Qual é o estado de oxidação do ferro? Grande enciclopédia de petróleo e gás

O ferro está bastante difundido na crosta terrestre, representando cerca de 4,1% da massa. crosta da terrra(4º lugar entre todos os elementos, 2º lugar entre os metais). No manto e na crosta, o ferro concentra-se principalmente em silicatos, enquanto seu conteúdo é significativo nas rochas básicas e ultrabásicas e baixo nas rochas ácidas e intermediárias. Um grande número de minérios e minerais contendo ferro são conhecidos. De maior importância prática são o minério de ferro vermelho (hematita, Fe 2 O 3; contém até 70% de Fe), minério de ferro magnético (magnetita, FeFe 2 O 4, Fe 3 O 4; contém 72,4% de Fe), minério de ferro marrom ou limonita (goethita e hidrogoetita, respectivamente FeOOH e FeOOH nH 2 O) hematita magnetita limonita goethita

Siderite FeCO 3 contém aproximadamente 35% de ferro. Tem uma cor branco-amarelada (com tonalidade cinzenta ou castanha se estiver suja). Siderite Mispickel FeAsS contém 34,3% de ferro. Mispickel Löllingite FeAs 2 contém 27,2% de ferro Löllingite ilmenite FeTiO 3 ilmenite magnetite (Fe, Mg) fibroferrite FeSO 4 (OH) 4,5H 2 O jarosita KFe 3 (SO 4) 2 (OH) 6 jarosita

Os principais estados de oxidação do ferro são +2 e +3. Quando armazenado ao ar em temperaturas de até 200 °C, o ferro é gradualmente coberto por uma densa película de óxido, que evita maior oxidação do metal. No ar úmido, o ferro fica coberto por uma camada solta de ferrugem, o que não impede o acesso de oxigênio e umidade ao metal e sua destruição. A ferrugem não tem permanente composição química, aproximadamente ela Fórmula química pode ser escrito como Fe 2 O 3 xH 2 O. óxido de ferrugem

O ferro reage com o oxigênio quando aquecido. Quando o ferro queima no ar, forma-se óxido de Fe 3 O 4, quando queima em oxigênio puro, forma-se óxido de Fe 2 O 3. Se oxigênio ou ar passarem pelo ferro fundido, forma-se óxido de FeO. Quando o enxofre e o pó de ferro são aquecidos, forma-se o sulfeto, cuja fórmula aproximada pode ser escrita como FeS. oxigênioFe 3 O 4Fe 2 O 3 FeO enxofre

História

O ferro, como material de ferramenta, é conhecido desde a antiguidade. Os objetos de ferro mais antigos encontrados durante escavações arqueológicas datam do 4º milênio aC. e. e pertencem às antigas civilizações suméria e egípcia. São feitos de ferro de meteorito, ou seja, uma liga de ferro e níquel (o teor deste último varia de 5 a 30%), joias de tumbas egípcias (cerca de 3.800 aC) e uma adaga da cidade suméria de Ur (cerca de 3100 aC).e.). Aparentemente, um dos nomes do ferro em grego e Línguas latinas: “sider” (que significa “estrelado”).

Os produtos feitos de ferro obtido por fundição são conhecidos desde a colonização das tribos arianas da Europa à Ásia, às ilhas mar Mediterrâneo, em diante (final do 4º e 3º milênio aC). As ferramentas de ferro mais antigas conhecidas são lâminas de aço encontradas na alvenaria da Pirâmide de Quéops, no Egito (construída por volta de 2.530 aC). Como mostraram as escavações no deserto da Núbia, já naquela época os egípcios, tentando separar o ouro extraído da areia pesada de magnetita, calcinavam o minério com farelo e substâncias semelhantes contendo carbono. Como resultado, uma camada de ferro pastoso flutuou na superfície do ouro fundido, que foi processado separadamente. Ferramentas foram forjadas com esse ferro, incluindo aquelas encontradas na pirâmide de Quéops. No entanto, após o neto de Quéops Menkaur (2.471-2.465 aC), a turbulência se seguiu no Egito: a nobreza, liderada pelos sacerdotes do deus Rá, derrubou a dinastia governante, e um salto de usurpadores começou, terminando com a ascensão do faraó da dinastia seguinte, Userkar, a quem os sacerdotes declararam filho e encarnação do próprio deus Rá (desde então, este se tornou o status oficial dos faraós). Durante esta turbulência, o conhecimento cultural e técnico dos egípcios entrou em declínio e, assim como a arte de construir pirâmides se degradou, a tecnologia de produção de ferro foi perdida, a tal ponto que mais tarde, ao explorar a Península do Sinai em busca de cobre minério, os egípcios não deram atenção às jazidas de minério de ferro que ali existiam, e receberam ferro dos vizinhos hititas e mitanianos.

Os primeiros a dominar a produção de ferro foram os Hutts, o que é indicado pela menção mais antiga (2º milênio aC) ao ferro nos textos dos hititas, que fundaram seu império no território dos Hutts (atual Anatólia na Turquia). Assim, o texto do rei hitita Anitta (cerca de 1800 a.C.) diz:

Quando fui em campanha para a cidade de Puruskhanda, um homem da cidade de Puruskhanda veio se curvar diante de mim (...?) e me presenteou com 1 trono de ferro e 1 cetro de ferro (?) como sinal de submissão (?) ...

(fonte: Giorgadze G. G.// Mensageiro história antiga. 1965. № 4.)

