Síntese do óxido de ferro e estudo da ferrugem

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INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO
LICENCIATURA EM QUÍMICA
QUÍMICA INORGÂNICA EXPERIMENTAL
Prof° Mauro César Dias
GRUPO: G2
PRÁTICA: Síntese do óxido de ferro e estudo da ferrugem
ALUNOS: Deborah Pimentel, Thamires Lucia Lube de Melo e Maria Neris.
1. OBJETIVO
● Obtenção do óxido de férrico por reação de precipitação e calcinação;
● Compreender o mecanismo eletroquímico de uma pilha galvânica Fe-Cu e comprovar
a composição de que o ar e que é uma mistura gasosa.
2. MATERIAIS E REAGENTES
● Água destilada
● Aparelhagem de filtração à vácuo
● Balança
● Cadinho de porcelana
● Cloreto de sódio
● Cloreto férrico P.A.
● Eletrodo de cobre
● Eletrodo de ferro
● Espátula
● Fio de cobre (8 cm)
● Fita crepe
● Gel de ágar
● Luva
● Mufla
● Papel de filtro
● Pinça
● Pipeta graduada
● Pisseta
● Placa de petri
● Pote plástico de requeijão
● Solução de fenolftaleína 1%
● Solução de ferrocianeto férrico 1%
● Solução de hidróxido de sódio 0,5
mol/L
● Solução de nitrato de prata 0,1 mol/L
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.1. Experimento 1: Síntese do óxido de ferro
Pesou-se 0,6388 g de cloreto férrico que foram dissolvidos em 12 mL de água destilada. Em
seguida, a partir de cálculos estequiométricos, adicionou-se cerca de 23 mL de solução de
hidróxido de sódio 0,5 mol/L e procedeu-se a filtração a vácuo. O recipiente e o filtrado
foram lavados com água destilada para eliminar todo o cloreto residual. O resíduo da filtração
foi colocado em um cadinho de porcelana previamente pesado e foi levado para o forno
mufla, onde ficou por 2h a 600ºC. O cadinho foi colocado do dessecador para resfriar e foi
pesado para posterior cálculo do rendimento.
3.2. Experimento 2: Estudo da ferrugem
Foi conectado um eletrodo de ferro a um eletrodo de cobre via fio de cobre fino a cerca de 4
cm de distância e foi reservado. O gel de ágar foi preparado com 100 mL de água destilada
em ebulição e 1,5 g de ágar. Feito isso, foi adicionado 1 g de NaCl e agitado até a
solubilização e homogeneização.
Após pronto, o gel de ágar foi adicionado à uma placa de petri - até metade da sua capacidade
- e foram adicionadas 2 gotas de fenolftaleína 1% e 2 gotas de solução de ferrocianeto férrico
1%. Esperou-se o resfriamento e, quando obteve-se ponto gelatinoso, os eletrodos conectados
foram adicionados e recobertos com uma nova camada de ágar aquecida. Esperou-se 2 dias
para ver as mudanças ocorridas e anotou-se os resultados.
3.3. Experimento 3: O oxigênio na composição do ar
Um pedaço de palha de aço foi colocado no fundo de um tubo de ensaio e pressionado com a
ajuda de um bastão de vidro. Uma solução salina 3% foi preparada colocada dentro do tubo
de ensaio. Dentro do pote de requeijão,
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Experimento 1: Síntese do óxido de ferro
Existem muitas propriedades dos sólidos cristalinos de óxidos de ferro e alumínio que
despertam interesse, além de serem interessantes e desejáveis por diversos pesquisadores.
Uma delas é a capacidade dos materiais conduzirem eletricidade através da migração dos
elétrons de um local a outro. Outra propriedade importante está relacionada com as
características magnéticas de alguns materiais (ATKINS, 2012). A hematita ou, como é mais
conhecida, ferrugem, se trata do óxido de ferro (III) (Fe2O3) e possui propriedades
paramagnéticas.
Obteve-se o composto citado, a partir da reação de uma solução de cloreto férrico (FeCl3)
com hidróxido de sódio (NaOH). Pesou-se 0,6388 g de FeCl3 e, para sua dissolução, foram
adicionados 12 mL de água destilada. Em contato com a água o composto dissocia-se
liberando íons, seguindo a reação abaixo.
