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8ºAula Prática de Corrosão Objetivos de aprendizagem Ao término desta aula, vocês serão capazes de: • conhecer as principais técnicas de galvanização e a viabilidade de aplicação; • compreender experimentalmente os aspectos conceituais dos processos de galvanoplastia. Caros(as) alunos(as), Na primeira seção desta aula, iremos estudar os principais aspectos relacionados à galvanização (também chamada de zincagem), as técnicas recorrentes e a viabilidade de aplicação destas. Para proporcionar maior compreensão a esses tópicos, também abordaremos a corrosão galvânica, conhecendo assim a finalidade da realização da galvanização. Na seção 2, por meio de uma didática experimental, serão demonstradas as principais características da galvanoplastia com o emprego do aço inox, como o cátodo, o cobre e o ânodo, sendo mencionadas as principais técnicas e aspectos relacionados à reação eletrolítica. Bons estudos! 65 Química Geral e Experimental 64 1. Seções de estudo Galvanização 2. Procedimento prático 1 - Galvanização Os materiais metálicos podem, facilmente, sofrer processos corrosivos quando não são tratados ou quando são feitos de modo inadequado, como visto na Aula 7 – Corrosão. Logo, a galvanização surge como um conjunto de técnicas viáveis para o tratamento de superfícies metálicas e, consequentemente previne a corrosão por meio da alteração de suas propriedades. Além do aumento da resistência, materiais baratos também recebem uma melhoria em sua aparência, com isso o procedimento pode agregar valor a esses materiais. Embora o zinco seja mais aplicado, também pode ser empregado o cromo, o magnésio, o estanho, o níquel, o cobre, a prata, entre outros. As técnicas de galvanização mais recorrentes são por imersão a quente ou zincagem a fogo, eletrolítica (ou também chamada de zincagem a frio ou eletrodeposição), aspersão térmica (ou metalização), pintura eletrostática com tinta rica em zinco, e a cementação. Corrosão galvânica Esse tipo de corrosão ocorre quando dois materiais metálicos com diferentes potenciais mantêm contato por meio de um eletrólito. Os elétrons são transferidos de um material a outro devido à diferença de potencial. Então, tratam-se de materiais metálicos, com diferentes potenciais, imersos em um eletrólito, o que causa a transferência de elétrons. Caracterizam-se por apresentar corrosão localizada e profunda, principalmente no material que perde elétrons. Se não há contato entre diferentes materiais, mas a presença isolada de um material como ânodo, a corrosão demonstra-se menos acentuada, em um mesmo meio corrosivo. Entretanto, em um material funcionando como cátodo, com o contato entre diferentes materiais, a corrosão demonstra-se mais acentuada do que quando isolada. O eletrólito da corrosão galvânica é uma solução contendo íons. Tendo um material catódico, ocorre à redução, ou seja, o recebimento de elétrons livres na solução. Trata-se assim da capacidade redutiva dos materiais. Em tubulações de alumínio, por exemplo, em um ambiente com a presença de íons de cobre e mercúrio , o alumínio possui alta capacidade de redução desses íons para os respectivos metais, formando a oxidação, enquanto o alumínio sofre a corrosão localizada por pites (GENTIL, 1996). Neste caso, da corrosão das tubulações de alumínio, o processo refere-se apenas ao ataque inicial, pois com a continuidade ocorre a deposição de metais sobre a superfície do alumínio e a formação de pilhas galvânicas distribuídas, onde o alumínio funciona como ânodo, e a corrosão se intensifica (SMITH; HASHEMI, 2015). Isso pode ocorrer em trocadores de calor constituídos por feixes de tubos de alumínio, nos tubos de caldeira, com a deposição de cobre ou óxido de cobre e nos tanques de aço carbono ou aço galvanizado. Como o cobre é um material catódico, possui a tendência em receber elétrons, logo deve-se evitar que o fluído circule primeiro pelo sistema, como representado na Figura 8.1. Na presença deste material ou da corrosão ou erosão causada pela água sobre este material, provavelmente ocorrerá a corrosão galvânica. Figura 8.1 – Em (a) dispõe-se primeiro o material catódico, depois o anódico, conectados por um ange, e