Nos tempos antigos, os Khalibs eram conhecidos como mestres dos produtos de ferro. A lenda dos Argonautas (sua campanha na Cólquida ocorreu cerca de 50 anos antes da Guerra de Tróia) conta que o rei da Cólquida, Eet, deu a Jasão um arado de ferro para que ele pudesse arar o campo de Ares, e seus súditos, os Calibres , são descritos:

Eles não aram a terra, não plantam árvores frutíferas, não pastoreiam rebanhos em prados ricos; eles extraem minério e ferro de terras não cultivadas e trocam alimentos por eles. O dia não começa para eles sem muito trabalho; eles passam o dia inteiro na escuridão da noite e na fumaça espessa...

Aristóteles descreveu seu método de produção de aço: “os Khalibs lavaram várias vezes a areia do rio de seu país, liberando assim o concentrado preto (uma fração pesada composta principalmente de magnetita e hematita), e o fundiram em fornos; O metal assim obtido tinha cor prateada e era inoxidável.”

Como matéria-prima para a fundição do aço, foram utilizadas areias de magnetita, frequentemente encontradas ao longo de toda a costa do Mar Negro: essas areias de magnetita consistem em uma mistura de pequenos grãos de magnetita, titano-magnetita ou ilmenita, e fragmentos de outras rochas, então que o aço fundido pelos Khalibans era ligado e tinha excelentes propriedades. Este método único de obtenção de ferro sugere que os Khalibs apenas espalharam o ferro como material tecnológico, mas seu método não poderia ser um método para a ampla produção industrial de produtos de ferro. No entanto, a sua produção serviu de impulso para desenvolvimento adicional metalurgia do ferro.

Nos tempos antigos, o ferro era mais valorizado que o ouro e, de acordo com a descrição de Estrabão, as tribos africanas davam 10 libras de ouro por 1 libra de ferro e, de acordo com a pesquisa do historiador G. Areshyan, o custo do cobre, prata, ouro e o ferro entre os antigos hititas estava na proporção 1: 160 : 1280: 6400. Naquela época, o ferro era usado como metal para joias: tronos e outras regalias do poder real eram feitos a partir dele: por exemplo, o livro bíblico de Deuteronômio 3.11 descreve a “cama de ferro” do rei Refaim Og.

No túmulo de Tutancâmon (por volta de 1350 aC), foi encontrada uma adaga de ferro com moldura dourada - possivelmente um presente dos hititas para fins diplomáticos. Mas os hititas não aspiraram à difusão generalizada do ferro e das suas tecnologias, o que fica claro pela correspondência que nos chegou. Faraó egípcio Tutancâmon e seu sogro Hattusil, rei dos hititas. Faraó pede para enviar mais ferro, e o rei dos hititas responde evasivamente que as reservas de ferro secaram e os ferreiros estão ocupados com o trabalho agrícola, por isso ele não pode atender ao pedido do genro real e envia apenas uma adaga feita de “ferro bom ”(isto é, aço). Como você pode ver, os hititas tentaram usar seu conhecimento para obter vantagens militares e não deram aos outros a oportunidade de alcançá-los. Aparentemente, é por isso que os produtos de ferro só se difundiram após a Guerra de Tróia e a queda do poder hitita, quando, graças à atividade comercial dos gregos, a tecnologia do ferro tornou-se conhecida por muitos e novos depósitos e minas de ferro foram descobertos. Assim, a Idade do “Bronze” foi substituída pela Idade do “Ferro”.

Segundo as descrições de Homero, embora durante a Guerra de Tróia (cerca de 1250 a.C.) as armas fossem feitas principalmente de cobre e bronze, o ferro já era bem conhecido e muito procurado, embora mais como metal precioso. Por exemplo, na 23ª canção da Ilíada, Homero diz que Aquiles concedeu um disco de ferro ao vencedor de uma competição de lançamento de disco. Os aqueus extraíram este ferro dos troianos e dos povos vizinhos (Ilíada 7.473), incluindo os Khalibs, que lutaram ao lado dos troianos:

“Outros homens aqueus compraram vinho por escambo,
Eles os trocaram por cobre vibrante, por ferro cinzento,
Aqueles para couro de boi ou bois de chifres íngremes,
Aqueles para os seus completos. E uma festa alegre foi preparada..."

Talvez o ferro tenha sido uma das razões que levou os gregos aqueus a se mudarem para Asia menor, onde aprenderam os segredos da sua produção. E escavações em Atenas mostraram isso já por volta de 1100 AC. e. e mais tarde espadas de ferro, lanças, machados e até pregos de ferro já eram comuns. O livro bíblico de Josué 17:16 (cf. Juízes 14:4) descreve que os filisteus (bíblico "PILISTIM", e estas eram tribos proto-gregas relacionadas com os helenos posteriores, principalmente Pelasgians) tinham muitos carros de ferro, isto é, nisto Na época, o ferro já era amplamente utilizado em grandes quantidades.

Homero, na Ilíada e na Odisséia, chama o ferro de “metal duro” e descreve o endurecimento das ferramentas:

“O falsificador eficiente, tendo feito um machado ou machado,
Metal na água, aquecendo-a para que dobre
Ele tinha uma fortaleza, ele imergia..."

