sintese de oxido de ferro

sintese de oxido de ferro

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas - FACETDepartamento de Química

Disciplina: Química Inorgânica I

Relatório referente à prática nº 4:

SÍNTESE DO ÓXIDO DE FERRO

Diamantina,25 de outubro de 2009

1.0. INTRODUÇÃO

O elemento ferro é muito antigo e importante na história da humanidade. Tem-se conhecimento de que quatro milênios antes de Cristo, povos antigos já utilizavam ferro oriundos de meteoritos que caíram na Terra. Este ferro oriundo de meteoritos estava combinado com outros elementos, normalmente níquel.

No entanto, sabe-se que a três mil anos antes de Cristo, o homem já produzia produtos partindo do ferro, sem níquel, no Egito e na Mesopotâmia. Lendas e histórias muito antigas são contadas até hoje da origem e utilização do ferro pelo homem, onde contam como este metal consolidou-se e definitivamente enrraizou-se em nossas mais variadas culturas. Como naquela época os povos eram distantes, séculos passavam-se até que uma tecnologia fosse entendida e adotada por outros povos.

Mesmo que conhecida e dominada, a tecnologia não era facilmente difundida por questões estratégicas e com o ferro não poderia ser diferente. Sabe-se que entre os séculos XII e X antes de Cristo, ocorreu um rápido crescimento na utilização do ferro, em detrimento ao bronze, acredita-se que este crescimento na utilização do ferro foi devido ao desenvolvimento de novas tecnologias para sua obtenção e a necessidade de elaboração e fabricação de novos armamentos e ferramentas, sem falar na dificuldade, cada vez maior, de se obter estanho e cobre, elementos importantes para fabricação de ligas de bronze.

O ferro foi tão importante para a humanidade, que determinou um período chamado de a Idade do Ferro. Tendo em vista que os objetos antigos de ferro são muito menos freqüentes do que objetos de bronze, os arqueólogos posicionaram a chamada Idade do Bronze antes da Idade do Ferro. Na China 2550 antes de Cristo já se utilizava o ferro para a fabricação de utensílios, na Grécia tem-se conhecimento de sua utilização por volta de 1000 antes de Cristo e na Europa Ocidental chegou somente por volta do século VII antes de Cristo.

O ferro fundido levou mais tempo para ser obtido na Europa, pois não se conseguia a temperatura necessária. Pouco tempo depois da queda do Império Romano, a produção do ferro desenvolveu-se bastante na Espanha tornando-se famosas as lâminas de aço de Toledo e seus artesãos. Estes iriam para a França e Alemanha onde introduziram a sua peculiar forja catalã, cujo desenvolvimento viria a originar as grandes fornalhas de fundição. Os produtos da forja catalã eram uma espécie de ferro maleável ou aço.

As grandes fornalhas produziam uma variedade de ferro que não podia ser forjado ou temperado, embora fosse adequado para todos os tipos de moldagem de resistência moderada. A descoberta, de um processo de transformação deste tipo de ferro em ferro forjado, com custos de produção consideravelmente mais baixos que os possíveis com a forja Catalã, deu um grande ímpeto à produção de ferro na Inglaterra.

O nome ferro deriva do latim ferrum, enquanto o anglo-saxônico iron tem origem no escandinavo iarn.

O ferro ligado ao carbono forma uma liga muito característica chamada de aço. O teor percentual de elementos adicionados ao ferro, quando de sua fundição, principalmente o carbono, determinam as propriedades mecânicas e metalúrgicas do aço. A participação percentual do carbono nas ligas de aço pode ser desde ínfima, ou seja 0,008% apenas e já causar aumento nas propriedades das ligas de aço, mas o carbono também pode ser adicionado até o teor de 2,11% e ainda a liga ser considerada aço, a partir daí, ou seja de 2,06% a 6,67% tem-se os ferros fundidos, que também são ligas de ferro-carbono mas possuem características distintas das do aço. A principal diferença entre os aços e os ferros fundidos, são que os aços aceitam deformação mecânica devido a sua ductilidade, enquanto que os ferros fundidos são ideais para confecção de peças fundidas finais, pois são mais frágeis e quebradiços. Um processo muito utilizado na antiguidade para fabricar peças de aço era o Forjamento, além da Fundição é claro. O forjamento era utilizado para fabricação de utensílios diversos, tais como ferramentas, ferraduras, implementos agrícola, e muito utilizado na fabricação de armamentos. O forjamento aumenta a resistência mecânica dos aços pois refina a sua estrutura metalúrgica por impacto, quebrando a estrutura bruta de fusão e aumentando as propriedades das ligas.