em (b) dispõe-se o inverso. Fonte: (GENTIL, 1996). Assim, íons e partículas de cobre podem migrar para o tubo de aço, e com isso pode haver a deposição de partículas de cobre no aço ou a sua corrosão devido à presença dos íons, pois a reação entre o ferro e o cobre provoca a perda de elétrons pelo ferro. Vejam: O processo de corrosão galvânica tem continuidade com o aço e o cobre, o que nos tubos de aço, frequentemente, origina perfurações. A razão entre a área anódica e a área catódica é um dos fatores mais influentes na corrosão galvânica (GENTIL, 1996). A corrosão não é considerada significativamente prejudicial quando a razão for maior que , isto é, com a área catódica menor que a área anódica. Porém, se a área anódica for menor que a catódica, a corrosão terá intensidade na mesma proporção, pois, assim a relação entre a corrente e a área (densidade de corrente) será maior, o que pode ser visto na parte corroída. O processo de corrosão entre materiais com diferentes potenciais pode ser controlado por meio de dados fornecidos pela literatura (GENTIL, 1996). Assim, pode- se, por exemplo, definir o material com maior tendência de funcionar, como cátodo ou ânodo, ou ainda determinar um revestimento metálico específico com o objetivo de diminuir a diferença de potenciais e assim amenizar a corrosão. Apesar da disposição desses dados, a solução do meio é capaz de alterar os potenciais, e com isso tornar mais complexa a análise do material que funcionará como o ânodo ou cátodo, devido à escassez de dados na literatura. Então, conhecendo o meio onde os materiais irão ser dispostos, convém realizar experiências para determinar o potencial e a área anódica. De observações experimentais deduz-se algumas características invariáveis e que não necessitam da averiguação na literatura, refere-se a materiais como: o ferro, magnésio e suas ligas serem sempre anódicos e o cobre, carbono, prata 66 65 e suas ligas funcionarem sempre como cátodos; em meios corrosivos comuns, o zinco na ligação com o ferro funcionar como ânodo; e na ligação entre o estanho e o ferro, em meios corrosivos comuns, o estanho é catódico (SMITH; HASHEMI, 2015). O meio corrosivo e, principalmente, as substâncias que o compõe e as condições de temperatura são os fatores essenciais na inversão de polaridade da corrosão. Então, as inversões de polaridade podem ser resultantes de agentes complexantes, deposição de películas sobre a superfície metálica ou da temperatura do sistema (GENTIL, 1996). Os agentes complexantes são o cianeto, ácido etileno diaminotetracético e os sais de sódio do mesmo, por exemplo, tratam-se de substâncias com elétrons os pares de elétrons livres, orgânicas cíclicas ou acíclicas, conhecidas como transportadores de íons (LIN; NETO, 1998). Quando um material se torna catódico, pode ocorrer a deposição de partículas, como no caso da passividade do alumínio em relação ao ferro, devido à película de óxido de alumínio ( ). Assim, em meios oxidantes é comum a formação de películas. A temperatura do meio também pode alterar a polaridade, o zinco, por exemplo, normalmente é ânodo quando ligado ao ferro, mas se imerso em água a temperatura superior a torna-se cátodo em relação ao ferro. A inversão de polaridade é favorecida em água com elevadas concentrações de carbonatos e nitratos e, com o aquecimento, o que não ocorre quando há elevados teores de cloretos e sulfatos. Esse fato pode ser explicado pela precipitação de carbonato de cálcio e hidróxido de magnésio presentes na água em uma densa película sobre o zinco, onde com o aquecimento são decompostos e os potenciais são alterados. Outra explicação para a inversão é no caso do zinco em relação ao ferro formar o hidróxidode zinco ( ) e com a inversão gerar óxido de zinco ( ), onde pode funcionar com um cátodo em relação ao ferro ( ) e ao zinco ( ) em águas aeradas, devido os seus polos de oxigênio ( ) e o potencial que possui. Conforme maior a diferença entre as nobrezas dos materiais, maior a diferença da tendência em serem oxidantes ou redutores, e dessa forma mais intensa é a corrosão. O que pode ser atenuado com a formação de película ou a realização de uma determinada polarização. Isso é aplicado em trocadores