Quando você pondera sobre a origem do ferro, sua mente provavelmente divaga em visões de usinas siderúrgicas, da era medieval forjas ou algum outro processo de fabricação caracterizado por trabalho duro e prático e muito alto temperaturas. Mas além de ser um tipo de metal usado de várias maneiras na indústria humana, o ferro também é um elemento, não um composto ou liga, o que significa que é possível isolar um único átomo de ferro. Isso não é verdade para a maioria dos materiais familiares; por exemplo, a menor quantidade de água que ainda pode ser chamada de água inclui três átomos, um deles oxigênio e os outros dois hidrogênio.
Curiosamente, embora as pessoas associem o ferro a temperaturas excepcionalmente altas em ambientes de manufatura aqui em Terra, o ferro como elemento deve sua existência a eventos tão quentes e tão distantes que os números envolvidos dificilmente senso. Assim, a realização de um estudo de como o ferro é feito requer dois processos paralelos: Explorando como o ferro veio a ser e como ele atingiu a Terra, e como as pessoas na Terra fazem e usam o ferro para uso diário, bem como especializado Atividades. Esses tópicos, por sua vez, convidam a uma discussão sobre o uso do ferro nos e pelos sistemas vivos e uma visão geral de como os vários elementos se originam e se espalham pelo cosmos.
Uma breve história do ferro
O ferro é conhecido pela humanidade desde cerca de 3500 a.C., ou há mais de 5.500 anos. Seu nome é derivado da versão anglo-saxônica, que era "iren". O símbolo de ferro da tabela periódica Fe vem da palavra latina para ferro, que é ferrum. Se você estiver lendo uma farmácia e por acaso encontrar suplementos de ferro, notará que a maioria dos nomes são "ferrosos" alguma coisa (como sulfato ou gluconato). Sempre que vir a palavra "ferroso" ou "férrico" em um contexto químico, você deve reconhecer imediatamente que o ferro está sendo discutido; "irônico", embora seja uma palavra esplêndida e útil, não tem papel no mundo da ciência física.
Fatos de química sobre o ferro
O ferro (abreviado como Fe) é classificado como um metal não apenas para fins diários, mas também na tabela periódica dos elementos (consulte Recursos para obter um exemplo interativo). Isso provavelmente não é nenhuma surpresa, mas, na verdade, os metais superam os não-metais na natureza por uma larga margem; dos 113 elementos que os humanos descobriram ou criaram em laboratórios, 88 são classificados como metais.
Os átomos, como você já deve saber, consistem em um núcleo contendo uma mistura de prótons e nêutrons de massa aproximadamente igual cercada por uma "nuvem" de elétrons quase sem massa. Prótons e elétrons carregam cargas de igual magnitude, mas a carga dos prótons é positiva, enquanto a dos elétrons é negativa. O número atômico do ferro é 26, o que significa que o ferro tem 26 prótons e 26 elétrons em seu estado eletricamente neutro. Sua massa atômica, que quando arredondada é simplesmente a soma de prótons e nêutrons, é apenas tímida de 56 gramas por mol, o que significa que sua forma quimicamente mais estável contém (56 - 26) = 30 nêutrons.
O ferro possui algumas propriedades físicas formidáveis. Tem uma densidade de 7,87 g / cm3, tornando-o quase oito vezes mais denso que a água. (A densidade é a massa por unidade de volume; água é definida como 1,0 g / cm3 por convenção.) O ferro é um sólido a 20 graus Celsius (68 F), geralmente considerado "temperatura ambiente" para fins químicos. Seu ponto de fusão é extremamente alto 1538 C (2800 F), enquanto seu ponto de ebulição - isto é, a temperatura na qual o ferro líquido começa a evaporar e se tornar gás - é de 2861 C (5182 F) escaldantes. Não é de se admirar, então, que na metalurgia, os tipos de fornos usados devam ser extraordinariamente poderosos.
