Idade do Ferro - Parte 1

A mídia relata constantemente que a era do plástico chegou e a civilização do silício está florescendo por aí. No entanto, a realidade é outra: vivemos na Idade do Ferro há mais de três mil anos. Você também pode acrescentar que o século XIX, ou seja, a era do vapor e da eletricidade (já que a eletricidade ainda é gerada principalmente pela força do fluxo de vapor de água), continua em termos de energia.

O poeta romano Ovídio, em suas Transformações, descreveu as épocas míticas da humanidade, em grande parte de acordo com desenvolvimento da civilização. Assim, depois das idades felizes do ouro e da prata (aqui o autor teve uma fantasia, porque era um período de pedra), reinou a idade do bronze, uma das ligas de cobre e estanho. Naquela época, Hércules, Teseu e os Argonautas viviam, e os heróis de Homero, vestidos com armaduras de bronze, lutavam sob os muros de Tróia com espadas de bronze. Os arqueólogos chamam esse período de Idade do Bronze. Depois dela (depois de Ovídio) ...

... a era do ferro duro chegou

Quando isso começou? É difícil responder a esta pergunta. eles vêm do 1º milênio aC, e talvez até antes. E não era "qualquer" ferro, mas de origem celestial, estritamente meteórica (XNUMX). Não é de surpreender que eles fossem tratados como um verdadeiro presente dos deuses e respeitados de acordo.

1. Um fragmento do maior meteorito de ferro polonês encontrado nos subúrbios de Poznań (Morasco). O espécime está no Museu da Terra AMU (autor: Wikimedia/MOs810)

Com limpo com ferro terreno um homem conheceu quando começou a receber metais de minérios, e não de samorodkow. ,: em temperaturas alcançáveis ​​na época em fornos (até um máximo de 1000 ° C), esses metais fundiam e podiam ser fundidos, e sua maciez facilitava o trabalho com forjamento.

Z ferro não foi tão fácil. Em primeiro lugar, derrete a uma temperatura superior a 1500 ° C e, em segundo lugar, quando frio, é duro e não pode ser moldado por métodos milenares. Inicialmente, era um subproduto problemático (os minérios de cobre e ferro costumam ficar adjacentes um ao outro) - um pedaço de massa dura e esponjosa permaneceu no fundo do forno. Era ferro feito de óxidos reduzidos de minério. Por acaso, o antigo ferreiro começou a processar a ardósia resultante (do latim, que significa lobo) antes mesmo de esfriar (2). Desta vez metal é fácil de trabalhar. Embora para os padrões de hoje fosse um ferro de qualidade muito baixa, acabou sendo mais duro do que todos os metais conhecidos na época.

2. A ferraria tem sido uma profissão importante por milhares de anos (Autor: Wikimedia/Joorgeroyan)

A dureza do ferro depende da quantidade de carbono dissolvido nele. (veio do carvão usado na fundição), e este, por sua vez, da temperatura da fundição - aumenta com ela. O ferro com baixo teor de carbono foi obtido em fornos primitivos (o teor de carbono não ultrapassou 0,5%).

No entanto, a tecnologia continuou a se desenvolver. Fornos melhores foram desenvolvidos para atingir temperaturas mais altas para que mais carbono seja dissolvido no ferro. Quando seu conteúdo atingiu cerca de 1%, uma pessoa o conheceu. foi. As lâminas feitas com ele não entorpeciam rapidamente e, além disso, podiam ser endurecidas, o que aumentava adicionalmente sua dureza. Desde então, o novo metal vem substituindo rapidamente marrom. Quando foi esse avanço? Por volta de meados do segundo milênio aC no território da moderna Síria e Anatólia (Turquia). A partir daí, o aço se espalhou por todo o mundo, embora em diferentes partes dele essa invenção tenha sido realizada independentemente uma da outra (por exemplo, na Índia e na China).

Mas por que ferroapesar dos problemas com sua produção, foi substituído pelo bronze? Desta vez, daremos a palavra a Bolesław Prus, que em Faraó descreveu as vantagens do novo material da seguinte forma: “um dos oficiais egípcios puxou sua espada de bronze e a segurou como se estivesse prestes a atacar. Então Sargão ergueu uma espada de aço, golpeou e cortou um pedaço da arma para o inimigo.

