Por que o ferro pode apresentar diferentes estruturas cristalinas? Qual o nome dado para esse fenômeno? Explique. ( 4,0 pontos).
Passo 1
O enunciado pergunta por que o ferro adota diferentes arranjos cristalinos em função das condições e qual é o nome desse fenômeno. O conteúdo é transformações de fase em sólidos cristalinos (metais) e vamos precisar entender como a variação da temperatura altera a estabilidade das diferentes redes cristalinas do ferro.
Passo 2
O fenômeno pelo qual um mesmo material cristalino pode existir em mais de uma estrutura cristalina, dependendo de temperatura e pressão, chama-se polimorfismo (ou, em química de elementos, alotropia). Em termos termodinâmicos, cada fase polimórfica minimiza a energia livre de Gibbs em sua faixa de estabilidade.
No caso do ferro puro à pressão ambiente, existem três fases allotrópicas principais:
No caso do ferro puro à pressão ambiente, existem três fases allotrópicas principais:
- A fase
-Fe (ferrita), com rede cúbica de corpo centrado (BCC), estável para temperaturas abaixo de . - A fase
-Fe (austenita), com rede cúbica de faces centradas (FCC), aparece entre e . - A fase
-Fe, novamente BCC, existe de até o ponto de fusão em torno de .
Passo 3
A razão para essas transformações de rede é que a energia livre de Gibbs
(onde
é entalpia e
entropia) varia com a temperatura. Em baixas temperaturas, a entalpia domina, favorecendo uma estrutura menos compacta (BCC) com menor energia interna. À medida que a temperatura aumenta, o termo entrópico
passa a ser mais relevante e uma rede mais densa (FCC) torna-se termodinamicamente preferível, pois acomoda melhor o aumento do grau de desordem atômica.
Passo 4
Essas mudanças de rede cristalina produzem diferenças de densidade e de propriedades mecânicas (dureza, ductilidade etc.), o que é explorado industrialmente em tratamentos térmicos do aço, onde se controlam aquecimento e resfriamento para obter fases desejadas.
Resposta
O fenômeno chama-se polimorfismo (ou alotropia) do ferro, que ocorre porque cada estrutura cristalina minimiza a energia livre de Gibbs em sua faixa de temperatura de estabilidade.