17.6: Corrosão

Objetivos de

• Defina corrosão
• Listar alguns dos métodos usados para evitar ou retardar a corrosão

A corrosão é geralmente definida como a degradação de metais devido a um processo eletroquímico. A formação de ferrugem no ferro, manchas na prata e a pátina azul-esverdeada que se desenvolve no cobre são exemplos de corrosão. O custo total da corrosão nos Estados Unidos é significativo, com estimativas de mais de meio trilhão de dólares por ano.

Mudando as cores

A Estátua da Liberdade é um marco que todo americano reconhece. A Estátua da Liberdade é facilmente identificada por sua altura, postura e cor azul-esverdeada única. Quando esta estátua foi entregue pela primeira vez da França, sua aparência não era verde. Era marrom, da cor de sua “pele” de cobre. Então, como a Estátua da Liberdade mudou de cor? A mudança na aparência foi resultado direto da corrosão. O cobre, que é o principal componente da estátua, sofreu lentamente a oxidação do ar. As reações de oxidação-redução do metal de cobre no ambiente ocorrem em várias etapas. O cobre metálico é oxidado em óxido de cobre (I$\ce{Cu_2O}$) (), que é vermelho, e depois em óxido de cobre (II), que é preto.

$$\ce{2Cu(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{red}}{\ce{Cu2O(s)}} \nonumber$$

$$\ce{Cu2O(s)} +\ce{1/2O2(g)} \rightarrow \underset{\text{black}}{\ce{2CuO(s)}} \nonumber$$

O carvão, que geralmente era rico em enxofre, foi queimado extensivamente no início do século passado. Como resultado, trióxido de enxofre, dióxido de carbono e água reagiram com$\ce{CuO}$ o.

$$\ce{2CuO(s)}+\ce{CO2(g)} + \ce{H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_2CO3(OH)2(s)}} \nonumber$$

$$\ce{3CuO(s)}+\ce{2CO2(g)}+\ce{H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{blue}}{\ce{Cu_2(CO_3)_2(OH)2(s)}} \nonumber$$

$$\ce{4CuO(s)}+\ce{SO3(g)}+\ce{3H2O(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_4SO_4(OH)6(s)}} \nonumber$$

Esses três compostos são responsáveis pela pátina azul-esverdeada característica vista hoje. Felizmente, a formação da pátina criou uma camada protetora na superfície, evitando uma maior corrosão da camada de cobre. A formação da camada protetora é uma forma de passivação, que será discutida mais adiante em um capítulo posterior.

Figura$\PageIndex{1}$: (a) A Estátua da Liberdade é coberta com uma pele de cobre e era originalmente marrom, como mostrado nesta pintura. (b) A exposição aos elementos resultou na formação da pátina azul-esverdeada vista hoje.

Talvez o exemplo mais familiar de corrosão seja a formação de ferrugem no ferro. O ferro enferruja quando exposto ao oxigênio e à água. As principais etapas na ferrugem do ferro parecem envolver o seguinte. Uma vez exposto à atmosfera, o ferro oxida rapidamente.

$$\textrm{anode: }\ce{Fe}_{(s)} \rightarrow \ce{Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2e^-}\;\;\; E^\circ_{\ce{Fe^{2+}/Fe}}=\mathrm{−0.44\: V} \nonumber$$

Os elétrons reduzem o oxigênio no ar em soluções ácidas.

$$\textrm{cathode: }\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)}+\ce{4e^-} \rightarrow \ce{2H_2O}_{(l)}\;\; E^\circ_{\ce{O_2/O_2}}=\mathrm{+1.23\; V} \nonumber$$

$$\textrm{overall: }\ce{2Fe}_{(s)}+\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)} \rightarrow \ce{2Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2H_2O}_{(l)} \;\;\;E^\circ_\ce{cell}=\mathrm{+1.67\; V} \nonumber$$

O que chamamos de ferrugem é o óxido de ferro (III) hidratado, que se forma quando os íons de ferro (II) reagem ainda mais com o oxigênio.

$$\ce{4Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{O}_{2(g)}+(4+2x)\ce{H_2O}_{(l)} \rightarrow \ce{2Fe_2O_3} \cdot x\ce{H_2O}_{(s)}+\ce{8H^+}_{(aq)} \nonumber$$

O número de moléculas de água é variável, então é representado por x. Ao contrário da pátina do cobre, a formação de ferrugem não cria uma camada protetora e, portanto, a corrosão do ferro continua à medida que a ferrugem se desprende e expõe o ferro fresco à atmosfera.

Figura$\PageIndex{2}$: Quando a tinta é arranhada em uma superfície de ferro pintada, ocorre corrosão e a ferrugem começa a se formar. A velocidade da reação espontânea aumenta na presença de eletrólitos, como o cloreto de sódio usado nas estradas para derreter gelo e neve ou na água salgada.