Reação 1𝐹𝑒𝐶𝑙
3 (𝑠)
→ 𝐹𝑒
(𝑎𝑞)
3+ + 𝐶𝑙
(𝑎𝑞)
−
O NaOH, apresenta grau de dissociação elevado, logo quando adicionado à solução libera o
íons OH- que irão reagir violentamente com os íons Fe3+, formando o hidróxido de ferro III
(Fe(OH)3), conforme a reação a seguir:
Reação 2𝐹𝑒3+ + 3 𝑂𝐻−→ 𝐹𝑒(𝑂𝐻)
3( 𝑠)
A reação completa, envolvendo todos os íons, pode ser descrita da seguinte forma:
Reação 33 𝑁𝑎𝑂𝐻
(𝑎𝑞)
+ 𝐹𝑒𝐶𝑙
3 (𝑎𝑞)
→ 𝐹𝑒(𝑂𝐻)
3 (𝑠)
+ 3𝑁𝑎𝐶𝑙
(𝑎𝑞)
A partir da reação acima foi possível determinar a quantidade necessária de NaOH, seguindo
os cálculos abaixo:
3 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑎𝑂𝐻 − 1 𝑚𝑜𝑙 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
3 . (40 𝑔) 𝑁𝑎𝑂𝐻 − 162, 2 𝑔 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
𝑥 𝑔 𝑁𝑎𝑂𝐻 − 0, 6388 𝑔 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
 
𝑥 = 0, 4726 𝑔
𝐶 (𝑚𝑜𝑙/𝐿) = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜 (𝑔)𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 (𝐿) . 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝑔/𝑚𝑜𝑙)
0, 5 𝑚𝑜𝑙. 𝐿− = 0,4726 𝑔𝑉 . 40 𝑔/𝑚𝑜𝑙
𝑉 = 0, 02363 𝐿 = 23, 63 𝑚𝐿 𝑁𝑎𝑂𝐻
Após a adição de aproximadamente 23,63 mL de NaOH à solução de FeCl3 observou-se a
formação de um precipitado de cor castanho avermelhado de consistência gelatinosa, como
mostra a Figura 1, indicando a presença do Fe(OH)3.
Figura 1. Precipitado de hidróxido de ferro III
Fonte: Autores (2022).
Para a separação deste composto, adotou-se o método de filtração à vácuo com a utilização de
um Trap, como mostra a Figura 2 a seguir.
Figura 2. Montagem da filtração à vácuo.
Fonte: Autores (2022).
O composto filtrado foi transferido para um cadinho de porcelana e levado ao forno mufla
por cerca de 2 horas a 600°C, a fim de obter os óxidos de ferro por desidratação. O produto
da calcinação é dado pela seguinte reação:
2 → Reação 4 𝐹𝑒(𝑂𝐻)
3( 𝑠)
𝐹𝑒
2
𝑂
3 (𝑠)
+ 3 𝐻
2
𝑂
As partículas do óxido de ferro possuem comportamento de um sólido paramagnético, isto é,
nesse composto, segundo Khanna (1997), os spins estão orientados aleatoriamente, mas na
presença de um campo magnético os spins são alinhados ao longo do campo ou em oposição,
conforme representado na Figura 3. Isso ocorre devido a ausência de ordem magnética
induzida termicamente, que voltam a se orientar quando o campo magnético é removido. Na
prática esse efeito foi comprovado, de acordo com a Figura 4.
Figura 3. Representação esquemática de um material paramagnético (A), material paramagnético sob
influência de um campo magnético (B).
Fonte: Khanna (1997).
Figura 4. Comportamento paramagnético do óxido de ferro da amostra analisada.
Fonte: Autores (2022)
O método de síntese por precipitação de íons Fe3+ diretamente por NaOH produz vários
compostos de ferro, tais como a hematita ( -Fe2O3), goethita (FeOOH), maghemita ( -α γ
Fe2O3) e lepidocrocita (FeOOH), sendo estas diferentes em suas estruturas cristalinas
(CORNELL e SCHWERTMANN, 2003). De acordo com Madeira (2014), a goethita é o
óxido de ferro mais estável termodinamicamente em temperatura ambiente e uma vez
produzida, sua conversão para hematita, magnetita e ferro elementar, está representada na
figura 5 abaixo:
Figura 5. Conversão térmica da goetita.
Fonte: Madeira (2014, apud. CORNELL e SCHWERTMANN, 2003).