Homero chama o ferro de difícil porque antigamente o principal método de sua produção era o processo de sopro de queijo: camadas alternadas de minério de ferro e carvão eram calcinadas em fornos especiais (fornos - do antigo “Chifre” - chifre, tubo, originalmente era apenas um cano escavado no solo, geralmente horizontalmente na encosta de uma ravina). Na forja, os óxidos de ferro são reduzidos a metal pelo carvão quente, que absorve oxigênio, oxidando-se a monóxido de carbono, e como resultado dessa calcinação do minério com carvão, obteve-se o ferro krichina (esponja) semelhante a uma massa. Kritsa foi limpa de escória por forjamento, espremendo as impurezas com golpes fortes martelo As primeiras forjas tinham relativamente temperatura baixa- visivelmente menos temperatura derretendo o ferro fundido, então o ferro revelou-se relativamente com baixo teor de carbono. Para obter um aço forte, foi necessário calcinar e forjar várias vezes o núcleo de ferro com carvão, enquanto a camada superficial do metal era adicionalmente saturada com carbono e reforçada. Foi assim que aconteceu" bom ferro“- e embora isso exigisse muito trabalho, os produtos assim obtidos eram significativamente mais resistentes e duros que os de bronze.

Mais tarde, aprenderam a fabricar fornos mais eficientes (em russo - alto-forno, domna) para a produção de aço e usaram foles para fornecer ar ao forno. Os romanos já sabiam como levar a temperatura da fornalha ao ponto de fusão do aço (cerca de 1.400 graus, e o ferro puro derrete a 1.535 graus). Isso produz ferro fundido com ponto de fusão de 1100-1200 graus, que é muito frágil no estado sólido (nem mesmo forjável) e não possui a elasticidade do aço. Foi inicialmente considerado um subproduto prejudicial. ferro gusa, em russo, ferro-gusa, lingotes, de onde, de fato, vem a palavra ferro fundido), mas depois descobriu-se que, quando fundido novamente em um forno com ar intenso soprando através dele, o ferro fundido se transforma em aço boa qualidade, à medida que o excesso de carbono é queimado. Este processo de duas etapas para a produção de aço a partir do ferro fundido revelou-se mais simples e rentável do que o crítico, e este princípio tem sido utilizado sem muitas alterações durante muitos séculos, permanecendo até hoje o principal método de produção de materiais de ferro.

Bibliografia: Carl Bax. As riquezas do interior da terra. M.: Progresso, 1986, página 244, capítulo “Ferro”

origem do nome

Existem várias versões da origem da palavra eslava “ferro” (zaleza bielorrussa, zalizo ucraniano, antigo eslavo. ferro, búlgaro Zhelyazo, Serbohorv. zhejezo, polonês żelazo, tcheco železo, esloveno. elezo).

Uma das etimologias conecta Praslav. *želězo com a palavra grega χαλκός , que significava ferro e cobre, segundo outra versão *želězo semelhante a palavras *žely"tartaruga" e *vidro“pedra”, com o seme geral “pedra”. A terceira versão sugere um antigo empréstimo de uma língua desconhecida.

As línguas germânicas tomaram emprestado o nome ferro (gótico. Eisarn, Inglês ferro, Alemão Eisen, holandês. ijzer, dat. jern, sueco Jarn) do Celta.

Palavra pré-celta *isarno-(> Old Irish iarn, Old Brett hoiarn), provavelmente remonta ao ancestral I.e. *h 1 esh 2 r-não- “sangrento” com o desenvolvimento semântico “sangrento” > “vermelho” > “ferro”. De acordo com outra hipótese dada palavra volta para pra-ou seja. *(H)ish 2 ro- "forte, santo, possuidor de poder sobrenatural."

Palavra grega antiga σίδηρος , pode ter sido emprestado da mesma fonte que as palavras eslavas, germânicas e bálticas para prata.

O nome do carbonato de ferro natural (siderita) vem do latim. sidereu- estrelado; Na verdade, o primeiro ferro que caiu nas mãos das pessoas era de origem meteorito. Talvez esta coincidência não seja acidental. Em particular, a palavra grega antiga sideros (σίδηρος) para ferro e latim Sidus, que significa "estrela", provavelmente tem uma origem comum.

isótopos

O ferro natural consiste em quatro isótopos estáveis: 54 Fe (abundância isotópica 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) e 58 Fe (0,282%). Mais de 20 isótopos instáveis ​​​​de ferro também são conhecidos com números de massa de 45 a 72, sendo os mais estáveis ​​​​60 Fe (a meia-vida segundo dados atualizados em 2009 é de 2,6 milhões de anos), 55 Fe (2,737 anos), 59 Fe (2,737 anos), 59 Fe (2,737 anos). Fe (44,495 dias) e 52 Fe (8,275 horas); os isótopos restantes têm meia-vida inferior a 10 minutos.

O isótopo de ferro 56 Fe é um dos núcleos mais estáveis: todos os elementos a seguir podem reduzir a energia de ligação por núcleo por decaimento, e todos os elementos anteriores, em princípio, poderiam reduzir a energia de ligação por núcleo por fusão. Acredita-se que o ferro encerre a série de síntese de elementos nos núcleos de estrelas normais (ver Estrela de Ferro), e todos os elementos subsequentes só podem ser formados como resultado de explosões de supernovas.

Geoquímica do ferro

Nascente hidrotermal com água ferruginosa. Os óxidos de ferro têm cor marrom água.

O ferro é um dos elementos mais comuns em sistema solar, especialmente nos planetas terrestres, em particular na Terra. Uma parte significativa do ferro dos planetas terrestres está localizada nos núcleos dos planetas, onde seu conteúdo é estimado em cerca de 90%. O teor de ferro na crosta terrestre é de 5% e no manto cerca de 12%. Dos metais, o ferro perde apenas para o alumínio em abundância na casca. Ao mesmo tempo, cerca de 86% de todo o ferro é encontrado no núcleo e 14% no manto. O teor de ferro aumenta significativamente nas rochas ígneas máficas, onde está associado a piroxênio, anfibólio, olivina e biotita. O ferro se acumula em concentrações industriais durante quase todos os processos exógenos e endógenos que ocorrem na crosta terrestre. EM água do mar o ferro está contido em quantidades muito pequenas (0,002-0,02 mg/l). Na água do rio é ligeiramente superior - 2 mg/l.

