crianças pequenas, representa uma das principais causas toxicológicas de mortalidade em crianças menores de seis anos de idade. A Ingestão Dietética de Referência (DRI) estabelece o Nível Superior Tolerável de Ingestão (UL) em 45 mg/dia para adultos e 40 mg/dia para crianças menores de quatorze anos de idade.
O manejo clínico da toxicidade do ferro apresenta complexidades, envolvendo potencialmente a administração de deferoxamina, um agente quelante específico projetado para se ligar e facilitar a excreção do excesso de ferro do organismo.
Metabolismo cerebral do ferro
O ferro desempenha um papel crítico na função cerebral humana. Dentro do cérebro, a homeostase do ferro é rigorosamente mantida, mitigando assim os efeitos da deficiência e da sobrecarga. Caso estes mecanismos reguladores sejam comprometidos por inadequações nutricionais, especialmente durante a gestação e a infância, poderão ocorrer ramificações para a saúde a longo prazo; no entanto, estabelecer ligações causais directas é um desafio devido à frequente co-ocorrência de deficiências nutricionais com outros problemas de saúde. Embora o excesso de ferro esteja associado a certas doenças neurodegenerativas, a etiologia subjacente permanece indeterminada.
Ferro e Carcinogênese
O envolvimento do ferro na defesa do câncer é frequentemente caracterizado como uma “faca de dois gumes” devido à sua participação onipresente em processos fisiológicos. Pacientes submetidos à quimioterapia freqüentemente desenvolvem deficiência de ferro e anemia, necessitando de suplementação intravenosa de ferro para repor as reservas de ferro. Por outro lado, a sobrecarga de ferro, potencialmente induzida pelo consumo elevado de carne vermelha, pode promover a proliferação tumoral e aumentar a susceptibilidade ao desenvolvimento de cancro, especialmente carcinoma colorrectal.
Ferro em ecossistemas marinhos
O ferro é indispensável em ambientes marinhos, servindo frequentemente como nutriente limitante para a produtividade planctônica. Consequentemente, uma redução substancial na disponibilidade de ferro pode impedir as taxas de crescimento dos organismos fitoplanctónicos, incluindo as diatomáceas. Além disso, os microrganismos marinhos são capazes de oxidar o ferro em ambientes caracterizados por concentrações elevadas de ferro e condições hipóxicas.
O ferro pode entrar nos ecossistemas marinhos através de sistemas fluviais contíguos e deposição atmosférica direta. Após a sua entrada oceânica, o ferro sofre distribuição através da coluna de água, facilitada por processos de mistura oceânica e mecanismos de reciclagem a nível celular. Nas regiões árticas, o gelo marinho influencia significativamente o sequestro e a dispersão do ferro oceânico, levando ao seu esgotamento durante o congelamento do inverno e subsequente liberação na coluna de água após o degelo do verão. O ciclo do ferro medeia as transformações entre as formas aquosas e particuladas do ferro, modificando assim a sua biodisponibilidade para os produtores primários. Níveis elevados de radiação solar e energia térmica aumentam a proporção de ferro presente em formas biodisponíveis para os produtores primários.
Depósitos significativos de minério de ferro de importância econômica incluem: A Mina Carajás, situada no estado brasileiro do Pará, que é considerada o depósito de ferro mais extenso do mundo.
- Os depósitos de ferro economicamente importantes incluem:
- A Mina Carajás, no estado do Pará, Brasil, é considerada a maior jazida de ferro do mundo.
- El Mutún, na Bolívia, que contém aproximadamente 10% das reservas de minério de ferro facilmente acessíveis do mundo.
- A Bacia Hamersley representa o depósito de minério de ferro mais substancial da Austrália.
- Kiirunavaara, na Suécia, que abriga uma das reservas de minério de ferro mais extensas do planeta.
- A Cordilheira de Ferro Mesabi constitui a principal região de extração de minério de ferro nos Estados Unidos.
- O setor de produção de ferro e aço.
- O ciclo biogeoquímico do ferro.
- Nanopartículas à base de ferro.
- Nanopartículas de liga de ferro-platina.
- Fertilização oceânica com ferro, um método proposto para estimular a proliferação do fitoplâncton em ambientes marinhos.
- Bactérias capazes de oxidar o ferro.
- Uma compilação de nações categorizadas por seus volumes de produção de ferro.
- Peletização, procedimento industrial para transformar minério de ferro em pelotas.
- Ligas de ferro resistentes à corrosão.
- Aço, uma liga de ferro e carbono.
Referências
Bibliografia
- É Elemental – Ferro.
- Iron, conforme apresentado por The Periodic Table of Videos (Universidade de Nottingham).
- Metalurgia para não especialistas.
- Iron, de autoria de J. B. Calvert.