Experimento sobre a Influncia do pH na Corroso do Ferro

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Vol. 37, N 1, p. 71-75, FEVEREIRO 2015Qum. nova esc. So Paulo-SP, BR.

ExpErimEntao no Ensino dE Qumica

Recebido em 04/09/2013, aceito em 18/05/2014

Daltamir Justino Maia, Ndia Segre, Andreza Costa Scatigno e Mercia Breda Stella

A corroso um processo que, na maioria das vezes, degrada os materiais, em especial estruturas metlicas, gerando grande prejuzo. Em ambientes cidos, que ocorre em grande parte nos ambientes terrestres, esse processo pode tornar-se ainda mais pronunciado. Esse experimento ilustra o quanto o processo de corroso torna-se mais rpido medida que o valor de pH diminui, isto , medida que o meio torna-se mais cido.

eletroqumica, corroso, ataque cido

Experimento sobre a Influncia do pH na Corroso do Ferro

Em maior ou menor extenso, a maioria dos materiais experimenta algum tipo de interao com um gran-de nmero de ambientes diversos (Callister, 2008). Com frequncia, tais interaes comprometem a utilidade de um material como resultado da deteriorao das suas propriedades mecnicas. Esses efeitos devem ser levados em considerao na hora da escolha do material mais adequado para um tipo de projeto a fim de garantir que os componentes no falhem prematuramente (Askeland; Phul 2008).

Em seus projetos, um grande desafio para todos os pro-fissionais que empregam metais alm de outros tipos de materiais tais como concretos e plsticos impedir que estes sofram ataques corrosivos/destrutivos (Shackelford, 2008). Como a preveno completa muito difcil, as perdas devem ser minimizadas. Os mecanismos de deteriorao so muito diversos para os diferentes tipos de materiais, mas, para os metais, existe uma efetiva perda de material, seja por dissoluo (corroso) ou pela formao de uma incrustao ou pelcula de material no metlico (oxidao).

A corroso pode ser definida como o ataque destrutivo e no intencional sofrido por um metal, que normalmente

comea na superfcie do material. O problema da corroso metlica apresenta propores significativas. Em termos econmicos, foi estimado que aproximadamente 5% da receita de um pas industrializado so gastos na preveno da corroso e na manuteno ou na substituio de produtos perdidos ou contaminados como resultado das reaes de corroso. Isso sem falar dos acidentes ou perdas de vidas humanas provocadas por contaminaes, poluio e falta de segurana dos equipamentos (Meron et al., 2004).

Uma vez que a corroso provocada por uma reao qumica, a velocidade com a qual esta se processa depen-der, at certo ponto, da temperatura e da concentrao das espcies envolvidas. Outros fatores, tais como os esforos mecnicos e a eroso, tambm podem contribuir para a corroso (Smith, 1998).

A maioria dos metais corroda de algum modo por efeito da gua e da atmosfera, portanto, as espcies presentes na gua (principalmente espcies inicas) acabam tendo uma importncia muito grande nos processos de deteriorao dos metais. Por exemplo, a acidez devido presena de espcies na gua, que pode ser medida por meio dos valores de pHs, tem um papel fundamental na corroso dos metais.

Atmosfera oxidativa

O ambiente terrestre atual naturalmente oxidativo

A seo Experimentao no ensino de Qumica descreve experimentos cuja implementao e interpretao contribuem para a construo de conceitos cientficos por parte dos alunos. Os materiais e reagentes usados so facilmente encontrveis, permitindo a realizao dos experimentos em qualquer escola.

http://dx.doi.org/10.5935/0104-8899.20150010

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devido presena de oxignio e gua (O2 e H2O), portan-to, espontaneamente, os metais tendem a sofrer oxidao quando em contato com essas substncias. Alm disso, medida que substncias cidas esto presentes na gua, a velocidade de oxidao dos metais tende a aumentar. A chuva normalmente cida (valores de pH menor que 7) devido presena de cido carbnico (formado pela reao entre o gs carbnico e a gua: CO2 + H2O H2CO3). Quando a gua est saturada de gs carbnico, o valor de pH fica em torno de 5,6. Portanto, at valor de pH = 5,6, no usamos o termo chuva cida para esse tipo de precipitao (Maia et al., 2005).