Propriedades geoquímicas do ferro

A característica geoquímica mais importante do ferro é a presença de vários estados de oxidação. O ferro na forma neutra - metálica - constitui o núcleo da Terra, possivelmente está presente no manto e é muito raramente encontrado na crosta terrestre. O ferro ferroso FeO é a principal forma de ferro encontrada no manto e na crosta. Óxido de ferro Fe 2 O 3 é característico das partes superiores e mais oxidadas da crosta terrestre, em particular das rochas sedimentares.

Em termos de propriedades químicas cristalinas, o íon Fe 2+ está próximo dos íons Mg 2+ e Ca 2+ - outros elementos principais que constituem uma parte significativa de todas as rochas terrestres. Devido à semelhança química do cristal, o ferro substitui o magnésio e, parcialmente, o cálcio em muitos silicatos. Neste caso, o teor de ferro em minerais de composição variável geralmente aumenta com a diminuição da temperatura.

Minerais de ferro

Um grande número de minérios e minerais contendo ferro são conhecidos. De maior importância prática são o minério de ferro vermelho (hematita, Fe 2 O 3; contém até 70% de Fe), minério de ferro magnético (magnetita, FeFe 2 O 4, Fe 3 O 4; contém 72,4% de Fe), minério de ferro marrom ou limonita (goetita e hidrogoetita, respectivamente FeOOH e FeOOH·nH 2 O). A goethita e a hidrogoetita são mais frequentemente encontradas em crostas de intemperismo, formando as chamadas “chapéus de ferro”, cuja espessura chega a várias centenas de metros. Também podem ser de origem sedimentar, caindo de soluções coloidais em lagos ou áreas costeiras dos mares. Nesse caso, formam-se minérios de ferro oolíticos ou leguminosos. Vivianita Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O é frequentemente encontrada neles, formando cristais pretos alongados e agregados radiais.

Sulfetos de ferro também são comuns na natureza - pirita FeS 2 (enxofre ou pirita de ferro) e pirrotita. Eles não são minério de ferro - a pirita é usada para produzir ácido sulfúrico, e a pirrotita geralmente contém níquel e cobalto.

A Rússia ocupa o primeiro lugar no mundo em termos de reservas de minério de ferro. O teor de ferro na água do mar é 1·10−5 -1·10−8%.

Outros minerais de ferro comumente encontrados:

• Siderita - FeCO 3 - contém aproximadamente 35% de ferro. Tem uma cor branco-amarelada (com tonalidade cinza ou marrom se estiver suja). A densidade é de 3 g/cm³ e a dureza é de 3,5-4,5 na escala de Mohs.
• Marcassita - FeS 2 - contém 46,6% de ferro. Ocorre na forma de cristais rômbicos bipiramidais amarelos, semelhantes a latão, com densidade de 4,6-4,9 g/cm³ e dureza de 5-6 na escala de Mohs.
• Löllingite - FeAs 2 - contém 27,2% de ferro e ocorre na forma de cristais rômbicos bipiramidais branco-prateados. A densidade é 7-7,4 g/cm³, dureza 5-5,5 na escala de Mohs.
• Mispickel - FeAsS - contém 34,3% de ferro. Ocorre na forma de prismas monoclínicos brancos com densidade de 5,6-6,2 g/cm³ e dureza de 5,5-6 na escala de Mohs.
• A melanterita - FeSO 4 · 7H 2 O - é menos comum na natureza e é um cristal monoclínico verde (ou cinza devido às impurezas), com brilho vítreo e frágil. A densidade é 1,8-1,9 g/cm³.
• Vivianita - Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O - ocorre na forma de cristais monoclínicos azul-acinzentados ou verde-acinzentados com densidade de 2,95 g/cm³ e dureza de 1,5-2 na escala de Mohs.

Além dos minerais de ferro descritos acima, existem, por exemplo:

Principais depósitos

De acordo com o US Geological Survey (estimativa de 2011), as reservas mundiais comprovadas de minério de ferro são de cerca de 178 bilhões de toneladas. As principais jazidas de ferro estão localizadas no Brasil (1º lugar), Austrália, EUA, Canadá, Suécia, Venezuela, Libéria, Ucrânia, França, Índia. Na Rússia, o ferro é extraído na Anomalia Magnética de Kursk (KMA), na Península de Kola, na Carélia e na Sibéria. Papel significativo em Ultimamente adquirir depósitos oceânicos de fundo nos quais o ferro, juntamente com o manganês e outros metais valiosos, é encontrado em nódulos.

Recibo

Na indústria, o ferro é obtido a partir do minério de ferro, principalmente da hematita (Fe 2 O 3) e da magnetita (FeO Fe 2 O 3).

Existir várias maneiras extração de ferro de minérios. O mais comum é o processo de domínio.

A primeira etapa da produção é a redução do ferro com carbono em um alto-forno a uma temperatura de 2.000 °C. Num alto-forno, o carbono está na forma de coque, minério de ferro na forma de aglomerado ou pellets e o fluxo (por exemplo, calcário) é fornecido por cima e por baixo é recebido por uma corrente de ar quente forçado.