Metal de guerra

O romance se passa no século 3 aC, mas antes disso, melhores armamentos significavam vantagem no campo de batalha. Provavelmente não é coincidência que a invenção da produção de aço tenha sido inventada pelos hititas, um povo de guerreiros. Depois deles, foi adotado por assírios não menos corajosos, cujo enviado Sargão mostrou tão claramente ao jovem herdeiro do trono egípcio as vantagens de uma nova arma. Desde então, o ferro esteve para sempre associado à guerra, foi dedicado aos deuses que zelam por esta área da vida e (XNUMX).

3. A superfície de Marte coberta com óxidos de ferro (de recursos da NASA). O símbolo astronômico do planeta Marte e o símbolo alquímico do ferro retratam um escudo e uma lança - atributos do deus da guerra

Séculos se passaram, a tecnologia de fundição e processamento melhorou (na Polônia já no século XNUMX aC. metalurgia). Seus segredos eram cuidadosamente guardados, e suas invenções bem-sucedidas eram amplamente conhecidas, como damasco. Além de pequenos fumeiros primitivos, grandes fornos foram cada vez mais construídos para fundição. Na Europa medieval, foi possível pela primeira vez atingir o ponto de fusão do ferro e - em vez da massa esponjosa que jazia no fundo da lareira, o metal líquido escorria do forno, ou seja, salada. No entanto, isso não causou admiração: uma liga com alto teor de carbono (ferro fundido) era frágil e não podia ser forjada, adequada apenas para fundições (até hoje é usada para esse fim).

O avanço na produção de aço ocorreu no século XNUMX e especialmente nos séculos XNUMX. No início era usado para fundição Coca (carvão duro desgaseificado) em vez de carvão. Isso aconteceu na Inglaterra, onde a siderurgia contribuiu para o desmatamento significativo no país (a demanda por coque foi um incentivo para o rápido desenvolvimento da indústria de mineração). carvão). O desenvolvimento de métodos para a produção de aço a partir do ferro fundido pela remoção do excesso de carbono e outros aditivos (fósforo, enxofre, silício) tornou o aço barato e disponível em grandes quantidades, o que por sua vez iniciou sua ampla utilização como material estrutural.

Processos tecnológicos do século XNUMX - Bessemer, Thomas, e especialmente Siemens-Martin - até hoje eles são a base da produção de aço (claro, eles foram aprimorados de várias maneiras). Embora a tentativa e erro atualmente não seja praticada, e os processos de fundição e processamento do aço sejam estudados por especialistas em vários campos, ainda há um elemento adicional de arte na metalurgia. Os especialistas nesta área podem ser comparados a chefs que, usando os temperos certos, podem criar pratos gourmet. Nesse caso, a função dos temperos é desempenhada por aditivos de liga (ou seja, vários elementos), e os pratos prontos são ligas “para todas as ocasiões”.

Metal #1

ferro esta é a base da nossa civilização, que os números falem por si. Em 2019, 1300 10 milhões de toneladas de ferro-gusa foram fundidos em todo o mundo, dos quais cerca de 1900% foram para a produção de produtos de ferro fundido, o restante foi processado em aço. Cerca de 10 milhões de toneladas de aço foram produzidas (a diferença é a sucata de aço adicionada durante o processamento do ferro-gusa). A “Fábrica Siderúrgica do Mundo” é a China, que fornece mais da metade dos produtos (a Polônia tem cerca de 2 milhões de toneladas). Número anual de produção de metal 80, ou seja, alumínio, é inferior a XNUMX milhões de toneladas, o que, comparado com dois bilhões de toneladas de aço e ferro, prova cabalmente que ainda estamos vivendo em Era do aço (4).

4. A produção mundial de aço é de dois bilhões de toneladas por ano.

Temos muito ferro na Terra, a camada superficial contém 5,6%, o que coloca esse metal em 4º lugar (depois do oxigênio e da argila). Se tomarmos a Terra como um todo, então o ferro está na liderança, representando quase um terço da massa do globo (no centro do planeta existe um núcleo de ferro-níquel com um diâmetro de quase 7000 km). No universo, o ferro é o 6º elemento mais abundante, bem como o elemento mais pesado que pode ser produzido no núcleo de uma estrela (os mais pesados ​​são criados como resultado de cataclismos cósmicos - explosões de supernovas).