de calor, por exemplo, onde o aço é superdimensionado em relação as áreas catódicas dos tubos de ligas de cobre, assim o contato entre esses materiais não se torna prejudicial. Em equipamentos de poços de petróleo ou gases, a água salgada é praticamente neutra e não-aerada, o que altera a polaridade para não haver corrosão, mesmo com uma grande quantidade de materiais de diferentes potenciais e a água salgada sendo um eletrólito altamente condutor. E por fim, a corrosão também pode ser diminuída com o desenvolvimento de uma película de óxido sobre o metal, o tornando passivo (SMITH; HASHEMI, 2015). A formação de uma pilha ativa-passiva prejudica a vida- útil de um material de recomposição de uma parte afetada em um equipamento. Nesse caso, na corrosão do material antigo foram formados produtos como óxidos e hidróxidos metálicos, funcionando como cátodos, e a interação destes com o novo material, o condiciona como ânodo. A ligação entre a estrutura antiga e a nova forma a denominada pilha ativa-passiva (GENTIL, 1996). Em geral, os conceitos dos processos de corrosão podem ser resumidos em uma pilha de concentração (Figura 8.2) contendo um material como ânodo e um como cátodo (GENTIL, 1996; SMITH; HASHEMI, 2015). Os casos de corrosão mais complexos, como citados anteriormente, podem ser representados simplificadamente com uma pilha complexa. Figura 8.2 – Pilha de concentração. Fonte: (GENTIL, 1996). Na solução de de cloreto de sódio (NaCl ) o alumínio tende a perder elétrons e na solução saturada, é o cobre que tende a perder elétrons, mesmo não havendo o contato direto entre os diferentes materiais em ambas as soluções. Na solução de de NaCl tem-se: No alumínio ocorre a oxidação, ou a perda de elétrons, para a solução de de , neste caso trata-se do ânodo. Na solução saturada de o alumínio funciona como cátodo, ocorre a redução, ou o ganho de elétrons, em que na solução se desenvolve a reação: E no cátodo da solução saturada de NaCl tem-se: Nessa mesma solução o cobre perde elétrons: Portanto, os íons presentes no recipiente a esquerda são e , e no recipiente a direita são e . Reparem que na Figura 8.2, os eletrodos metálicos são iguais, contudo, se fossem diferentes também se desenvolveria corrosão. Técnicas de galvanização Lembremos que a galvanização fornece um ânodo de sacrifício ao metal, pois na corrosão galvânica, sofre a oxidação, com isso a perda de seus elétrons e a corrosão. Dessa maneira, constitui uma proteção adicional ao metal 67 Química Geral e Experimental 66 que se deseja proteger. Trata-se de um método utilizado por mais de anos: o aço revestido com uma liga de zinco. O zinco é o único que fornece dupla proteção ao aço, mecânica e corrosiva. A galvanização por imersão a quente ou zincagem a fogo é uma proteção pela imersão da peça em zinco fundido, criando uma barreira impermeável e contínua, que impede o contato da umidade com o aço. O próprio processo garante alto nível de aderência do revestimento ao metal, garantindo elevada resistência a abrasão e a corrosão (PANNONI, 2015). A galvanização contínua possui espessura de a mícrons, contudo, determinados processos, como a imersão por batelada, podem gerar entre e mícrons. O processo se inicia pelo desengraxamento da superfície com a finalidade de remoção dos resíduos que prejudiquem a aplicação da camada de zinco. É realizada com soluções alcalinas concentradas, como o hidróxido de sódio. Após a lavagem, é feita a remoção de impurezas e óxidos por imersão em ácido clorídrico, o procedimento é denominado decapagem ácida. Prosseguindo, é trabalhada a molhabilidade (capacidade do líquido em manter contato com uma superfície sólida) do zinco fundido e a proteção a oxidação das peças, pois é um processo chamado de fluxagem. Entre cada etapa são realizados banhos de lavagens por imersão. Após a secagem (no caso do processo a “seco”), com o banho de zinco fundido a , o revestimento adere-se a peça seca. Depois é feito o resfriamento e as peças são inspecionadas. No processo “úmido” não há secagem e a fluxagem ocorre em conjunto com o banho de zinco. Vejam as etapas da galvanização por imersão na Figura 8.3. Figura 8.3 – Etapas da galvanização por imersão. Fonte: (PANNONI, 2015). Conforme demonstrado por Brepohl (2013), são três os tipos de revestimentos produzidos por imersão a quente: 1. Galvanizado comum (GI ou z): há até de alumínio na composição. 