Durante o procedimento, realizou-se o teste de cloreto utilizando nitrato de prata (AgNO3) e o
filtrado obtido após a filtração. Como o nome do teste já menciona, o objetivo é identificar a
presença de cloreto em solução, dessa forma, segundo Medeiros (2018) onde há presença de
cloretos livres ocorre a formação de um precipitado branco de cloreto de prata (AgCl),
formado pela reação com o NaCl. Caso haja o aparecimento de outra coloração, identifica-se
a contaminação do filtrado, logo na região sem cloretos ou com cloretos combinados, há
formação de um precipitado marrom, o óxido de prata. A Figura 6 mostra o teste realizado em
prática.
Figura 6. Resultado do teste de cloreto.
Fonte: Autores (2022).
Pela figura acima, pode-se perceber a presença de uma coloração alaranjada, logo indicando a
presença de óxidos de prata formados a partir da contaminação do filtrado com Fe(OH)3.
Ao final, a amostra obtida após a calcinação foi pesada, obtendo-se uma massa igual a 0,2059
g, sendo possível, então, calcular o rendimento. Este último, está descrito a seguir:
1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
− 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐹𝑒
162, 2 𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
− 55, 845 𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑒
𝑥 𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
− 0, 2059 𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑒
𝑥 =0, 598 𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
0, 6388 𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
− 100%
0, 598 𝑔 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝐶𝑙
3
− 𝑦
𝑦 = 93, 61%
Portanto, constata-se que apesar de possíveis perdas durante o processo de filtração, a partir
do valor de rendimento final, dado por 93,61%, os resultados obtidos são satisfatórios.
4.2. Experimento 2: Estudo da ferrugem
A corrosão é definida como um processo de deterioração de um material por ação química ou
eletroquímica do meio aliada ou não a esforços mecânicos, no qual esta deterioração causada
pela interação físico-química entre o material e o seu meio operacional representa alterações
indesejáveis, como o desgaste (GENTIL, 1996).
O estudo em questão consistiu na montagem de uma célula, a partir de um eletrodo de ferro e
outro de cobre, conectados por um fio fino de cobre, imersos em gel de ágar com
fenolftaleína e solução de ferricianeto férrico. Este processo pode ser denominado de pilha
galvânica, visto que Gentil (1996) define este processo como “[...] o tipo de pilha de corrosão
que ocorre quando dois metais ou ligas diferentes estão em contato e imersos num mesmo
eletrólito [...]”. A Figura 7 mostra o esquema de uma pilha galvânica semelhante ao da
prática em questão.
Figura 7. Pilha galvânica de ferro e cobre.
Fonte: Gentil (1996).
Decorridos sete dias de repouso, observou-se a mudança de coloração no sistema, em que há
cor rosa avermelhada em torno do eletrodo de cobre e um depósito azul em torno do eletrodo
de ferro, como pode ser visualizado na Figura 8 (b).
Figura 8. Pilha galvânica de ferro e cobre antes e depois.
Fonte: Autores (2022).
Nesta célula, segundo Gentil (1996), o eletrodo de Fe será o agente oxidante, logo sofre a
oxidação, enquanto o gás oxigênio na presença do meio aquoso é considerado o agente
redutor. As semi-reações podem ser descritas da seguinte forma:
Reação 5𝐴𝑛𝑜𝑑𝑜: 𝐹𝑒 → 𝐹𝑒2+ + 2𝑒− (− 0, 44𝑉)
Reação 6𝐶𝑎𝑡𝑜𝑑𝑜: 2𝐻
2
𝑂 + 𝑂
2
+ 4𝑒− → 4𝑂𝐻− (+ 1, 24𝑉)
Reação 7𝑅𝑒𝑎çã𝑜 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙: 2𝐹𝑒 + 2𝐻
2
𝑂 + 𝑂
2
→ 2𝐹𝑒(𝑂𝐻)
2
Assim, a diferença de potencial (ddp) pode ser dada por:
𝑑𝑑𝑝 = 𝐸° 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟 − 𝐸° 𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑑𝑑𝑝 = + 1, 24𝑉 − (− 0, 44𝑉)
𝑑𝑑𝑝 = + 1, 68𝑉
A mudança de coloração mencionada anteriormente é possível devido à fenolftaleína e ao
ferricianeto de ferro presente no gel de ágar. O ferricianeto de ferro (K3Fe(CN)6) é um
reagente sensível para íons Fe2+, logo, em reação, há a formação de um resíduo azul chamado
de azul da Prússia ( Fe4[Fe(CN)6]3 ), como mostra a reação abaixo:
Reação 83𝐹𝑒2+ + 2𝐹𝑒(𝐶𝑁)
6
3− → 𝐹𝑒
3
[𝐹𝑒(𝐶𝑁)
6
]
2
Já a coloração rosa-avermelhada, decorre da presença de fenolftaleína e da formação de
hidroxilas, ao qual caracteriza o meio básico na região catódica.