Um retângulo cinza, rotulado como “ferro”, é mostrado com finas camadas roxas, rotuladas como “Camada de tinta”, em suas superfícies superior e inferior. Uma lacuna na camada roxa superior no canto superior esquerdo do diagrama é chamada de “sítio catódico”. ” Uma gota azul chamada “água” é posicionada no topo da lacuna. Uma flecha curva se estende de um espaço acima da gota até a superfície da região cinza e para a gota de água. A base da seta é rotulada como “O subscrito 2” e a ponta da seta é rotulada como “H subscrito 2 O.” Uma lacuna à direita e na parte inferior da região cinza mostra que parte da região cinza desapareceu da região abaixo da camada roxa. Uma gota de água cobre essa lacuna e se estende até o espaço aberto no retângulo cinza. O rótulo “F e sobrescrito 2 positivo” está no centro da gota. Uma seta curva aponta da borda da área cinza abaixo até a etiqueta. Uma segunda seta curva se estende da seta positiva F e sobrescrita 2 até um pedaço marrom enferrujado na superfície inferior da camada roxa na borda da gota de água. Uma flecha curva se estende de O subscrito 2 fora da gota até o pedaço marrom enferrujado. A região cinza na parte inferior direita do diagrama é chamada de “Sítio anódico”. ” Uma flecha se estende do sítio anódico em direção ao sítio catódico, que é rotulado como “e negativo sobrescrito”. ”

Uma maneira de evitar que o ferro corroa é mantê-lo pintado. A camada de tinta evita que a água e o oxigênio necessários para a formação de ferrugem entrem em contato com o ferro. Enquanto a tinta permanecer intacta, o ferro estará protegido da corrosão.

Outras estratégias incluem a liga do ferro com outros metais. Por exemplo, o aço inoxidável é principalmente ferro com um pouco de cromo. O cromo tende a se acumular próximo à superfície, onde forma uma camada de óxido que protege o ferro.

O ferro zincado ou galvanizado usa uma estratégia diferente. O zinco é mais facilmente oxidado do que o ferro porque o zinco tem um potencial de redução menor. Como o zinco tem um potencial de redução menor, é um metal mais ativo. Assim, mesmo que o revestimento de zinco esteja arranhado, o zinco ainda se oxidará antes do ferro. Isso sugere que essa abordagem deve funcionar com outros metais ativos.

Figura$\PageIndex{3}$: Uma forma de proteger um tanque subterrâneo de ferro é por meio da proteção catódica. O uso de um metal ativo como zinco ou magnésio para o ânodo torna efetivamente o tanque de armazenamento o cátodo, evitando que ele corroa (oxide).

É mostrado um diagrama de um sistema de tanque de armazenamento subterrâneo. No subsolo, na extremidade esquerda do diagrama, há um tanque cinza horizontal rotulado como “Objeto a ser protegido”. Uma linha preta se estende para cima a partir do centro do tanque acima do solo. Uma seta aponta para cima no lado esquerdo do segmento da linha. Um segmento de linha preta horizontal continua logo acima do solo, com o rótulo “Nenhuma fonte de alimentação é necessária”. Um segmento de linha se estende para cima e para a direita, que é rotulado como “Fio de chumbo”. Um segmento de linha com uma seta apontando para baixo à direita se estende para baixo abaixo do solo até uma segunda estrutura em forma de tanque de metal, chamada “ânodo sacrificial”, que é orientada verticalmente. Cinco setas pretas apontam para a esquerda no subsolo em direção ao primeiro tanque Essas flechas são rotuladas coletivamente como “Corrente protetora”.

Outra forma importante de proteger o metal é torná-lo o cátodo em uma célula galvânica. Essa é uma proteção catódica e pode ser usada para outros metais além do ferro. Por exemplo, a ferrugem de tanques e tubulações subterrâneas de armazenamento de ferro pode ser evitada ou reduzida consideravelmente conectando-os a um metal mais ativo, como zinco ou magnésio. Isso também é usado para proteger as peças de metal nos aquecedores de água. Os metais mais ativos (menor potencial de redução) são chamados de ânodos sacrificiais porque, à medida que se esgotam, corroem (oxidam) no ânodo. O metal protegido serve como cátodo e, portanto, não oxida (corrói). Quando os ânodos são monitorados adequadamente e substituídos periodicamente, a vida útil do tanque de armazenamento de ferro pode ser bastante estendida.

Resumo

A corrosão é a degradação de um metal causada por um processo eletroquímico. Grandes somas de dinheiro são gastas a cada ano reparando ou prevenindo os efeitos da corrosão. Alguns metais, como alumínio e cobre, produzem uma camada protetora quando corroem no ar. A fina camada que se forma na superfície do metal impede que o oxigênio entre em contato com mais átomos de metal e, assim, “protege” o metal restante de corrosão adicional. O ferro corrói (forma ferrugem) quando exposto à água e ao oxigênio. A ferrugem que se forma no metal de ferro se desprende, expondo o metal fresco, que também corrói. Uma forma de evitar ou retardar a corrosão é revestir o metal. O revestimento evita que a água e o oxigênio entrem em contato com o metal. A tinta ou outros revestimentos retardam a corrosão, mas não são eficazes depois de arranhados. O ferro zincado ou galvanizado explora o fato de que o zinco tem maior probabilidade de oxidar do que o ferro. Enquanto o revestimento permanecer, mesmo que seja arranhado, o zinco se oxidará antes do ferro. Outro método para proteger metais é a proteção catódica. Nesse método, um metal facilmente oxidado e barato, geralmente zinco ou magnésio (o ânodo sacrificial), é conectado eletricamente ao metal que deve ser protegido. O metal mais ativo é o ânodo sacrificial e é o ânodo em uma célula galvânica. O metal “protegido” é o cátodo e permanece não oxidado. Uma vantagem da proteção catódica é que o ânodo sacrificial pode ser monitorado e substituído, se necessário.

Glossário

proteção catódica

método de proteger o metal usando um ânodo sacrificial e fabricando efetivamente o metal que precisa proteger o cátodo, evitando assim sua oxidação

corrosão

degradação do metal por meio de um processo eletroquímico

ferro galvanizado

método para proteger o ferro cobrindo-o com zinco, que se oxidará antes do ferro; ferro zincado

ânodo sacrificial

metal mais ativo e barato usado como ânodo na proteção catódica; frequentemente feito de magnésio ou zinco