Na fornalha, o carbono na forma de coque é oxidado em monóxido de carbono. Este óxido é formado durante a combustão na falta de oxigênio:

Por sua vez, o monóxido de carbono reduz o ferro do minério. Para fazer com que essa reação seja mais rápida, aquecemos monóxido de carbono passou pelo óxido de ferro (III):

O óxido de cálcio combina-se com o dióxido de silício, formando escória - metassilicato de cálcio:

A escória, ao contrário do dióxido de silício, é derretida num forno. A escória, mais leve que o ferro, flutua na superfície - esta propriedade permite que a escória seja separada do metal. A escória pode então ser utilizada na construção e agricultura. O ferro fundido produzido em alto-forno contém bastante carbono (ferro fundido). Exceto nos casos em que o ferro fundido é utilizado diretamente, requer processamento adicional.

O excesso de carbono e outras impurezas (enxofre, fósforo) são removidos do ferro fundido por oxidação em fornos abertos ou conversores. Fornos elétricos também são usados ​​para fundir ligas de aço.

Além do processo de alto-forno, é comum o processo de produção direta de ferro. Nesse caso, o minério pré-triturado é misturado à argila especial, formando pelotas. As pelotas são queimadas e tratadas em um forno de cuba com produtos de conversão de metano quente, que contêm hidrogênio. O hidrogênio reduz facilmente o ferro:

neste caso, o ferro não fica contaminado com impurezas como enxofre e fósforo, que são impurezas comuns no carvão. O ferro é obtido na forma sólida e posteriormente fundido em fornos elétricos.

O ferro quimicamente puro é obtido por eletrólise de soluções de seus sais.

Propriedades físicas

O fenômeno do polimorfismo é extremamente importante para a metalurgia do aço. É graças às transições α-γ da rede cristalina que ocorre o tratamento térmico do aço. Sem esse fenômeno, o ferro como base do aço não teria sido tão amplamente utilizado.

O ferro é um metal moderadamente refratário. Na série de potenciais de eletrodo padrão, o ferro é classificado antes do hidrogênio e reage facilmente com ácidos diluídos. Assim, o ferro pertence aos metais de atividade intermediária.

O ponto de fusão do ferro é 1539 °C, o ponto de ebulição é 2862 °C.

Propriedades quimicas

Estados de oxidação característicos

• O ácido não existe na forma livre - apenas seus sais são obtidos.

O ferro é caracterizado pelos estados de oxidação do ferro - +2 e +3.

O estado de oxidação +2 corresponde ao óxido preto FeO e ao hidróxido verde Fe(OH) 2. Eles são de natureza básica. Nos sais, o Fe(+2) está presente como cátion. Fe(+2) é um agente redutor fraco.

O estado de oxidação +3 corresponde ao óxido vermelho-marrom Fe 2 O 3 e ao hidróxido marrom Fe(OH) 3. Eles são de natureza anfotérica, embora ácidos, e suas propriedades básicas são fracamente expressas. Assim, os íons Fe 3+ são completamente hidrolisados ​​mesmo em ambiente ácido. Fe(OH) 3 se dissolve (e mesmo assim não completamente) apenas em álcalis concentrados. O Fe 2 O 3 reage com álcalis apenas durante a fusão, formando ferritas (sais ácidos formais do ácido HFeO 2, que não existe na forma livre):

O ferro (+3) geralmente exibe propriedades oxidantes fracas.

Os estados de oxidação +2 e +3 mudam facilmente entre si quando as condições redox mudam.

Além disso, existe o óxido Fe 3 O 4, cujo estado de oxidação formal do ferro é +8/3. No entanto, este óxido também pode ser considerado como ferrita de ferro (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2.

Existe também um estado de oxidação de +6. O óxido e hidróxido correspondentes não existem na forma livre, mas são obtidos sais - ferratos (por exemplo, K 2 FeO 4). O ferro (+6) está presente neles na forma de um ânion. Os ferratos são fortes agentes oxidantes.

Propriedades de uma substância simples

Quando armazenado ao ar em temperaturas de até 200 °C, o ferro é gradualmente coberto por uma densa película de óxido, que evita maior oxidação do metal. No ar úmido, o ferro fica coberto por uma camada solta de ferrugem, o que não impede o acesso de oxigênio e umidade ao metal e sua destruição. A ferrugem não tem composição química constante, aproximadamente sua fórmula química pode ser escrita como Fe 2 O 3 xH 2 O.

Compostos de ferro (II)

O óxido de ferro(II) FeO tem propriedades básicas; a base Fe(OH) 2 corresponde a ele. Os sais de ferro (II) têm uma cor verde clara. Quando armazenados, principalmente em ar úmido, ficam marrons devido à oxidação em ferro (III). O mesmo processo ocorre ao armazenar soluções aquosas de sais de ferro (II):

Dos sais de ferro(II) em soluções aquosas, o mais estável é o sal de Mohr - duplo amônio e sulfato de ferro(II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 6H 2 O.

O hexacianoferrato (III) K3 de potássio (sal vermelho do sangue) pode servir como reagente para íons Fe 2+ em solução. Quando os íons Fe 2+ e 3− interagem, um precipitado azul Turnboole se forma:

Para a determinação quantitativa do ferro (II) em solução, utiliza-se a fenantrolina Phen, que forma um complexo vermelho FePhen 3 com o ferro (II) (absorção máxima de luz - 520 nm) em uma ampla faixa de pH (4-9).

Compostos de ferro (III)

Compostos de ferro (III) em soluções são reduzidos pelo ferro metálico:

O ferro (III) é capaz de formar sulfatos duplos com cátions com carga única, como alúmen, por exemplo, KFe(SO 4) 2 - alúmen de ferro-potássio, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - alúmen de ferro-amônio, etc. .