O ferro, em massa, é o quarto elemento mais abundante na crosta terrestre. A participação total do ferro na Terra pode ser consideravelmente maior, dado que se acredita que o núcleo derretido do planeta consiste principalmente de ferro liquefeito, níquel e enxofre. Quando o ferro é extraído do solo nas operações de mineração, ele está na forma de minério, que é ferro elementar misturado a um ou mais tipos de rocha. O tipo mais comum de minério de ferro é a hematita, mas a magnetita e a taconita também são fontes significativas desse metal.
O ferro enferruja ou corrói com muita facilidade em comparação com outros metais. Isso cria problemas para os engenheiros porque, atualmente, nove décimos do metal que é refinado inclui o ferro.
Usos do Ferro
A maior parte do ferro extraído para uso humano acaba na forma de aço. "Aço" é uma liga, o que significa uma mistura de metais. Uma forma popular desse produto hoje é chamada de aço carbono, o que é um tanto enganoso porque o carbono contribui com apenas uma pequena fração da massa desse aço em todas as suas formas. Na forma de aço carbono com maior teor de carbono, o carbono é responsável por cerca de 2% da massa do metal; esse número pode variar até 1/10 de 1 por cento sem que o metal perca o título de "aço carbono".
O aço carbono pode, por sua vez, ser estrategicamente adulterado com outros metais para produzir ligas com certas propriedades desejáveis. O aço inoxidável, por exemplo, é uma forma de aço carbono que possui uma quantidade significativa de cromo - mais de 10% em massa. Este material é conhecido por sua durabilidade e sua tendência de manter sua aparência brilhante e lustrosa por longos períodos devido à sua alta resistência à corrosão. O aço inoxidável tem destaque na arquitetura, rolamentos de esferas, instrumentos cirúrgicos e talheres. As chances são boas de que, se você puder ver seu reflexo claramente em uma superfície puramente metálica, esteja olhando para um tipo de aço inoxidável.
Quando quantidades judiciosas de metais como níquel, vanádio, tungstênio e manganês são integradas ao aço, isso torna uma substância já dura ainda mais dura; esses aços-liga são, portanto, adequados para inclusão em pontes, instrumentos de corte e componentes de rede elétrica.
Um tipo de ferro diferente do aço chamado ferro fundido inclui uma grande quantidade de carbono (pelos padrões da metalurgia do ferro, pelo menos): 3 a 5 por cento. O ferro fundido não é tão resistente quanto o aço, mas é consideravelmente mais barato, portanto, ao passar do aço para o fundido ferro, você faz o mesmo trade-off geral que você faz quando vai da costela para 70 por cento magro Hamburger.
Como o ferro é feito?
O ferro na Terra é feito, ou mais apropriadamente extraído, do minério de ferro. A porção "rocha" do minério de ferro contém oxigênio, areias e argilas em quantidades variáveis dependendo do tipo de minério. O trabalho de uma fábrica de ferro, como eram chamadas as primeiras dessas fábricas, é remover o máximo possível de rocha e outros grãos, deixando o ferro para trás - um pouco diferente a princípio de descascar um amendoim ou descascar uma laranja para chegar à parte boa, exceto que, no caso do minério de ferro, o ferro não fica apenas envolto em materiais descartáveis material; está bem misturado com ele.
Apesar das temperaturas assustadoras e dos desafios físicos gerais das ferragens, os humanos já as usavam em tempos pré-cristãos. O trabalho com ferro alcançou pela primeira vez as Ilhas Britânicas por meio da Europa continental e da Ásia Ocidental no século V a.C. Naquela época, o ferro estava fisicamente separado do material indesejado em toda a extensão possível usando apenas carvão, argila e o próprio minério, aquecido a temperaturas que eram modestas em comparação com o que seria Segue. De qualquer forma, a fundição estava em andamento por volta de 1500 a.C., mas quase 30 séculos depois, em 1400, o alto-forno foi inventado, mudando a "indústria" (tal como era) radicalmente e para sempre.