Adicionando ao aço, enxofre melhora-se a usinabilidade (aços resulfurados), adicionando cromo e níquel obtêm-se aumento na resistência à corrosão (aços inoxidáveis), adicionando molibdênio e tungstênio aumenta-se a resistência e a dureza (aços rápidos e aços ferramenta), dentre tantos outros exemplos, que se corretamente adicionados ao ferro para formar o aço, além do carbono, contribuem para a melhora do mesmo. Uma desvantagem do aço é que ele é facilmente corroído (oxidado) por ação química ou eletroquímica pelo meio ambiente no qual ele é utilizado, seu principal inimigo é o oxigênio, pois combinados formam a ferrugem (ou óxido de ferro). Um tipo de aço especial e muito nobre é o aço inoxidável, este possui agregado na liga, principalmente o cromo e o níquel, em teores elevados (18% e 8%), elementos que geram um filme protetor superficial que impede o contato do ferro com o oxigênio, não deixando o ferro oxidar e aumentando a vida útil das peças produzidas com este tipo de aço. Praticamente quase tudo que se produz hoje pelo homem tem a participação, em alguma etapa do processo produtivo, do aço.

Como visto acima pode-se observar que o ferro é o metal mais utilizado dentre todos os metais, e a fabricação do aço é de extrema importância em todo o mundo. Para as plantas e os animais, o ferro é o elemento mais importante dentre os metais de transição. Sua importância biológica reside na variedade de funções que seus compostos desempenham, por exemplo, no transporte de elétrons em plantas e animais (citocromos e ferredoxinas), no transporte de oxigênio no sangue de mamíferos (hemoglobina), no armazenamento e absorção de ferro (ferritina e transferrina) como componente da nitrogenase (a enzima fixadora de nitrogênio das bactérias. O ferro forma diversos complexos de estruturas pouco comuns, como o ferroceno.

Os principais estados de oxidação do Fe são (+II) e (+III). O Fe (+II) é a espécie mais estável, e existe em solução aquosa. O Fe (+III) é ligeiramente oxidante, mas as estabilidades dos íons Fe(+II) e Fe(+III) são mais semelhantes que as estabilidades dos elementos dos grupos anteriores nos mesmos estados de oxidação.

O ferro puro tem cor prateada, não é muito duro, e é bastante reativo. O metal finamente dividido é pirofórico. O ar seco tem pouco efeito sobre o ferro maciço, mas o ar úmido facilmente oxida o metal ao óxido férrico hidratado (ferrugem). Este é constituído por camadas não aderentes que se soltam, expondo mais metal para posterior reação. O ferro se dissolve em ácidos não-oxidantes diluídos a frio, formando Fe2+ e liberando hidrogênio. Se o ácido estiver morno ou houver presença de ar, certa quantidade de íons Fe3+ será formada ao lado de íons Fe2+. Ácidos oxidantes geram apenas Fe3+.

A ferrugem é um nome conhecido para um composto muito comum: o óxido de ferro. O óxido de ferro, cuja fórmula é Fe2O3, é comum porque o ferro se combina rapidamente com o oxigênio, tão rapidamente que quase não encontramos ferro puro na natureza. O ferro (ou aço) enferrujando é um exemplo de corrosão: um processo eletroquímico que envolve um ânodo (um pedaço de metal que prontamente perde elétrons), um eletrólito (um líquido que auxilia os elétrons a se moverem) e um cátodo (um pedaço de metal que prontamente aceita elétrons). Quando um pedaço de metal corrói, é o eletrólito que ajuda a fornecer oxigênio ao ânodo. Como o oxigênio se combina com o metal, os elétrons são liberados. Quando os elétrons fluem pelo eletrólito até o cátodo, o metal do ânodo desaparece levado pelo fluxo de elétrons ou convertido em cátions de metal como a ferrugem.