Para detecção qualitativa de compostos de ferro (III) em solução, é utilizada uma reação qualitativa de íons Fe 3+ com íons SCN − tiocianato. Quando os íons Fe 3+ interagem com os ânions SCN −, uma mistura de complexos de tiocianato de ferro vermelho brilhante 2+ , + , Fe(SCN) 3 , - é formada. A composição da mistura (e, portanto, a intensidade da sua cor) depende de vários fatores, portanto este método não é aplicável para a determinação qualitativa precisa do ferro.

Outro reagente de alta qualidade para íons Fe 3+ é o hexacianoferrato (II) K 4 de potássio (sal de sangue amarelo). Quando os íons Fe 3+ e 4− interagem, um precipitado azul brilhante de azul da Prússia precipita:

Compostos de ferro (VI)

Propriedades oxidativas Ferratos são usados ​​para desinfetar a água.

Compostos de ferro VII e VIII

Existem relatos de preparação eletroquímica de compostos de ferro (VIII). , , , entretanto, não há estudos independentes que confirmem esses resultados.

Aplicativo

Minério de ferro

O ferro é um dos metais mais utilizados, respondendo por até 95% da produção metalúrgica mundial.

• O ferro é o principal componente dos aços e ferros fundidos – os materiais estruturais mais importantes.
• O ferro pode fazer parte de ligas à base de outros metais - por exemplo, níquel.
• O óxido de ferro magnético (magnetita) é um material importante na produção de dispositivos de memória de computador de longo prazo: discos rígidos, disquetes, etc.
• O pó ultrafino de magnetita é usado em muitas impressoras a laser preto e branco misturado com grânulos de polímero como toner. Isto utiliza tanto a cor preta da magnetita quanto sua capacidade de aderir ao rolo de transferência magnetizado.
• As propriedades ferromagnéticas únicas de uma série de ligas à base de ferro contribuem para a sua ampla aplicação em engenharia elétrica para circuitos magnéticos de transformadores e motores elétricos.
• O cloreto de ferro (III) (cloreto férrico) é usado na prática de rádio amador para gravar placas de circuito impresso.
• O sulfato ferroso (sulfato de ferro) misturado com sulfato de cobre é usado para controlar fungos nocivos na jardinagem e na construção.
• O ferro é usado como ânodo em baterias de ferro-níquel e baterias de ferro-ar.
• Soluções aquosas de cloretos ferrosos e férricos, bem como seus sulfatos, são utilizadas como coagulantes na purificação de produtos naturais e Águas Residuais no tratamento de água de empresas industriais.

Significado biológico do ferro

Nos organismos vivos, o ferro é um importante oligoelemento que catalisa os processos de troca de oxigênio (respiração). O corpo humano adulto contém cerca de 3,5 gramas de ferro (cerca de 0,02%), dos quais 78% é o principal elemento ativo da hemoglobina do sangue, o restante faz parte de enzimas de outras células, catalisando os processos respiratórios nas células. A deficiência de ferro se manifesta como uma doença do corpo (clorose nas plantas e anemia nos animais).

Normalmente, o ferro entra nas enzimas na forma de um complexo chamado heme. Em particular, este complexo está presente na hemoglobina, a proteína mais importante que garante o transporte do oxigênio no sangue para todos os órgãos humanos e animais. E é ele quem colore o sangue com sua característica cor vermelha.

Outros complexos de ferro além do heme são encontrados, por exemplo, na enzima metano monooxigenase, que oxida o metano em metanol, na importante enzima ribonucleotídeo redutase, que está envolvida na síntese de DNA.

Compostos inorgânicos de ferro são encontrados em algumas bactérias e às vezes são usados ​​por elas para fixar o nitrogênio do ar.

O ferro entra no corpo de animais e humanos com os alimentos (fígado, carne, ovos, legumes, pão, cereais e beterraba são os mais ricos nele). Curiosamente, o espinafre já foi incluído erroneamente nesta lista (devido a um erro de digitação nos resultados da análise - o zero “extra” após a perda da vírgula).

Doses excessivas de ferro (200 mg ou mais) podem ter efeito tóxico. Uma overdose de ferro inibe o sistema antioxidante do corpo, por isso tome suplementos de ferro pessoas saudáveis Não recomendado.

Notas

Fontes (para a seção História)

• G. G. Giorgadze.“Texto de Anitta” e algumas questões do início da história dos hititas
• R. M. Abramishvili. Sobre a questão do desenvolvimento do ferro no território da Geórgia Oriental, VGMG, XXII-B, 1961.
• Khakhutaishvili D. A. Sobre a história da antiga metalurgia do ferro da Cólquida. Questões de história antiga (coleção Caucasiano-Oriente Médio, edição 4). Tbilissi, 1973.
• Heródoto."História", 1:28.
• Homero."Ilíada", "Odisséia".
• Virgílio."Eneida", 3:105.
• Aristóteles.“Sobre rumores incríveis”, II, 48. VDI, 1947, nº 2, página 327.
• Lomonosov M.V. Os primeiros fundamentos da metalurgia.