Ferro grátis na terra ocorre ocasionalmente na forma de pequenas pepitas e. No entanto, os minerais de ferro são abundantes: hematita Fe₂O₃, siderite FeCO₃, magnetita Fe₃O₄ a limonita (óxidos hidratados, o chamado minério de pântano) são os minérios mais comumente extraídos deste metal, e a pirita, que imita o ouro FeS₂ é usado para produzir ácido sulfúrico (5).

5. Uma cor avermelhada no fundo de um riacho sinaliza a presença de compostos de ferro onipresentes.

O mundo vivo também aproveitou os benefícios do ferro, que é essencial para todos os organismos. íons de ferro estão no centro de duas proteínas importantes: a hemoglobina, que transporta o oxigênio, e a mioglobina, que armazena o gás vital nos músculos. Além disso, muitas das enzimas responsáveis ​​pelas reações de oxidação e redução funcionam devido à presença de íons de ferro (experimentando, você aprenderá por que isso acontece). O corpo de um adulto contém cerca de 4 gramas de ferro, e sua deficiência causa anemia. Ricas fontes de ferro de fácil digestão são: carne, fígado, gema de ovo, nozes, leite e legumes.

Transformações mútuas

Sais ferrosos e férricos estão disponíveis em seu laboratório. Um exemplo do primeiro é o sulfato de FeSO.₄e o outro é cloreto FeCl₃ (ambos como sais hidratados). No caso do FeCl₃ tenha especial cuidado: suas soluções são cáusticas e deixam manchas marrons difíceis de remover. Portanto, luvas de proteção são necessárias e os testes são realizados em uma bandeja. Prepare soluções de ambos os sais e despeje-os em tubos de ensaio. Solução contendo íons Fe²⁺ tem uma cor verde clara no caso de cátions Fe³⁺ cor amarela (6). Adicione uma pequena quantidade de solução de hidróxido de sódio NaOH a cada tubo. Em ambos os casos, os seguintes depósitos são formados: Fe(OH)₂ cinza-esverdeado e Fe(OH)₃ - castanho-avermelhado (7).

6. Cores de soluções de sais de ferro.

7. Precipitação de hidróxidos de ferro

Para tubos de ensaio com sedimento de Fe(OH)₂ adicione algumas gotas de solução de peróxido de hidrogênio a 3% N₂O₂ (água oxigenada usada como desinfetante). O precipitado torna-se rapidamente castanho-avermelhado (8):

2Fe(OH)₂ +H₂O₂ → 2Fe(OH)₃

8. O hidróxido de ferro (II) é rapidamente oxidado a hidróxido de ferro (III).

Despeje algumas gotas de solução de FeCl em um tubo de ensaio com água.₃ então a cor é apenas amarelo claro. Adicione uma pequena quantidade de solução de iodeto de potássio KI, imediatamente escurecerá o conteúdo. Agora adicione a solução de tiossulfato de sódio. _Na2S2O3. O conteúdo do recipiente estava quase descolorido. Por fim, adicione algumas gotas de solução de NaOH. O precipitado resultante tem uma cor... surpreendentemente esverdeada. Que reações ocorreram no tubo de ensaio?

Primeiro, íons de Fe³⁺ iodetos oxidados em iodo livre (escurecimento da solução), naturalmente, eles mesmos foram restaurados. A adição de tiossulfato novamente causou a redução do iodo a iodetos incolores e, sob a ação da base, formou-se um precipitado de Fe(OH).₂.

Esta transição fácil, por assim dizer relacionada com as Transformações de Ovídio, de iões Fe(II) em Fe(III) e vice-versa está subjacente à sua actividade biológica.

Ferro, aço, ferro fundido

Na maioria das vezes, quando falamos de ferro, queremos dizer aço. O ferro puro quase nunca é usado. Ferro com uma pequena quantidade de impurezas (ferro ARMCO) é usado como material magnético. O aço é uma liga com um teor de carbono de 1,7-2,1%. Se houver mais carbono, ele se separa na forma de grafite e forma ferro fundido.