Ferro e sua densidade: tudo o que você precisa saber

1.0 Ferro (Fe): A base dos materiais estruturais e um elemento vital para a vida

Ferro (símbolo químico Fe, derivado do latim ferro) é um metal de transição do Grupo 8 da tabela periódica, com número atômico 26, massa atômica relativa de 55,845, densidade de 7,86 g/cm³ e ponto de fusão de 1539 °C. Apresenta coloração cinza-prateada e é um dos metais mais abundantes na crosta terrestre. Na natureza, comumente existe nos estados de oxidação ferroso (Fe²⁺) e férrico (Fe³⁺).

1.1 Propriedades físicas e químicas:

• Brilho metálico, aparência cinza-prateada, duro, porém dúctil;
• Alto ponto de fusão (1539°C), adequado para processamento em alta temperatura;
• Um metal reativo, reage facilmente com oxigênio, água e ácidos;
• Os estados de oxidação comuns são +2 e +3.

1.2 Principais aplicações:

Siderurgia:

A aplicação mais importante do ferro é na produção de aço. O aço é uma liga de ferro e carbono, frequentemente misturada com manganês, cromo, níquel e outros elementos para aumentar a resistência, a tenacidade ou a resistência à corrosão. O aço é amplamente utilizado em:

• Construção estrutural (por exemplo, pontes, edifícios altos)
• Fabricação de máquinas e equipamentos
• Transporte (carros, navios, ferrovias)
• Eletrodomésticos e produtos de uso diário

Produtos químicos industriais e fertilizantes:

Os compostos de ferro são usados para produzir corantes, catalisadores, agentes de tratamento de água e fertilizantes à base de ferro.

1.3 Papel biológico:

O ferro é um oligoelemento essencial para os organismos vivos. Suas principais funções incluem:

• Constituintes da hemoglobina e da mioglobina, envolvidas no transporte de oxigênio;
• Participa do metabolismo energético mitocondrial;
• Servindo como um componente de várias enzimas e proteínas.

1.4 Significado histórico e cultural:

• O uso do ferro pelo homem remonta à Idade do Ferro (por volta de 1200 a.C.), quando ferramentas e armas de ferro substituíram as de bronze, aumentando significativamente a produção agrícola e a capacidade militar;
• A ampla adoção da tecnologia de fundição de ferro marcou um marco importante na civilização humana.
• Até hoje, o ferro continua sendo o material metálico mais utilizado no mundo.

Densidades de elementos selecionados

2.0 Compreendendo a densidade: definição, cálculo e ferro como exemplo

2.1 O que é densidade?

Densidade é uma medida da quantidade de matéria contida em uma unidade de volume. Ela reflete o quão compactadas as partículas de uma substância estão. Quanto mais compactadas as partículas estiverem, mais partículas caberão em um determinado espaço. Como as partículas têm massa, materiais com maior densidade pesarão mais para o mesmo volume.

Unidades comuns de densidade incluem:

• unidade SI: quilogramas por metro cúbico (kg/m³)
• Unidades de laboratório: gramas por centímetro cúbico (g/cm³) ou gramas por mililitro (g/mL)
• A densidade é comumente representada pela letra grega ρ (rho)

2.2 Fórmula de cálculo de densidade

Densidade (ρ) = Massa (m) / Volume (V)

Onde:

• A massa é geralmente medida em gramas (g)
• O volume pode ser expresso em mililitros (mL)ou centímetros cúbicos (cm³)
  (Nota: 1 mL = 1 cm³)

2.3 Exemplo: Densidade de um bloco de ferro

Um bloco de ferro tem uma massa de 23,6 gramas, com dimensões de 2,0 cm × 2,0 cm × 0,75 cm. Determine sua densidade e se é provável que seja feito de ferro.

Volume = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 cm³
Densidade = 23,6 g ÷ 3,0 cm³ = 7,87 g/cm³

Conclusão:
O objeto tem uma densidade de aproximadamente 7,87 g/cm³, que é muito próxima da densidade padrão do ferro puro. Portanto, é mais provável que seja ferro puro ou uma liga à base de ferro.

2.4 Densidade de Ferro e Ligas de Ferro

A densidade de ferro puro é aproximadamente 7,874 g/cm³
(ou 491,5 lb/ft³, 0,284 lb/in³)

A tabela abaixo lista as densidades dos tipos comuns de ferro e ligas de ferro à temperatura ambiente. Esses valores são úteis para a seleção de materiais e cálculos de engenharia.

Nota-1: 6,95 a 7,35 g/cm3 (0,251 a 0,265 lb/pol.3).

Nota-2: 7,20 a 7,34 g/cm3 (0,260 a 0,265 lb/pol.3).

3.0 Fatores que afetam a densidade do ferro

3.1 Estrutura atômica

A densidade do ferro é influenciada pela sua estrutura cristalina:

• Estrutura cúbica centrada no corpo (BCC):A ferrita (ferro-α, BCC) tem uma densidade ligeiramente menor em comparação à austenita (ferro-γ, FCC) devido à sua eficiência de compactação atômica.
• Estrutura cúbica centrada na face (FCC): Encontrado em austenita (γ-ferro), que tem um maior densidade

3.2 Transições de temperatura e fase

À medida que a temperatura aumenta, o ferro passa por transições de fase que afetam sua estrutura cristalina e, portanto, sua densidade:

• α-ferro (BCC)transições para γ-ferro (FCC) aproximadamente 912°C
• γ-ferro (FCC)transforma-se em δ-ferro (BCC) por volta de 1394°C
• O ponto de fusãode ferro é aproximadamente 1538°

3.3 Adição de elementos de liga

• Adicionar elementos como carbonoaltera a estrutura e a densidade do ferro
• Por exemplo, o aumento do teor de carbono no aço leva à formação de perlita, e diminui o temperatura de transição de fasepara cerca de 727°C.

4.0 Perguntas frequentes sobre a densidade do ferro

Outro: Densidade do alumínio

Referências:

https://www.princeton.edu/~maelabs/mae324/glos324/iron.htm

https://web.fscj.edu/Milczanowski/psc/lect/Ch4/slide6.htm

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/iron-fertilizers