Veja também

• Categoria:Compostos de ferro

Ligações

• Doenças causadas por deficiência e excesso de ferro no corpo humano

13. ELEMENTOS DO SUBGRUPO CROMADO.

Número atômico	Nome	Eletrônico configuração	ρ g/cm3	derreter 0°C	ferver. 0°C	EO	Atômico raio, nm	Grau oxidação
26	Ferro Fe	3d64s2	7,87	1535	2750	1,64	0,128	+2,+3
27	Cobalto	3d74s2	8,9	1495	2870	1,7	0,125	+2,+3
28	Níquel Ni	3d8 4s2	8,9	1453	2732	1,75	0,124	+1,+2,+3,+4

Recibo
metais do subgrupo ferro

Redução de óxidos com carvão ou monóxido de carbono (II)

FeO + C Fe + CO
Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2
NiO + CNi + CO
Co 2 O 3 + 3C 2Co + 3CO

Fé
elemento d do grupo VIII; número de série – 26; massa atômica– 56; (26p; 30n), 26e

Metal de média atividade, agente redutor.
Estados básicos de oxidação - +2, +3

Ferro e seus compostos

Propriedades quimicas

No ar, o ferro oxida facilmente na presença de umidade (ferrugem):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O 4Fe(OH) 3

O fio de ferro quente queima em oxigênio, formando incrustações - óxido de ferro (II,III):

3Fe + 2O 2 Fe 3 O 4

No Temperatura alta(700–900 0 C) o ferro reage com o vapor de água:

3Fe + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2
O ferro reage com não metais quando aquecido:

2Fe + 3Br 2 2FeBr 3
Fe + S FeS
O ferro se dissolve facilmente em ácidos clorídrico e sulfúrico diluído:

Fe + 2HCl FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 (diluído) FeSO 4 + H 2

O ferro se dissolve em ácidos oxidantes concentrados somente quando aquecido

2Fe + 6H 2 SO 4 (conc.) Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (conc.) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(no frio, os ácidos nítrico e sulfúrico concentrados passivam o ferro).
O ferro desloca os metais que estão à direita dele na série de tensões das soluções de seus sais.

Fe + CuSO 4 FeSO 4 + Cu

Conexões ferro ferroso

Hidróxido de ferro (II)

Formado pela ação de soluções alcalinas sobre sais de ferro (II) sem acesso de ar:

FeCl + 2KOH2KCl + Fe(OH)2

Fe(OH) 2 - base fraca, solúvel em ácidos fortes:

Fe(OH)2 + H2SO4 FeSO4 + 2H2O

Quando o Fe(OH)2 é calcinado sem acesso de ar, o óxido de ferro (II) FeO é formado:

Fe(OH)2 FeO + H2O

Na presença de oxigênio atmosférico, o precipitado branco Fe(OH) 2, oxidando, torna-se marrom - formando hidróxido de ferro (III) Fe(OH) 3:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O4Fe(OH)3

Os compostos de ferro (II) possuem propriedades redutoras, são facilmente convertidos em compostos de ferro (III) sob a influência de agentes oxidantes:

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 5Fe 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 8H 2 O
6FeSO 4 + 2HNO 3 + 3H 2 SO 4 3Fe 2 (SO 4) 3 + 2NO + 4H 2 O

Os compostos de ferro são propensos à formação de complexos (número de coordenação = 6):

FeCl2 + 6NH3Cl2
Fe(CN)2 + 4KCN K4(sal de sangue amarelo)

Reação qualitativa ao Fe 2+

Quando o hexacianoferrato (III) K2 de potássio (sal vermelho do sangue) atua sobre soluções de sais de ferro ferroso, forma-se um precipitado azul (azul Turnboole):

3FeSO 4 + 2K 3 Fe 3 + 3K 2 SO 4

Compostos férricos

Óxido de ferro (III)

Formado pela queima de sulfetos de ferro, por exemplo, pela torrefação de pirita:

4FeS 2 + 11O 2 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

ou ao calcinar sais de ferro:

2FeSO 4 Fe 2 O 3 + SO 2 + SO 3

Fe 2 O 3 - óxido básico, exibindo propriedades anfotéricas em pequena extensão

Fe 2 O 3 + 6HCl 2FeCl 3 + 3H 2 O

Fe 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O 2Na

Hidróxido de ferro (III)

Formado pela ação de soluções alcalinas sobre sais férricos de ferro: precipita na forma de um precipitado marrom-avermelhado

Fe(NO 3) 3 + 3KOH Fe(OH) 3 + 3KNO 3

Fe(OH) 3 é uma base mais fraca que o hidróxido de ferro (II).
Isso é explicado pelo fato de que Fe 2+ tem uma carga iônica menor e um raio maior que Fe 3+ e, portanto, Fe 2+ retém íons hidróxido mais fracos, ou seja, Fe(OH) 2 dissocia-se mais facilmente.
A este respeito, os sais de ferro (II) são ligeiramente hidrolisados ​​e os sais de ferro (III) são hidrolisados ​​​​muito fortemente. A hidrólise também explica a cor das soluções de sais de Fe(III): apesar do íon Fe3+ ser quase incolor, as soluções que o contêm são de cor amarelo-marrom, o que é explicado pela presença de hidroxoions de ferro ou moléculas de Fe(OH)3 , que são formados devido à hidrólise:

Fe 3+ + H 2 O 2 + + H +
2 + + H 2 O + + H +
+ + H2O Fe(OH)3 + H +

Quando aquecida, a cor escurece e quando são adicionados ácidos torna-se mais clara devido à supressão da hidrólise. Fe(OH)3 tem propriedades anfotéricas fracas: dissolve-se em ácidos diluídos e soluções alcalinas concentradas:

Fe(OH)3 + 3HClFeCl3 + 3H2O

Fe(OH)3 + NaOHNa

Os compostos de ferro (III) são agentes oxidantes fracos, reagem com agentes redutores fortes:

2FeCl3 + H2SS + 2FeCl2 + 2HCl

Reações qualitativas em Fe3+

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Na fig. V.8 mostra um diagrama de correlação que dá uma ideia das faixas de deslocamentos isoméricos do 57Fe para compostos de ferro. O estado de oxidação do ferro pode variar de 0 a 6, e não é tão fácil caracterizá-lo pelo deslocamento do isômero 57Fe.