É válido ressaltar que nesta célula a presença do eletrodo de cobre foi utilizado para a
obtenção da pilha eletrolítica.
4.3. Experimento 3: O oxigênio da composição do ar
Nesse experimento, a fim de comparar a composição do oxigênio no ar, montou-se o sistema
descrito anteriormente no procedimento experimental. A palha de aço inserida dentro do tubo
de ensaio é constituída de carbono e ferro, sendo o ferro presente em maior quantidade, dessa
maneira, quando há contato com a água inicia-se um processo de oxirredução, representado
pelas semi-reações a seguir:
Reação 9𝐹𝑒
(𝑠)
→ 𝐹𝑒2+ + 2𝑒−
Reação 10𝑂
2
+ 2 𝐻
2
𝑂 + 4 𝑒− → 4 𝑂𝐻−
Portanto, a reação global é:
Reação 112𝐹𝑒 + 𝑂
2
+ 2 𝐻
2
𝑂 → 𝐹𝑒2+ + 𝑂𝐻−
Devido a perda de elétrons, o ferro sofre o processo de oxidação. Com essa reação ocorrendo
em um ambiente fechado, quando o oxigênio é consumido há um aumento de volume de água
dentro do tubo de ensaio, que ocorre devido a diminuição da pressão no interior do tubo, o
que faz com que a água seja puxada para dentro da vidraria. É a partir dessa variação de
volume que calcularemos o consumo do oxigênio, proveniente da oxidação da palha de aço.
Para determinar o volume total do tubo de ensaio utilizado nessa prática, mediu-se sua altura
e raio, a fim de calcular a área e, consequentemente, seu volume.
𝐴 = π × 𝑟2
𝐴 = π × (0, 75 𝑐𝑚)2
𝐴 = 1, 77 𝑐𝑚2
𝑣
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
 = 𝐴 × ℎ
𝑣
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
 = 1, 77 𝑐𝑚2 × 9, 5 𝑐𝑚
𝑣
𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
= 16, 78 𝑐𝑚3 = 16, 78 𝑚𝐿
Esse era o volume total do tubo de ensaio utilizado na prática em questão. Com o sistema
montado, ficou em repouso durante uma semana. Após esse período de tempo foi observado
um crescimento de 1,3 cm do volume da solução salina dentro do tubo. Dessa forma é
possível calcular a quantidade inicial de oxigênio e consequentemente, a quantidade de gás
consumida nessa reação.
Volume da solução salina dentro do tubo:
𝑣
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
 = 𝐴 × ℎ 𝑣
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
 = π · (0, 75 𝑐𝑚)2 × 0, 03 𝑐𝑚
𝑣
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
= 0, 0529 𝑐𝑚3 = 0, 0529 𝑚𝐿
𝑣
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
 = 𝐴 × ℎ
𝑣
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
 = π · (0, 75 𝑐𝑚)2 × 0, 13 𝑐𝑚
𝑣
𝑠𝑖𝑛𝑎𝑙
= 0, 2296 𝑐𝑚3 = 0, 2296 𝑚𝐿
Volume de gás oxigênio dentro do tubo:
𝑣
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
 = 16, 78 𝑐𝑚3 − 0, 0529 𝑐𝑚3 
𝑣
𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙
 = 16, 7271 𝑐𝑚3 
𝑣
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
 = 16, 78 𝑐𝑚3 − 0, 2296 𝑐𝑚3 
𝑣
𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
 = 16, 5504 𝑐𝑚3 
5. QUESTIONÁRIO
5.1. Escreva as reações envolvidas para a formação da goetita, hematita,
lepidocrocita e magnetita a partir da corrosão de uma peça de ferro.
