17.7: Corrosão

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

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

A corrosão é geralmente definida como a degradação de metais por um processo eletroquímico natural. 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 remediação da corrosão nos Estados Unidos é significativo, com estimativas de mais de meio trilhão de dólares por ano.

Química na vida cotidiana

Estátua da Liberdade: Mudando as cores

A Estátua da Liberdade é um marco que todo americano reconhece. A Estátua da Liberdade é facilmente identificada por sua altura, posição e cor azul-esverdeada única (Figura 17.15). 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 metal de cobre é oxidado em óxido de cobre (I) (Cu ₂ O), que é vermelho, e depois em óxido de cobre (II), que é preto

2Cu (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Cu}_{2} O (s) (vermelho)

{Cu}_{2} O (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ 2 CuO (s) (preto)

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

2 CuO (s) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {CO}_{3} {(OH)}_{2} (s) (verde)

3 CuO (s) + {2 CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {{(CO}_{3})}_{2} {(OH)}_{2} (s) (azul)

4 CuO (s) + {ENTÃO}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{4} {ENTÃO}_{4} {(OH)}_{6} (s) (verde)

Esses três compostos são responsáveis pela pátina azul-esverdeada característica vista na Estátua da Liberdade (e em outras estruturas externas de cobre). Felizmente, a formação de pátina cria uma camada protetora na superfície do cobre, evitando uma maior corrosão do cobre subjacente. A formação da camada protetora é chamada de passivação, fenômeno discutido mais adiante em outro capítulo deste texto.

Esta figura contém duas fotos da Estátua da Liberdade. A foto a parece ser uma foto antiga que mostra a cor marrom original da estátua coberta de cobre. A foto b mostra a aparência azul-esverdeada da estátua hoje. Nas duas fotos, a estátua é mostrada no topo de um prédio, com um corpo de água ao fundo.

Figura 17.15 (a) A Estátua da Liberdade é coberta com uma pele de cobre e era originalmente marrom, conforme 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. A formação de ferrugem envolve a criação de uma célula galvânica em uma superfície de ferro, conforme ilustrado na Figura 17.15. As reações redox relevantes são descritas pelas seguintes equações:

\begin{matrix} ânodo: & Fe (s) ⟶ {Fe}^{2+} (uma q) + 2 e^{−} & E_{{Fe}^{2+} /Fe}^{°} & = & −0,44 G \\ cátodo: & O_{2} (g) + 4 H^{+} (uma q) + 4 e^{−} ⟶ 2 H_{2} O (l) & E_{O_{2} {/O}^{2}}^{°} & = & +1,23 G \\ em geral: & 2Fe (s) + O_{2} (g) + {4H}^{+} (uma q) ⟶ 2 {Fe}^{2+} (uma q) + 2 H_{2} O (l) & E_{célula}^{°} & = & +1,67 G \end{matrix}

Uma reação adicional do produto de ferro (II) em ar úmido resulta na produção de um hidrato de óxido de ferro (III) conhecido como ferrugem:

4 {Fe}^{2+} (uma q) + O_{2} (g) + (4 + 2 x) H_{2} O (l) ⟶ 2 {Fe}_{2} O_{3} · x H_{2} O (s) + 8 H^{+} (uma q)

A estequiometria do hidrato varia, conforme indicado pelo uso de x na fórmula do composto. 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.

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 na parte superior esquerda do diagrama é chamada de “sítio catódico”. Uma gota azul chamada “água” está 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 seta 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”.

Figura 17.16 A corrosão pode ocorrer quando uma superfície pintada de ferro ou aço é exposta ao meio ambiente por um arranhão na tinta. Resultados de uma célula galvânica que podem ser aproximados pelo esquema celular simplificado Fe (s) | Fe ²⁺ (aq) ||O ₂ (aq), H ₂ O (l) | Fe (s).

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 uma liga de ferro contendo uma pequena quantidade de cromo. O cromo tende a se acumular próximo à superfície, onde corrói e forma uma camada passivante de óxido que protege o ferro.

Ferro e outros metais também podem ser protegidos da corrosão por galvanização, um processo no qual o metal a ser protegido é revestido com uma camada de um metal mais facilmente oxidado, geralmente zinco. Quando a camada de zinco está intacta, ela evita que o ar entre em contato com o ferro subjacente e, assim, evita a corrosão. Se a camada de zinco for rompida por corrosão ou abrasão mecânica, o ferro ainda poderá ser protegido da corrosão por um processo de proteção catódica, descrito no próximo parágrafo.

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 (Figura 17.17). 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 para a redução do oxigênio no ar e, portanto, serve simplesmente para conduzir (não reagir com) os elétrons que estão sendo transferidos. Quando os ânodos são monitorados adequadamente e substituídos periodicamente, a vida útil do tanque de armazenamento de ferro pode ser bastante estendida.

Figura 17.17 A proteção catódica é uma abordagem útil para prevenir eletroquimicamente a corrosão de tanques de armazenamento subterrâneos.