Para que o ferro se torne óxido de ferro, são necessárias três coisas: ferro, água e oxigênio. Eis o que acontece quando eles ficam juntos: quando uma gota de água atinge um objeto de ferro, duas coisas começam a acontecer quase que imediatamente. A primeira é que a água (um bom eletrólito) se combina com o dióxido de carbono do ar para formar um ácido carbônico fraco, que é um eletrólito ainda melhor. Conforme o ácido se forma e o ferro se dissolve, uma parte da água irá começar a se quebrar em seus dois componentes: hidrogênio e oxigênio. O oxigênio livre e o ferro dissolvido se ligam para formar óxido de ferro, liberando elétrons no processo. Os elétrons liberados do ânodo do ferro seguem para o cátodo, que pode ser um pedaço de metal eletricamente menos reativo do que o ferro, ou até outro ponto do mesmo pedaço de ferro.

Os compostos químicos encontrados em líquidos como a chuva ácida, água do mar e a neve salgada que cai nas estradas próximas aos grandes lagos fazem deles eletrólitos melhores do que a água pura, permitindo que acelerem o processo de ferrugem e de outras formas de corrosão em outros metais.

A ferrugem é o resultado da oxidação do ferro. Este metal em contato com o oxigênio presente na água e no ar se oxida e desta reação surge a ferrugem que deteriora pouco a pouco o material original. Para evitar que as máquinas, ferramentas e demais objetos feitos de ferro se decomponham por causa da oxidação é necessário evitar que o entrem em contato com o oxigênio, o que pode ser obtido através da pintura, ou cobertura da superfície de ferro com óleo ou outras substâncias lubrificantes, ou ainda através da mistura com metais de sacrifício.

Oxidação e redução

Na formação da ferrugem, ocorre a oxidação do ferro e redução do oxigênio. A soma das duas equações leva à equação geral da formação da ferrugem:

Fe(s) → Fe2+ + 2e- (oxidação do ferro)

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (redução do oxigênio)

2Fe + O2 + 2H2O → 2Fe(OH)2 (equação geral da formação da ferrugem)

Geralmente o Fe(OH)2 (hidróxido de ferro II) é oxidado a Fe(OH)3 (hidróxido de ferro III), que é muitas vezes representado por Fe2O3 . 3H2O. A presença de íons em contato com o ferro facilita sua oxidação, por isso em regiões litorâneas (contêm maior concentração de sais) a ferrugem aparece com maior freqüência.

Para prevenir a corrosão, O2, H2O e as impurezas devem ser excluídas. Na prática, o ferro recebe um revestimento protetor para impedir o acesso de água. Usa-se em larga escala a eletrodeposição de uma fina camada de Sn sobre o ferro. Outros procedimentos incluem: mergulhar o ferro quente em zinco fundido, a galvanização (eletrodeposição de zinco), a sherardização, e a pintura com vermelho de chumbo (zarcão). Outro tratamento eficiente é a conversão da camada mais externa dos objetos de ferro em fosfato de ferro. Isso pode ser efetuado por tratamento com ácido fosfórico ou soluções ácidas de Mn(H2PO4) ou Zn(H2PO4), nos processos conhecidos como parkerização e bonderização. Alternativamente, pode-se utilizar um metal como anodo de sacrifício, que torna o ferro o catodo na célula eletrolítica.

Os óxidos, por sua forte ligação química metálica, possuem resistência extremamente forte à luz. Isto também se dá devido à ligação do íon ferro ser a mais estável, ou seja, sua oxidação garante uma estabilidade que, em condições normais, não é quebrada. Em índices comparativos, os óxidos têm resistência à luz de 8, em pleno e em corte.