Segundo Gentil (1996), Pourbaix desenvolveu um método gráfico que relaciona o potencial e
pH, apresentando uma possibilidade para se prever as condições sob as quais pode-se ter
corrosão, imunidade ou passividade. A Figura 9 define as regiões nas quais o ferro está
dissolvido principalmente sob a forma de íons Fe2+, Fe3+ e HFeO2- e regiões onde o metal é
estável sob a forma de um fase sólida tal como metal puro ou um de seus óxidos. Já a figura
10 apresenta do diagram de forma simplificada.
Figura 9. Diagrama de Pourbaix para o ferro: equilíbrio potencial-pH para o sistema Fe-H2O.
Fonte: Gentil (1996).
Figura 10. Diagrama de Pourbaix para o ferro simplificado.
Fonte: Gentil (1996).
Sobre o diagrama acima, alguma conclusões podem ser retiradas, como o ferro em presença
de soluções aquosas isentas de oxigênio possui um potencial de eletrodo situado abaixo da
linha a, possibilitando o desprendimento de hidrogênio; o pH em 9,5 e 12,5 o ferro tende a se
transformar em Fe3O4 com desprendimento de hidrogênio;
Schwertmann (et al, 2004) em suas pesquisas propôs a síntese de óxidos de ferro.Os
pigmentos produzidos foram a goetita (amarelo), hematita (vermelho) e magnetita (preto).
A primeira etapa consiste na precipitação do ferro.
Reação 12𝐹𝑒
(𝑎𝑞)
3+ + 3𝑂𝐻
(𝑎𝑞)
− → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)
3 (𝑎𝑞)
A síntese da goetita a partir do Fe3+ envolve a preparação uma solução férrica formada por
um complexo denominado ferrohexaaquo íon e de um precipitado fresco de ferrihidrita
(Fe5HO8 . 4H2O) pela adição de hidróxido de potássio ( Schwertmann et al, 2004), dado
pela reação abaixo.
Reação 13𝐹𝑒(𝑂𝐻)
3 (𝑠)
+ 3𝐻𝑁𝑂
3 (𝑎𝑞)
 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)
6
3+
O precipitado formado inicialmente se dissolve, liberando uma espécie iônica de ferro
trivalente (Fe(OH)4-), que irá se reagrupar em núcleos cristalinos, dando início ao processo de
crescimento da goetita (FeOOH):
Reação 14(𝐹𝑒
5
𝑂𝐻
8
. 𝐻
2
𝑂)
𝑛 (𝑠)
→ [𝐹𝑒(𝑂𝐻)
4 
−]
(𝑎𝑞)
Reação 15[𝐹𝑒(𝑂𝐻)
4 (𝑎𝑞)
− → 𝐹𝑒𝑂𝑂𝐻
(𝑠)
A goetita pode ser convertida em hematita (Fe2O3) por desidroxilação térmica ou
hidrotérmica. O método mais conveniente é através da desidroxilação térmica, pela reação 16
abaixo, devido às condições reacionais e estabilidade final do produto formado
(Schwertmann e Cornell, 1991).
Reação 162𝐹𝑒𝑂𝑂𝐻
(𝑠)
→ 𝐹𝑒
2
𝑂
3 (𝑠)
+ 𝐻
2
𝑂
(𝑔)
O produto formado é majoritariamente a hematita (Fe2O3), entretanto podem ocorrer
também lepdocrocita (γ-FeOOH) e maghemita (γ-Fe2O3 ) como fases intermediárias.
A metodologia mais comum para a preparação de magnetita é através da precipitação
química, pois desta forma é possível controlaro tamanho e morfologia dos cristais.
Geralmente, a síntese ocorre por co-precipitação de uma mistura de sais de ferro nas formas
Fe3+ e Fe2+ com uma proporção estequiométrica de 2:1 (Wei et al., 2007).