Uma atmosfera redutora provoca uma diminuição no grau de oxidação do ferro na escória, enquanto em uma atmosfera oxidante sob a influência temperaturas altas A chama continua a decompor óxidos de ferro superiores. Aumentar o grau de oxidação do ferro na escória pela exposição a uma atmosfera oxidante só é possível com uma temperatura de chama inferior a 1.200°C e uma grande superfície de escória.

O conteúdo de Al2O3 e álcalis nas rochas muda bastante. O estado de oxidação do ferro permanece constante.

A amostra C com estado de oxidação de 13% não possui região plástica e a escória se comporta como vidro. Com o aumento do grau de oxidação do ferro para 30 ou 56%, aparece uma curvatura nas curvas de viscosidade das amostras B e A, indicando que a escória na curva passa para um estado plástico.

Mas o grau de oxidação do enxofre, que faz parte desses íons, é diferente. No primeiro caso, o estado de oxidação do ferro coincide com a carga do íon Fe2 simples e com a valência do ferro. Assim, a valência de um determinado elemento em um composto complexo é a quantidade total de ligações que o átomo central, o agente complexante, possui em um determinado composto.

A tendência à formação de complexos também é confirmada pela existência de sais duplos típicos, como schenita e alúmen. Neste composto, o estado de oxidação do ferro 2 é estabilizado, enquanto o sulfato FeSO4 em solução aquosa propenso à oxidação pelo oxigênio atmosférico. O níquel não forma tais compostos, pois o estado de oxidação 3 desse elemento é tão atípico que nem sequer é estabilizado em sais duplos.

Este aumento no grau de oxidação do ferro na escória continua até uma temperatura de cerca de 1200 C. Com um aumento adicional na temperatura da escória, o grau de oxidação do ferro cai significativamente.

Conforme indicado, o átomo de ferro central encontra-se no plano do anel porfirípico de 16 membros e está ligado aos átomos de nitrogênio dos anéis pirrólicos por quatro das seis valências disponíveis e, portanto, restam duas valências para completar o complexo octaédrico; essas valências estão acima e abaixo do plano de desenho do modelo mostrado. Além disso, o estado de oxidação do ferro também deve ser levado em consideração; quando o ferro está no estado ferroso, como mostra a figura, a protoporfirina é chamada de tema ou, mais claramente, ferroheme. Se o heme estiver em estado livre em solução e não estiver associado a proteínas, então assume-se que duas moléculas de água estão em ligação de coordenação com a quinta e sexta posições de valência do ferro. George designa esta ferrogem da seguinte forma: H2O - Fep-H. Após a oxidação, transforma-se em H O Fep NaO com um carga positiva. Esta ferrigem pode coordenar um íon cloro para formar H2O - Fep-Cl e neste caso é chamada de hemina; com um íon hidroxila coordenado, a ferrigem é designada como hematina H2O - Pep-OH, embora esses termos sejam algumas vezes usados ​​de forma menos específica, apenas para indicar a presença de óxido de ferro. A coordenação de outras moléculas também é possível, desempenhando a coordenação com o peróxido de hidrogênio um papel fundamental. Ferrohem coordena facilmente bases nitrogenadas, como a piridina, formando o hemocromogeum B-Pbr - B. O mesmo composto com ferrigem B-Fep-B é chamado de parahematina.

Utilizando o método magnético, foi estabelecida a presença e avaliação quantitativa de ligações de valência entre íons positivos vizinhos. Assim, no Fe2O3 no suporte A12O3, o estado de oxidação do ferro é três, mas ao mesmo tempo os átomos de ferro vizinhos formam uma ligação covalente entre si.

Utilizando o método magnético, foi estabelecida a presença e avaliação quantitativa de ligações de valência entre íons positivos vizinhos. Assim, no Fe2O3 no suporte A12O3, o estado de oxidação do ferro é três, mas ao mesmo tempo os átomos de ferro vizinhos formam uma ligação covalente entre si.

Se considerarmos os hidróxidos Fe (OH) 2 e Fe (OH) 3, então do ponto de vista do esquema de Kossel, as propriedades ácidas do segundo hidróxido devem ser mais pronunciadas que as do primeiro. Isto decorre do fato de que quanto maior o estado de oxidação do ferro (mesmo se assumirmos que os raios dos íons Fe2 e Fe3 são iguais), maior será a repulsão do próton e mais pronunciadas serão as propriedades ácidas do hidróxido correspondente. Se levarmos em conta que o raio do íon Fe3 é ligeiramente menor que o do íon Fe2, então a maior repulsão do próton no composto Fe (OH) 3 em comparação com o Fe (OH) 2 torna-se ainda mais óbvia.

Alguns dos óxidos de ferro são reduzidos a ferro metálico, a outra parte a [óxido nitroso]; Além disso, eles liberam carbono. A quantidade de oxigênio ainda contida no minério caracteriza o grau de oxidação do ferro.

Se após testes preliminares ainda houver dúvidas sobre a presença de um íon de ferro, reações de verificação poderão ser realizadas. Mas deve-se lembrar que com este teste não é mais possível estabelecer o grau inicial de oxidação do ferro na amostra analisada.

Somente na presença de agentes oxidantes fortes é possível obter derivados bastante fracos do ácido férrico H2FeO4 com um estado de oxidação do ferro de 6, mas o óxido correspondente não pôde ser isolado. Se o RuO4 é uma substância pouco estável obtida indiretamente, então o OsO4 é um composto completamente estável, formado durante a oxidação de um metal no ar.