No entanto, a presena de poluentes tais como xidos de enxofre (SO2 e SO3) e de nitrognio (N2O, NO e NO2), presentes na atmosfera, principalmente em atmosferas poludas, forma cidos, aumentando a acidez da chuva. Existem registros de chuvas com valor de pH em torno de 2,0, lembrando que a escala de pH logartmica, isto , para cada unidade de pH, temos uma variao de 10 unidades na concentrao de H+. Isso significa que, de 5,6 para 2, temos um aumento de quase 4 000 vezes na concentrao de H+ (Maia et al., 2005).

Consideraes eletroqumicas

Para os materiais metlicos, o processo de corroso normalmente um processo eletroqumico, isto , uma rea-o qumica em que existe uma transferncia de eltrons de uma espcie qumica para outra (processo denominado de oxidorreduo). Caracteristicamente, os tomos metlicos tm seus eltrons retirados, no que chamada uma reao de oxidao. A quantidade de eltrons retirada de um de-terminado metal uma caracterstica dele e pode variar de um metal para outro. Por exemplo, para a prata, o ferro e o alumnio, podemos ter os seguintes processos de oxidao:

Ag Ag+ + 1e-

Fe Fe2+ + 2e-

Al Al 3+ + 3e-

As espcies que retiram os eltrons do metal sofrem um processo denominado de reduo. Essas espcies, ao retirarem eltrons e provocarem a oxidao de outras, so denominadas de agentes oxidantes. O ar atmosfrico, devi-do presena de gs oxignio (compe 20% do ar seco) e gua (presente na forma de vapor), um ambiente propcio oxidao.

Por exemplo, ligas de ao, cujo principal metal consti-tuinte o ferro, quando expostas ao oxignio e gua (O2 e H2O), sofrem corroso com o passar do tempo e formam a ferrugem, que uma mistura de xidos e hidrxidos de ferro hidratados. Dependendo do valor de pH e das concentraes de gs oxignio e gua, essa mistura tem propores dife-rentes, principalmente, das seguintes espcies: Fe3O4/Fe2O3.H2O/Fe(OH)2/Fe(OH)3. Quanto maior o teor de Fe3O4 (preto), mais percebemos que o objeto em questo est sofrendo

corroso. Quanto mais Fe2O3. H2O, maior a intensidade da colorao alaranjada ou castanho avermelhada. O Fe(OH)2 puro branco, mas em contato com oxignio, torna-se verde. O Fe(OH)3 puro marrom. Portanto, dependendo da predo-minncia de cada uma dessas espcies, temos uma tonalidade mais pronunciada do produto da corroso.

O ambiente cido acelera o processo de oxidao

Quanto mais cido o ambiente (maior concentrao de ons H+), maior a velocidade de oxidao das estruturas metlicas. Em um ambiente cido, o processo predominante de oxidao pode ser representado da seguinte maneira:

Reduo do O2 por ao dos ons hidrognio:

O2 + 4 H+ + 4e- 2 H2O

Oxidao dos ons metlicos:

Fe Fe3+ + 3e-

Quanto mais cido um meio, maior a diferena entre a concentrao de ons H+ em relao aos ons OH- (meio cido: [H+] > [OH-]). Nesse caso, o produto formado ser preferencialmente xido de ferro (Fe3O4 colorao preta).

Efeito do pH

O efeito da acidez na velocidade de corroso do ferro, em gua aerada e em temperatura ambiente, pode ser verificado na Figura 1 (Gentil 2011).

Verifica-se uma interferncia cada vez mais positiva (aumento da corroso) quando temos valores de pHs abaixo de 4. Para valores de pHs entre 4 e 10, a taxa de corroso independe do pH e depende somente da rapidez com que o oxignio difunde para a superfcie metlica. Quando os valores de pHs so maiores que 10, esse aumento mais pronunciado da alcalinidade do meio faz com que a taxa de corroso diminua, pois o ferro se torna passivo em presena de lcalis e oxignio dissolvido.

Figura 1: Correlao entre o pH e a taxa de corroso do ferro (Gentil, 2011).

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Experimento

Reagentes e materiais100 mL de cido clordrico (HCl) 0,1 mol L-1 (pode ser

encontrado na forma concentrada em lojas de construo como cido muritico); 100 mL de cido ntrico (HNO3) 0,1 mol L-1; 1 pacote de esponja de ao; gua destilada; 14 bales volumtricos de 100 mL; bqueres; balana; pipeta graduada (10 mL); pisseta; proveta (100 mL); pera de bor-racha; bomba de aspergir.