Reação 172𝐹𝑒(𝑂𝐻)
3 (𝑠)
+ 3𝐻
2
𝑆𝑂
4 (𝑎𝑞)
→ 𝐹𝑒
2
(𝑆𝑂
4
)
3 (𝑎𝑞)
A redução do ferro pode se realizada pela reação do Fe3+ em solução aquosa com a pirita
(FeS2)
Reação 18𝐹𝑒𝑆
2 (𝑠)
+ 14𝐹𝑒
(𝑎𝑞)
3+ + 8𝐻
2
𝑂
(𝑙)
→ 15𝐹𝑒
(𝑎𝑞)
2+ + 2𝑆𝑂
4 (𝑎𝑞)
2− + 16𝐻
(𝑎𝑞)
+
Atingida a relação estequiométrica Fe3+:Fe2+ de 2:1, adiciona-se cloreto de sódio para que
ocorra a cristalização da magnetita por coprecipitação do Fe3+ e Fe2+ (Wei et al.,2007;
Cornell e Schwertmann, 1991). Segundo a reação 18, abaixo:
Reação 182𝐹𝑒3+ + 𝐹𝑒2+ + 8𝑂𝐻− → 𝐹𝑒
3
𝑂
4
+ 𝐻
2
𝑂
5.2. Descreva as propriedades magnéticas da goetita, hematita e lepidocrocita.
O óxido de ferro hidratado mais importante, capaz de preservar a magnetização, é a goetita
(αFeOOH). Ela apresenta estrutura ortorrômica e é antiferromagnética. O ferromagnetismo
parece ter sua origem em momentos de defeito. Embora as anisotropias intrínsecas não sejam
altas, a baixa magnetização espontânea (Ms) associada a goetita faz com que campos
magnéticos muito altos tenham que ser aplicados para mover a sua magnetização. Assim, a
goetita apresenta coercitividades muito altas, não sendo possível desmagnetizar-lá através do
tratamento por campos magnéticos alternados. Por outro lado, a desmagnetização térmica
elimina facilmente a magnetização associada à goetita, pois sua temperatura de Néel (TN) é
de 120°C, podendo ser diminuída consideravelmente se a ela tiver pequenas quantidades de
impurezas (FILHO, 2005).
A hematita é um óxido de ferro (αFe2O3) muito importante encontrado em rochas ígneas,
metamórficas e, principalmente, sedimentares, nas quais é normalmente produto de oxidação
de outros minerais que contém ferro. Apresenta um ferromagnetismo superimposto,
entretanto, de menor intensidade, se comparada a goetita..A constante de anisotropia
magnetocristalina é negativa a temperatura ambiente, o que faz com que os momentos
magnéticos associados aos íons de ferro situem-se no plano basal da estrutura. Em cada plano
basal, as interações de troca entre os íons de ferro vizinhos são positivas e os momentos
magnéticos estão alinhados no mesmo sentido. No entanto, entre dois planos basais
subseqüentes, as interações de troca são negativas e os momentos magnéticos associados são
paralelos, mas com sentidos opostos caracterizando a hematita como sendo
antiferromagnética. Entretanto, momentos magnéticos em planos vizinhos estão ligeiramente
deslocados desse paralelismo (desvio menor do que 1°), o que produz uma fraca
magnetização espontânea (Ms) perpendicular ao plano basal.
A hematita apresenta variação na anisotropia magnetocristalina com a temperatura. Na
passagem a -15°C a constante de anisotropia total muda de sinal e o eixo de fácil
magnetização muda para o eixo c (perpendicular ao plano basal). Os momentos magnéticos
ficam presos ao longo deste eixo em uma configuração antiferromagnética perfeita (não há
mais o ferromagnetismo parasítico). Esta é a chamada transição de Morin (TM), onde as
propriedades magnéticas que dependem das anisotropias magnetocristalinas mudam
abruptamente (FILHO, 2005).
A lepidocrocita (γFeOOH) representa um constituinte de menor proporção em solos e
sedimentos. Sua temperatura de Néel antiferromagnética é muito menor do que a temperatura
ambiente (Ta) e, portanto, não porta magnetização remanente nesta temperatura (Ta). A
importância da lepidocrocita decorre do fato que ela desidrata para formar maghemita quando
aquecida a temperaturas acima de 250°C, a qual pode se transformar em hematita a
aproximadamente 400°C (FILHO, 2005).
5.3. Ilustre as estruturas cristalinas da goetita, hematita, lepidocrocita e
magnetita.
Segundo SCHWERTMANN & CORNEL (1991), a goetita, a lepidocrocita e a akaganeite,
possuem a fórmula FeOOH. Todas consistem de bandas duplas de octaedros FeO3(OH)3 de
compartilhamento de borda.
