Por que o ferro pode apresentar diferentes estruturas cristalinas? Qual o nome dado para esse fenômeno? Explique. ( 4,0 pontos). (0,0)

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:
  • A fase alpha-Fe (ferrita), com rede cúbica de corpo centrado (BCC), estável para temperaturas abaixo de 912,^circC.
  • A fase gamma-Fe (austenita), com rede cúbica de faces centradas (FCC), aparece entre 912,^circC e 1394,^circC.
  • A fase de<a-Fe, novamente BCC, existe de 1394,^circC até o ponto de fusão em torno de 1538,^circC.

Passo 3

A razão para essas transformações de rede é que a energia livre de Gibbs G = H - TS (onde H é entalpia e S 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 -TS 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.

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