Preparo das solues de HCl e HNO3A partir da soluo 0,1 mol L-1 (pH = 1) de cido clor-

drico, por meio de diluies sucessivas, foram preparadas solues com valores de pH = 2, 3, 4, 5, 6 e 7. O mesmo procedimento foi feito na preparao das solues de cido ntrico. A partir da soluo estoque desse cido (0,1 mol L-1 pH = 1), prepararam-se as outras solues com valores de pH = 2, 3, 4, 5, 6 e 7.

ProcedimentoPesar 14 amostras de esponjas de ao. Se possvel, ajus-

tar para que elas tenham aproximadamente a mesma massa para melhor comparao cada esponja pode ser cortada em dois pedaos.

Colocar cada esponja sobre um anteparo (placa de petri ou similar). Colocar a soluo de cido clordrico (pH = 1) na bomba de aspergir, regular a sada e borrifar 10 vezes sobre a esponja. Lavar a bomba de aspergir e repetir o procedimento para cada uma das outras solues (pH = 2, 3, 4, 5, 6 e 7). Repetir o mesmo procedimento utilizando as solues de cido ntrico.

Deixe as 14 amostras em repouso durante 24 horas. Esse perodo assegura que a esponja fique completamente seca, garantindo que o aumento de massa devido basicamente ao processo de oxidao. Depois, verifique visualmente o que ocorreu com cada uma das amostras e pese cada uma com-parando com a massa inicial. O cido pode ser descartado na pia, desde que esteja diludo ou neutralizado.

Resultados

Aps um dia de oxidao (24 horas), podemos verificar visualmente que o processo oxidativo mais eficaz quando os valores de pH esto abaixo de 4 (meios mais cidos): maior taxa de corroso tanto para as amostras em contato com solues de cido clordrico quanto nas amostras em contato com solues de cido ntrico. As Figuras 2 e 3 ilustram as amostras de esponjas de ao oxidadas. Nos dois casos, as corroses em solues com valores de pH 3 foram mais intensas, enquanto em valores de pH = 4, 5, 6 e 7, a diferena no foi to evidente (praticamente constante). Visualmente j possvel observar que o processo oxidativo bem mais intenso nas amostras com valores de pH =1, de maior acidez, tanto para o cido clordrico quanto para o cido ntrico. Isso indica que o maior efeito oxidativo ocorre pela presena dos

Figura 2: Amostras de esponja de ao aps um dia de oxidao frente s solues de cido clordrico. I) soluo 1,0 x 10-1 mol L-1 (pH = 1); II) soluo 1,0 x 10-2 mol L-1 (pH = 2); III) soluo 1,0 x 10-3 mol L-1 (pH = 3); IV) soluo 1,0 x 10-4 mol L-1 (pH = 4); V) soluo 1,0 x 10-5 mol L-1 (pH = 5); soluo 1,0 x 10-6 mol L-1 (pH = 6); soluo 1,0 x 10-7 mol L-1 (pH = 7).

Figura 3: Amostras de esponja de ao aps um dia de oxidao frente s solues de cido ntrico. I) soluo 1,0 x 10-1 mol L-1 (pH = 1); II) soluo 1,0 x 10-2 mol L-1 (pH = 2); III) soluo 1,0 x 10-3 mol L-1 (pH = 3); IV) soluo 1,0 x 10-4 mol L-1 (pH = 4); V) soluo 1,0 x 10-5 mol L-1 (pH = 5); soluo 1,0 x 10-6 mol L-1 (pH = 6); soluo 1,0 x 10-7 mol L-1 (pH = 7).

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ons H+ independente do cido utilizado.Em solues com elevada concentrao de ons H+ (valo-

res de pH abaixo de 4), ocorre reduo destes (2H+ + 2e- H2) e consequente oxidao do ferro (Callister, 2008). No entanto, quando as solues so menos concentradas e com a presena de oxignio, ocorre preferencialmente o seguinte processo redutivo: O2 + 4H+ + 4e- 2H2O. A velocidade de corroso diminui entre valores de pHs 4 e 7, pois esta depende somente da rapidez com que o oxignio difunde para a superfcie metlica.