Os pigmentos a base de óxido possuem a seguinte constituição química:

Cor

Componente

Fórmula

Variações de Cor

Vermelho

Óxido de ferro III

α – Fe2O3

Amarelo - Azul

Amarelo

Hidróxido de Ferro

α - FeOOH

Verde - Vermelho

Preto

Óxido de ferro II e III

Fe3O4

Azul - Vermelho

Marrom

Óxido de ferro

Misturas

-

Verde

Óxido de Cromo

Cr2O3

Azul - Amarelo

Azul

Óxido de Cobalto

Co(Al,Cr)2O4

Vermelho - Verde

Tabela 2. Demonstrativo dos produtos mais comuns à base de óxido.

O pH dos óxidos pode variar e suas aplicações são diversas. No entanto, em geral, são utilizados em sistemas base solvente, água, plásticos, fibras e construção civil entre outras aplicações.

Devido à alta opacidade e poder de cobertura, são comumente utilizados em combinação com outros pigmentos orgânicos e corantes para “dar fundo” e reduzir custos de formulações.

Existem ainda alguns óxidos amarelos que são constituídos por Fe.ZnO, Fe(MnO4), que são produtos especiais para altas resistências térmicas, especialmente desenvolvidos para o mercado de plásticos.

Os óxidos naturais (em geral de ferro) são produtos diferentes dos óxidos sintéticos. Eles mantêm as propriedades químicas dos mesmos, porém, mesmo existindo produtos com excelente qualidade, em geral, possuem teor de Fe2O3 (como é medido o teor de óxidos) em proporção menor e contaminantes.

2.0. OBJETIVO

Realizar a síntese doalúmen óxido de ferro.

3.0. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.1 Materiais e reagente

  • Sulfato férrico

  • Solução de hidróxido de amônia

  • Água destilada

  • Béquer de 50mL

  • Proveta de 50mL

  • Funil

  • Erlenmeyer

  • Balança analítica

  • Papel de filtro

  • Bastão de vidro

3.2 Procedimento

Pesou-se 7,4319g de sulfato férrico. A amostra foi diluída para 50 mL, e em seguida foi adicionada lentamente uma solução de hidróxido de amônio 25% até a precipitação de todo Fe (III). A agitação foi efetuada brandamente com bastão de vidro e em seguida aguardou-se a decantação para verificação da cor do liquido sobrenadante. Em seguida lavou-se o precipitado com água destilada e efetuou-se a filtração.

Após completo o processo de filtração, o material foi calcinado a aproximadamente 600 °C. Após o resfriamento o material foi retirado, resfriado em dessecador e pesado.

4.0 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Pesou-se 7,5098g de [NH4Fe(SO4)2].12H2O.A síntese do oxido de ferro a partir da reação entre o sulfato férrico e o hidróxido de amônio (NH4OH) pôde ser efetuada com eficiência, de acordo com a reação que se segue:

O Fe3+ precipita-se na forma de hidróxido de ferro III, formando um sólido vermelho tijolo gelatinoso. O peso do precipitado após a calcinação foi de ----------.

O rendimento da reação foi calculado abaixo:

Um uso significativo do óxido de ferro é a sua utilização em pigmentos. Eles são largamente utilizados no mercado por algumas de suas características: opacidade elevada, alto poder de cobertura, facilidade de uso, ótima relação custo/benefício, possibilidade de produtos Micronizados e baixa absorção de óleo.

5.0 CONCLUSÃO

Através de sulfato férrico e hidróxido de amônio pode-se preparar em laboratório com baixo custo e de forma bastante simples o óxido de ferro com um rendimento de.

6.0 REFERÊNCIA:

  1. Lee, J. D. Química Inorgânica não tão concisa, 5ª. Ed., São Paulo: Ed. Edgard Blücher Ltda, 1999.

  2. Shriver, D. F. e Atkins, P. W. Química Inorgânica, 3 ª. Ed., Porto Alegre: Bookman, 2003..

  3. Sítio Internet. Disponível em: <http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos

/artigo10094/index.html> Acesso em: 25 out. 2009.

  1. Sítio Internet. Disponível em:<http://www.metalmundi.com/si/site/0242 >. Acesso em: 25 out. 2009.

  2. Sítio Internet. Disponível em:<http://www.abiquim.org.br/corantes/cor_aplica

coes.asp > Acesso em: 25 out. 2009.

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