2. Galvanizado (GA ou Z-F): sua produção ocorre da mesma forma que o galvanizado comum, porém, no momento da incorporação de alumínio, este é inserido em uma menor quantidade. Na saída do pote de zinco é feito o recozimento, controlando assim a difusão entre o zinco e o ferro. Comercialmente o nome do produto é Galvannealed®. 3. Galvanizado (AZ ou AS): também se diferencia do galvanizado comum pela porcentagem de incorporação de alumínio em sua composição, varia de (Galfan®) a (Galvalume®), são produtos empregados principalmente na construção civil (AMÉRICO, 2016). Dentre as chapas acima, a mais utilizada na indústria automobilística é a galvanizada comum e a . Como pode ser demonstrada, as principais diferenças entre estes materiais são em relação a concentração de alumínio no pote e no processo de recozimento. A chapa galvanizada GA possui em torno de de alumínio e a GI possui aproximadamente a concentração de . Após esse processo, a chapa de revestimento GA passa pelo recozimento, realizando a difusão entre o ferro e o zinco, trata-se de um tratamento térmico. Com as adequadas concentrações de alumínio, temperatura de processamento, velocidade de produção e limpeza, pode- se obter uma camada de metal intermediária com espessura e morfologia adequada, a sua finalidade é promover a difusão controlada de ferro e zinco. As fases intermetálicas podem ser classificadas quanto a sua composição de ferro ( ), sendo que em condições normais a composição dessas fases forma o revestimento. Assim, há uma fase gama, com a de , duas fases delta consecutivas com maior espessura, contendo a de , uma fase zeta com de e por fim, uma fase eta contendo zinco puro. Os banhos de zinco ocorrem com temperaturas entre e . Não é aconselhável a elevação da temperatura, pois pode causar problemas como o ataque do zinco as paredes da cuba de galvanização, elevado consumo de energia para o aquecimento do zinco na etapa de banho, ou redução da aderência devido a formação de uma liga de zinco- ferro. Outro inconveniente é a formação de uma camada com consistência pastosa (chamada de borra) composta por de zinco e de ferro, localiza-se na parte superior do zinco para a realização do banho. Apesar do aumento da espessura elevar a proteção, há um determinado limite, pois, o aumento exagerado pode simplesmente gerar perda de material. A espessura pode ser controlada pelo tempo de imersão no zinco, por exemplo, para a minutos de imersão, e com a correta retirada da peça, a massa por metro quadrado da espessura adquirida é de a , onde . Essa espessura varia conforme as especificações para cada tipo de equipamento, de acordo com a sua utilização, as mais adotadas são as de a . A técnica de deposição de zinco na peça utilizando corrente elétrica é chamada de galvanização eletrolítica, conhecida como zincagem a frio ou eletrodeposição (TURETTA, 2016). Um ânodo é diluído em uma solução eletrolítica, em conjunto com o zinco, e depois é feita atransferência para o cátodo (o material a ser protegido) o inserindo em uma cuba eletrolítica. Em determinados processos, o ânodo também pode ser o material a ser protegido. No caso do ânodo ser solúvel: Este participa do cátodo: Onde refere-se aos materiais que são geralmente aplicados como revestimentos, ouro, prata, níquel, ou zinco (no nosso caso). 68 67 Se o ânodo é insolúvel: Processa-se no cátodo: A camada de zinco formada é homogênea, fina e fortemente aderente. Ser um revestimento fino é uma característica importante economicamente, pois dessa maneira evita-se o excesso de material. Para a galvanização emprega-se o zinco, mas o ouro, prata, cobre, estanho, cromo, entre outros, também podem ser utilizados. A espessura final depende das condições do processo de aplicação da técnica, como a densidade de corrente aplicada, concentração de sais, temperatura do banho, aditivos utilizados e as propriedades do metal a receber a proteção. Sua estrutura é microfacetada em superfície, formada por cristais hexagonais de zinco (ZEMPULSKI, L. N.; ZEMPULSKI, M. F. S., 