As Tabelas 1 e 2 apresentam as massas das esponjas antes e depois de um dia de oxidao, a variao de massa ocorrida e a porcentagem de aumento de massa. O aumento de massa devido ferrugem que se forma, principalmente na forma de hidrxido de ferro III Fe(OH)3, pois a cor pre-dominante, conforme pode ser visto pelas Figuras 2 e 3, amarronzada. O maior aumento de massa, medida que o valor de pH diminui, reflexo da maior taxa de corroso da esponja de ao. Esse aumento mais pronunciado medida que o meio torna-se mais cido.

Utilizando os valores de porcentagem do aumento de mas-sa em funo do valor de pH, podemos construir um grfico similar ao da Figura 1, tanto para o HCl quanto para o HNO3, e comprovar a dependncia da corroso com a concentrao de H+. Esses resultados esto presentes no Grfico 1.

O aumento na massa das amostras no fere a Lei de Conservao das Massas (Lavoisier), pois esse aumento em decorrncia da incorporao de hidrognio e oxignio na amostra por meio do processo de oxidao. Podemos calcular

a quantidade de ferro que sofreu oxidao, considerando que todo aumento de massa foi em decorrncia da reao:

Nesse caso, as esponjas ficaram preferencialmente na cor marrom. Para cada aumento de massa de 51 g, ocorre a oxidao de 56 g de ferro (1 mol). Desse modo, podemos determinar a quantidade de matria que oxidou em cada amostra. As Tabelas 3 e 4 apresentam os valores de massa para cada amostra analisada.

Tabela 1: Massas das esponjas de ao antes e aps um dia de oxidao frente s solues de cido clordrico.

Amostra I pH = 1

Amostra II pH = 2

Amostra III pH = 3

Amostra IV pH = 4

Amostra V pH = 5

Amostra VI pH = 6

Amostra VII pH = 7

Massa inicial (g) 3,858 3,915 3,608 3,438 3,391 3,313 3,458Massa final (g) 4,076 4,102 3,675 3,450 3,397 3,317 3,464Aumento de massa (g) 0,218 0,187 0,067 0,012 0,006 0,004 0,006% do aumento de massa 5,35% 4,56% 1,82% 0,35% 0,18% 0,12% 0,17%

Tabela 2: Massas das esponjas de ao antes e aps um dia de oxidao frente s solues de cido ntrico.

Amostra I pH = 1

Amostra II pH = 2

Amostra III pH = 3

Amostra IV pH = 4

Amostra V pH = 5

Amostra VI pH = 6

Amostra VII pH = 7

Massa inicial (g) 3,921 3,714 3,740 3,140 3,679 3,695 3,543Massa final (g) 4,102 3,852 3,783 3,147 3,684 3,697 3,549Aumento de massa (g) 0,181 0,138 0,043 0,007 0,005 0,002 0,006% do aumento de massa 4,41% 3,58% 1,14% 0,22% 0,14% 0,05% 0,17%

Grfico 1: Correlao entre o pH e a corroso (porcentagem no aumento de massa) do ferro em solues aquosas de HCl e de HNO3.

Tabela 3: Massa e quantidade de matria de ferro que sofreu oxidao aps um dia de contato com solues de cido clordrico.

Amostra I pH = 1

Amostra II pH = 2

Amostra III pH = 3

Amostra IV pH = 4

Amostra V pH = 5

Amostra VI pH = 6

Amostra VII pH = 7

Aumento de massa (g) 0,218 0,187 0,067 0,012 0,006 0,004 0,006

Massa de ferro que oxidou (g) 0,239 0,205 0,074 0,013 0,007 0,004 0,007

Quantidade de matria (mol) 4,27 x 10-3 3,66 x 10-3 1,32 x 10-3 2,32 x 10-4 1,25 x 10-4 7,14 x 10-5 1,25 x 10-4

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Concluses

O experimento comprova o aumento da taxa de corroso em materiais ferrosos em solues cada vez mais cidas, principalmente quando os valores de pHs tornam-se meno-res que 4. Isso explica porque os problemas de corroso de estruturas metlicas em ao tendem a ser mais intensos em algumas regies mais industrializadas e poludas (devido formao da chuva cida).

A porcentagem e o comportamento do metal frente corroso praticamente a mesma, independente do tipo de cido, comprovando que o mais importante no aumento da corroso a concentrao de ons H+ no meio.