Na lepidocrocita, é como uma boemita (γ-AlOOH), as bandas duplas de octaedros
compartilham bordas para formar camadas em zig-zag que são conectadas umas às outras por
ligações de hidrogênio (OH-O).
A hematita consiste em camadas de octaedros FeO6 que são conectados por
compartilhamento de borda e face (como em corindo, α-Al2O3) e empilhados
perpendicularmente à direção c. Dois terços dos interstícios octaédricos são preenchidos com
Fe(III). O compartilhamento de rosto é realizado por uma leve distorção do octaedro que
causa um deslocamento regular dos íons Fe. A distorção e a ausência de ligações de H
resultam em uma estrutura compacta que é responsável pela alta densidade de 5,26 g/cm3.
Hematitas sintetizadas em baixas temperaturas em um meio aquoso geralmente contêm
algum OH na estrutura (Wolska, 1981).
Na estrutura cúbica da magnetita, 1/3 dos interstícios são tetraedricamente coordenados com
oxigênio e 2/3 são octaédricamente coordenados. Todas essas posições são preenchidas com
Fe. A magnetita é um espinélio inverso: as posições tetraédricas são completamente ocupadas
por Fe(III), as octaédricas por quantidades iguais de Fe(III) e Fe(II).
Figura 11. Estruturas cristalinas dos óxidos de ferro.
Fonte: SCHWERTMANN & CORNEL (1991)
5.4. Consulte a literatura e descreva a caracterização espectroscópica
(infravermelho e UV-vis) da goetita, hematita, lepdocrosita e magnetita.
A Figura 9 apresenta o espectro PA da amostra de goethita sintética. PA
(Espectroscopia Fotoacústica) é uma técnica simples que permite obter espectros de absorção
nas regiões de ultravioleta a infravermelho (UV-Vis-IV) de uma grande variedade de
materiais, fornecendo tanto informações qualitativas como quantitativas sobre o material
analisado (MELO et al., 2008). Observa-se neste espectro que as bandas no infravermelho e
no visível foram melhor resolvidas do que as da hematita. As cinco bandas gaussianas de
cada espectro, Figuras 9 e 12, forneceram valores totalmente diferenciados. As bandas no
infravermelho da goethita e hematita se deslocam uma em relação a outra. Isto serve de
parâmetro de identificação entre as bandas. A banda em torno de 650 nm foi melhor resolvida
para a goethita do que para a hematita.
Figura 9. Espectro PA da goetita FeO(OH) .
fonte: (Melo et al., 2008).
Figura 10 e 11. Espectro Infravermelho da goetita
Fonte: Park County, Colorado, USA (RRUFF Project)
A Figura 12 apresenta o espectro PA da hematita sintética. Pode-se verificar que as
posições das bandas obtidas tanto pelo ajuste por gaussianas como pela segunda derivada
forneceram valores próximos. Pela Teoria de Campo Ligante, as transições eletrônicas de um
íon livre Fe3+ ocorrem em 370, 430, 490, 540 e 650 nm. respectivamente
(GARCIA-QUIROZ, 2002). Há, ainda, a banda no infravermelho próximo (850 a 900 nm),
atribuída aos óxidos de ferro (DALMOLIN et al., 2005).
Figura 12. Espectro PA de hematita Fe3O4.
fonte: (Melo et al., 2008).
Figura 13 Espectro Infravermelho da hematita
Fonte: University of Arizona Mineral Museum (RRUFF Project)
Figura 14. Espectro Infravermelho da lepidocrocita
Fonte: University of Arizona Mineral Museum (RRUFF Project)
Figura 15. Espectro Infravermelho da magnetita
Fonte: William W. Pinch (RRUFF Project)
5.5. Descreva sobre a extração do minério de ferro no Brasil e obtenção do aço
O mercado de minério de ferro opera fundamentalmente em função do setor siderúrgico e
oscila em função de seu desempenho. A indústria siderúrgica é responsável por cerca de 99%
da demanda do minério de ferro produzido no mundo. O Brasil é um grande produtor de ferro
e aço, a extração do minério ocorre principalmente em Carajás, no norte do Brasil, que é
considerado um dos minérios com melhor qualidade no mundo.
