17.7: Corrosão

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

$$\text{2Cu}(s)+\frac{1}{2}{\text{O}}_2(g)⟶{\text{Cu}}_2\text{O}(s)(\text{vermelho})$$

$${\text{Cu}}_2\text{O}(s)+\frac{1}{2}{\text{O}}_2(g)⟶\text{2 CuO}(s)(\text{preto})$$

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

$$\text{2 CuO}(s)+{\text{CO}}_2(g)+{\text{H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{Cu}}_2{\text{CO}}_3{\text{(OH)}}_2(s)\text{(verde)}$$

$$\text{3 CuO}(s)+{\text{2 CO}}_2(g)+{\text{H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{Cu}}_2{{(\text{CO}}_3)}_2{\text{(OH)}}_2(s)\text{(azul)}$$

$$\text{4 CuO}(s)+{\text{ENTÃO}}_3(g)+{\text{3H}}_2\text{O}(l)⟶{\text{Cu}}_4{\text{ENTÃO}}_4{\text{(OH)}}_6(s)\text{(verde)}$$

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.

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:

$$\begin{array}{}\\ \text{ânodo:}\hfill & & & \text{Fe}(s)⟶{\text{Fe}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+2{\text{e}}^{\text{−}}\hfill & & & \hfill E_{{\text{Fe}}^{\text{2+}}\text{/Fe}}^{°}& =\hfill & \text{−0,44 G}\hfill \\ \text{cátodo:}\hfill & & & {\text{O}}_2(g)+4{\text{H}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)+4{\text{e}}^{\text{−}}⟶2{\text{H}}_2\text{O}(l)\hfill & & & \hfill E_{{\text{O}}_2{\text{/O}}^2}^{°}& =\hfill & \text{+1,23 G}\hfill \\ \text{em geral:}\hfill & & & \text{2Fe}(s)+{\text{O}}_2(g)+{\text{4H}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)⟶2{\text{Fe}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+2{\text{H}}_2\text{O}(l)\hfill & & & \hfill E_{\text{célula}}^{°}& =\hfill & \mathrm{+1,67\; G}\hfill \end{array}$$

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:

$$4{\text{Fe}}^{\mathrm{2+}}(\mathrm{uma}q)+{\text{O}}_2(g)+(4+2x){\text{H}}_2\text{O}(l)⟶2{\text{Fe}}_2{\text{O}}_3\text{·}x{\text{H}}_2\text{O}(s)+8{\text{H}}^{\text{+}}(\mathrm{uma}q)$$

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.

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.