Esse experimento, simples de ser realizado com materiais de fcil acesso e descarte, demonstra a influncia da acidez na corroso de um material metlico, podendo auxiliar no aprendizado dos conceitos de oxidorreduo. Os alunos podem tambm correlacionar a problemtica da corroso e a influncia do meio ambiente (poluio) nesse processo, principalmente no que diz respeito chuva cida.

Tambm possvel trabalhar os conceitos da Lei de Conservao das Massas de Lavoisier com essas amostras e chamar a ateno para o aumento de massa nas esponjas, que foi em decorrncia da incorporao de hidrognio e oxignio na formao da ferrugem.

Daltamir Justino Maia (daltamir.maia@gmail.com), graduado em qumica pela UNICAMP, mestre e doutor pela UNICAMP, professor titular no grupo Anhanguera Educacional. Campinas, SP BR. Ndia Segre (nsegre@yahoo.com), bacharel em Qumica pela UNICAMP, mestre em Fsico-Qumica e Doutorado em Cincias pelo Instituto de Qumica da UNICAMP, professora titular na Faculdade Anhanguera. Sorocaba, SP BR. Andreza Costa Scatigno (decost@ig.com.br), graduada em Qumica e em Qumica Tecnolgica pela UNESP-Araraquara, mestre em Biotecnologia pela UNESP-Araraquara, doutora em Cincias pela USP, pesquisadora e professora do grupo Anhanguera Edu-cacional, da FACENS e do Pitgoras. Sorocaba, SP BR. Mercia Breda Stella (merciabreda@uol.com.br), graduada em biomedicina pela UMC e nutrio pela FESB, mestre em Cincias Bioqumica pelo Instituto de Qumica USP e Doutora em Bioqumica pelo Instituto de Biologia UNICAMP, professora titular de Bioqumica e Biofsica da Faculdade Anhanguera de Campinas FAC III e titular e regente de Bioqumica e Biofsica da Faculdade de Medicina de Jundia. Campinas, SP BR.

Tabela 4: Massa e quantidade de matria de ferro que sofreu oxidao aps um dia de contato com solues de cido ntrico.

Amostra I pH = 1

Amostra II pH = 2

Amostra III pH = 3

Amostra IV pH = 4

Amostra V pH = 5

Amostra VI pH = 6

Amostra VII pH = 7

Aumento de massa (g) 0,181 0,138 0,043 0,007 0,005 0,002 0,006

Massa de ferro que oxidou (g) 0,199 0,152 0,047 0,008 0,005 0,002 0,007

Quantidade de matria (mol) 3,55 x 10-3 2,71 x 10-3 8,39 x 10-4 1,4 x 10-4 8,93 x 10-5 3,57 x 10-5 1,25 x 10-4

Referncias

ASKELAND, D.R.; PHUL, P.P. Cincia e engenharia dos materiais. So Paulo: Cengage Learning, 2008.

CALLISTER JR., W.D. Fundamentos da cincia e engenharia de materiais. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

GENTIL, V. Corroso. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011.MAIA, D.J.; GAZOTTI, W.A.; CANELA, M.C.; SIQUEIRA,

A.E. Chuva cida: um experimento para introduzir conceitos de equilbrio qumico e acidez no ensino mdio. Qumica Nova na Escola, n. 21, p. 44-46, 2005.

MERCON, F.; GUIMARES, P.I.C.; MAINER, F.B. Corro-so: um exemplo usual de fenmeno qumico. Qumica Nova na

Escola, n. 19, p. 11-14, 2004.SHACKELFORD, J.F. Cincia dos materiais. 6. ed. So Paulo:

Pearson, 2008.SMITH, W.F. Princpios de cincia e engenharia dos materiais.

So Paulo: McGraw-Hill, 1998.

Para saber mais

DUTRA, A.C.; NUNES, L.P. Proteo catdica tcnica de combate corroso. Rio de Janeiro: Tcnica, 1987.

MAIA, D.J.; BIANCHI, J.C.A. Fundamentos de qumica. So Paulo: Pearson, 2007.

Abstract: Experiment about the influence of pH on iron corrosion. Corrosion is a process often responsible for materials degradation, in particular for steel structures, causing significant damages. In acidic environments, which is very common in terrestrial environments, this degradation process can become even more pronounced. The experiment proposed in this work illustrates that the lower the pH the higher the etching process.Keywords: electrochemical, corrosion, acid attack