Hoje, o ferro é feito por aquecimento de hematita ou magnetita em um alto-forno junto com uma forma de carbono chamada "coque", bem como carbonato de cálcio (CaCO3), mais conhecido como calcário. Isso produz um composto que contém cerca de 3 por cento de carbono e outros adulterantes - não é de qualidade ideal, mas bom o suficiente para fazer aço. Todos os anos, cerca de 1,3 bilhão de toneladas métricas (cerca de 1,43 bilhão de toneladas americanas, ou quase 3 trilhões de libras) de aço bruto são produzidos em todo o mundo.
De onde veio o ferro?
De onde o ferro de sua lava-louças de aço inoxidável ou de seu fogão a lenha "vem" talvez seja uma questão muito menos interessante do que como o ferro passou a existir em qualquer parte do universo, em primeiro lugar. O ferro é considerado um elemento pesado, e os elementos desse tipo só podem ser criados em eventos catastróficos de "morte estelar" chamados supernovas. Enquanto a maioria das estrelas desaparece ao queimar seu suprimento de combustível de hidrogênio, algumas estrelas literalmente se apagam com um estrondo.
Estes são eventos estatisticamente raros, ocorrendo apenas algumas vezes a cada cem anos ao longo da extensão de toda a Via Láctea, a enorme pilha de estrelas em rotação lenta e outras substâncias que os humanos chamam casa. Mas eles também são de vital importância. Sem eles, as forças necessárias para fazer com que elementos menores consideráveis se fundissem no impacto e criassem elementos ainda maiores, como ferro, cobre, mercúrio, ouro, iodo e chumbo, não existiriam. E o tempo todo, uma certa fração desses elementos viaja longas distâncias pelo espaço e se estabelecem na Terra, às vezes na forma de colisões de meteoritos.
Como os elementos são formados na natureza?
Acredita-se que o ferro represente o ponto de corte aproximado em termos de elementos que podem ser gerados por processos de combustão em estrela (como se esses próprios processos fossem verdadeiramente "comuns" de alguma forma) e aqueles que só podem ser criados por supernovas.
A maioria dos elementos - oxigênio, número atômico 8, através, mas provavelmente não incluindo ferro, número atômico 26 - são feitos quando uma estrela começa a exaurir seu suprimento de hidrogênio. A razão de uma estrela "queimar" é que ela está constantemente passando por inúmeras reações de fusão, com hidrogênio, o elemento mais leve (número atômico 1) colidindo com outros átomos de hidrogênio para formar hélio (número atômico 2). Eventualmente, na parte mais interna da estrela, os átomos de hélio colidem em grupos para formar o carbono (número atômico 6).
Ferro no corpo humano
Você provavelmente reconhece o ferro como sendo essencial na dieta humana com base apenas em declarações de publicidade de fabricantes de alimentos ("Este cereal contém 100 por cento da dose diária recomendada dos EUA de ferro!"). Você pode não saber por que isso acontece, no entanto.
Acontece que o corpo humano típico contém cerca de 4 gramas de ferro elementar. Isso pode não parecer muito, mas por que seu corpo precisaria de algum metal? Na verdade, o ferro é uma parte essencial da hemoglobina, a proteína de ligação ao oxigênio encontrada nos glóbulos vermelhos (RBC). Os eritrócitos transportam oxigênio dos pulmões para os tecidos, onde é usado na respiração celular.
Quando as pessoas ficam deficientes em ferro devido à ingestão insuficiente de alimentos (o ferro é encontrado nas carnes, particularmente carnes de órgãos, bem como certos grãos) ou estados de doença sistêmica, seus eritrócitos não podem cumprir trabalho corretamente. Nessa condição, chamada de anemia, as pessoas ficam com falta de ar após uma pequena quantidade de esforço e freqüentemente sofrem de fadiga, dores de cabeça e fraqueza geral. Em casos graves, uma transfusão de sangue pode ser necessária para corrigir a anemia, embora normalmente a correção seja feita com a suplementação com comprimidos e líquidos contendo ferro.