O aço é uma liga de ferro e carbono, com cerca de 95% de ferro e variando a porcentagem de
carbono e outros elementos que podem serprovenientes do minério e estar de forma
indesejada, ou pela adição de outros elementos para obter um tipo específico de liga, estas
variações nas porcentagens é um fator para diferenciar os tipos de aços. Estima-se que 99%
da produção mundial de minério de ferro seja destinada para a indústria siderúrgica, onde há
obtenção do aço (UNCTAD, 2008). O processo de fabricação do aço é semelhante ao do
ferro, o minério de ferro é levado até o alto-forno, com carbono e calcário, a partir do
aquecimento é produzido o ferro-gusa e escória, sendo que o ferro-gusa possui cerca de 90 a
95% em ferro, 3,5 a 4,5 em carbono, e o restante são traços de elementos que são encontrados
nos minérios (manganês, silício, enxofre, fósforo) e a escória é resultante das impurezas junto
ao calcário.
O ferro-gusa é levado a aciaria onde ocorre um processo controlado para remoção das
impurezas, é injetado oxigênio ao ferro-gusa líquido onde as impurezas são oxidadas e
removidas para a escória, também ajustando o teor de carbono, após isso o aço líquido é
levado ao lingotamento onde é solidificado em produtos semi acabados, como placas, blocos
etc. Na laminação ocorre uma deformação para diminuir a espessura e o tamanho para serem
utilizados na produção de tubos, chapas, barras, dentre outros. O aço também pode ser
produzido pela reciclagem da sucata em forno elétrico, esse processo é chamado de rota
semi-integrada, e depende principalmente da disponibilidade de sucata. (VICENTE, 1986).
6. CONCLUSÃO
O ferro é o metal mais utilizado dentre todos os metais, e a fabricação do aço é de extrema
importância em todo o mundo. A partir do ferro, podemos obter principalmente dois óxidos,
o óxido de ferro II e o óxido de ferro III, conhecido também como hematita, que é formada a
partir de uma reação de oxirredução que é popularmente chamada de ferrugem. No
experimento, houve a síntese do óxido de ferro III a partir do cloreto de ferro, na presença de
água e hidróxido de sódio, e por fim passando por um processo de calcinação. Ao final , a
produção do óxido de ferro teve rendimento percentual de 93%. No experimento, a
quantidade de óxido de ferro produzidos a partir de 0,6388 g de FeCl 3 , foi de 0,58g.
Estudos de caracterização mineral são de suma importância para área industrial, tanto para a
venda do minério de ferro, como para o estudo da melhor rota de beneficiamento que o
minério será direcionado, por isso é necessária a identificação e quantificação das fases
mineralógicas existentes. As técnicas mais utilizadas para identificação de minerais são a
difração de raio x, a microscopia ótica e a refletância difusa infravermelho e UV(VIS). Pelo
método da difração de raio X, a quantificação de fases é prejudicada. A microscopia ótica é
cara e demorada, porém a reflectância difusa tem se mostrado uma técnica bastante
promissora para identificação e quantificação das fases mineralógicas de diversos tipos de
minérios. Os espectros nas regiões do visível e infravermelho para os padrões da hematita,
lepidocrosita, magnetita e goethita mostrados nas figuras de 9 a 10, observa-se que existem
diferenças significativas tanto na posição quantos nas intensidades das bandas que
possibilitam a identificação das fases mineralógicas.
O conhecimento e o estudo dos gases, sua constituição e propriedades é muito importante na
Química. O mais presente e vital deles com certeza é o ar atmosférico, no qual estamos
imersos.O ar é composto por cerca de 78% de gás nitrogênio (N2), aproximadamente 20% de
gás oxigênio (O2), aproximadamente 1% de gás argônio (Ar) e cerca de 1% de outros gases,
como o gás carbônico (CO2) e vapor de água.
O oxigênio presente no ar reage em contato com o ferro. Visto que o oxigênio do ar é
consumido, o nível da água sobe, e o ar restante é constituído praticamente apenas de
nitrogênio. No experimento o valor inicial equivale ao volume total do ar, que basicamente
podemos dizer que é formado de oxigênio e nitrogênio. Já o valor final corresponde ao
volume de gás nitrogênio. Estabelecendo a seguinte relação para determinar a porcentagem
em volume de nitrogênio que estava presente no ar, a porcentagem de oxigênio presente no ar
em volume, será o do ar (100%) menos o do gás nitrogênio, conforme os cálculos supra
citados concluímos que o volume de oxigênio correspondeu a 11% neste experimento.
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