Por que morrem as estrelas ao chegar ao ferro?
Uma estrela brilha porque a fusão nuclear liberta energia e essa energia gera a pressão que contraria a gravidade. O processo avança por etapas: hidrogénio em hélio, hélio em carbono, carbono em oxigénio e néon, e assim sucessivamente rumo a elementos cada vez mais pesados.
A energia disponível em cada passo depende da energia de ligação por nucleão, que cresce com o número atómico até um máximo e depois decresce. Esse máximo está no níquel 62, com o ferro 56 muito perto.
Fundir dois núcleos abaixo do ferro liberta energia. Fundir ferro consome-a. Quando o núcleo de uma estrela maciça se converteu em ferro, a fonte de energia apaga-se de repente.
O que se segue ocorre em menos de um segundo. Sem pressão que a sustente, a matéria cai para o centro a uma fração apreciável da velocidade da luz. O núcleo comprime-se até à densidade nuclear, ressalta, e a onda de choque resultante rasga a estrela: é uma supernova de tipo II.
Nessa explosão, o fluxo brutal de neutrões sintetiza em segundos os elementos mais pesados do que o ferro, que não podem formar-se por fusão ordinária. O ouro e o urânio da Terra provêm de acontecimentos desse tipo.
O que distingue o ferro do aço?
O carbono, e a sua quantidade exata.
O ferro puro é surpreendentemente mole: risca-se com uma moeda de cobre e deforma-se com facilidade. Quase não se usa como material estrutural.
O aço contém entre 0,02 e 2 % de carbono. Os átomos de carbono, muito mais pequenos do que os de ferro, situam-se nos interstícios da rede cristalina e dificultam o deslizamento dos planos atómicos. Esse impedimento é a resistência mecânica.
O ferro fundido ultrapassa os 2 % e chega aos 4 %. O excesso de carbono forma grafite ou cementite em quantidade suficiente para tornar o material frágil, mas também baixa o ponto de fusão e melhora a fluidez: molda-se bem, não se forja.
O alto-forno produz gusa com 4 % de carbono. Convertê-lo em aço consiste em queimar o excesso soprando oxigénio puro sobre o metal fundido, no conversor básico a oxigénio. A reação é exotérmica e não precisa de combustível adicional.
O que torna o aço único é que a sua microestrutura depende do tratamento térmico. Arrefecer rapidamente a partir de alta temperatura aprisiona o carbono numa fase tensionada chamada martensite, dura e frágil; reaquecer depois a temperatura moderada alivia parte dessa tensão. Temperar e revenir permite ajustar dureza e tenacidade de forma contínua, e isso não é possível com nenhum outro metal comum.
Por que é que a ferrugem não protege como a pátina do cobre?
Ambos os metais se oxidam. A diferença está no que acontece a seguir.
O óxido de alumínio e a pátina do cobre formam camadas compactas, aderentes e da mesma ordem de volume que o metal consumido. Selam a superfície e travam o processo.
A ferrugem é óxido de ferro hidratado, com uma fórmula variável em torno de Fe₂O₃·nH₂O. Ocupa aproximadamente o dobro do volume do ferro de que provém. Essa expansão gera tensões que fendem e desprendem a camada, deixando metal novo exposto ao ar e à humidade.
O processo é eletroquímico e precisa de água e oxigénio. Numa gota sobre aço, uma zona atua como ânodo e outra como cátodo, e a corrente circula pelo metal. O sal acelera tudo ao aumentar a condutividade do eletrólito, e por isso o aço corrói-se muito mais depressa perto do mar ou em estradas salgadas.
As defesas habituais são três: uma barreira física como a tinta, uma camada de metal que forme óxido protetor como a galvanização com zinco, ou uma alteração da liga. O aço inoxidável contém pelo menos 10,5 % de crómio, que forma na superfície uma película de óxido de crómio compacta e auto-reparável: a proteção é dada pelo crómio, não pelo ferro.
Como transporta o oxigénio no sangue?
Um adulto contém entre 3 e 4 gramas de ferro, e a maior parte está na hemoglobina.
A molécula tem quatro subunidades, cada uma com um grupo hemo: um anel de porfirina com um ião Fe²⁺ no centro, coordenado por quatro azotos do anel e um da proteína. A sexta posição de coordenação fica livre e é onde se liga o oxigénio.
O notável é que a ligação seja reversível. O ferro em solução reage com o oxigénio e oxida-se a Fe³⁺ de forma irreversível. Dentro da hemoglobina isso não acontece, porque a estrutura da proteína impede que dois grupos hemo se aproximem e reajam entre si através do oxigénio.
A ligação é além disso cooperativa. Quando a primeira subunidade capta oxigénio, muda ligeiramente de forma e facilita a captação das outras três. Essa cooperatividade produz uma curva de saturação em forma de S que permite carregar oxigénio com eficácia no pulmão e largá-lo nos tecidos.
⚠️ O monóxido de carbono liga-se ao mesmo sítio cerca de duzentas vezes mais fortemente do que o oxigénio e não se solta. Daí a sua toxicidade: não envenena o metabolismo, simplesmente ocupa o lugar.
Onde está o ferro da Terra?
No núcleo, sobretudo. O ferro é o elemento mais abundante do planeta considerado no seu conjunto — cerca de 32 % da sua massa — mas apenas o quinto da crosta, com 5 %.
A separação ocorreu durante a formação do planeta. A Terra primitiva esteve suficientemente quente para fundir, e o ferro, denso e pouco afim ao oxigénio nessas condições, afundou-se para o centro arrastando o níquel e elementos afins. Esse episódio é conhecido como catástrofe do ferro.
O núcleo resultante, de ferro e níquel, tem uma parte externa líquida cujos movimentos geram por efeito dínamo o campo magnético terrestre. Sem ele, o vento solar teria erodido a atmosfera há muito.
O ferro da crosta que se extrai provém na sua maioria das formações de ferro bandado depositadas entre 2 500 e 1 800 milhões de anos atrás, quando o oxigénio produzido pelas cianobactérias precipitou o ferro dissolvido nos oceanos. A Austrália, o Brasil e a China concentram a produção atual.