2007). O zinco apresenta-se puro, isto é, não apresenta ligas entre os materiais. Esse tipo de tratamento proporciona bom aspecto ao produto, não necessitando de acabamento posterior, ideal para a necessidade de ser brilhante e decorativo, veja os possíveis acabamentos na Figura 8.4. A camada de zinco puro possui espessura entre 8 e 20 mícrons. Figura 8.4 – Possíveis acabamentos com galvanização eletrolítica. Fonte: (ZEMPULSKI, L. N.; ZEMPULSKI, M. F. S., 2007). Na aspersão térmica ou metalização, as partículas de zinco são fundidas a uma superfície previamente preparada, utilizando o calor por chama a gás ou por arco elétrico de uma pistola de metalização. A técnica pode ser aplicada em peças que já passaram pelo processo de galvanização ou também com a finalidade de reparação. A pistola (Figura 8.5) permite o controle de temperatura, não fornecendo calor em excesso a peça, possui uma chama oxi-acetilênica alimentada por um fio ou pelo pó do material de revestimento (COUTO, 2006). Figura 8.5 – Aspersão térmica à chama. Fonte: (COUTO, 2006). O termo aspersão térmica pode ser empregada de modo genérico a todo processo em que partículas para revestimentos metálicos ou não metálicos no estado fundido são depositadas sobre um substrato previamente preparado. Segundo Marques (2003), as partículas são aceleradas em um feixe por um gás comprimido - como pode ser visualizado na Figura 8.6 -, e com o impacto as partículas se achatam e forma uma camada que se acomoda as irregularidades do substrato. É formada a estrutura lamelar final com o resfriamento. Os processos de aspersão térmica se diferem fundamentalmente pelo: material a ser aplicado, no nosso caso é o zinco; os métodos de aquecimento; e os métodos de aceleração das partículas para criar a aderência necessária. Figura 8.6 – Seção transversal de um revestimento galvânico por aspersão térmica. Fonte: Disponível em: < http://www.infosolda.com.br/artigos/processos- de-soldagem/231-aspersao-termica.html >. Acesso em: 05/07/2018. A qualidade da aplicação pode ser avaliada verificando a umidade do ar comprimido, a temperatura e preparando a superfície para o tratamento por meio de jateamento abrasivo, por exemplo. A aspersão térmica pode ser combinada com a pintura, o que diminui a porosidade do metal de revestimento e aumenta a sua durabilidade. Também pode ser aplicada a técnica de pintura eletrostática rica em zinco, do tipo: epóxi, para atmosferas ácidas ou alcalinas em ambientes internos; poliéster, para ambientes externos expostos ao sol e outras intempéries; ou híbrida, com características mecânicas, aplicável a ambientes internos. A aplicação em pó precisa ser analisada para cada caso específico. Em uma estufa, a pintura é polimerizada na superfície metálica. Nessa técnica, como visto anteriormente, primeiro realiza-se a preparação da superfície com a decapagem e desengraxamento, por exemplo. A pintura eletrostática com tintas primárias ricas em zinco é aplicada principalmente em estruturas metálicas e produtos em aço-carbono. Nesses casos, possuem um desempenho superior aos mecanismos que conferem simplesmente uma barreira, pois se baseia nos princípios de proteção catódica, como se verifica nas técnicas de galvanização em geral. A tinta no estado em pó é bem aceita no mercado por apresentar elevada eficiência na proteção anticorrosiva e possui baixo impacto ambiental. Embora a tinta primária em pó pigmentada com zinco apresente muitos pontos positivos, como citado, o estudo de Fragata e Ordine (2009) aponta que a proteção corrosiva oferecida por ela é inferior a oferecida pelas tintas líquidas 69 Química Geral e Experimental 68 convencionais ricas em zinco, pois entre outros aspectos, foi averiguado que a película seca apresenta menor teor de zinco metálico. Determinadas películas secas de tintas primárias em pó apresentaram maior teor de zinco metálico do que esta última também em pó, relatada anteriormente, porém, sem lixamento, apresentou potenciais de elétrodo como uma tinta para proteção, simplesmente por barreira mecânica. Em câmara de névoa salina, o desempenho inferior em relação a tintas líquidas tradicionais ricas em zinco foi novamente verificado. Nas regiões de incisão, a proteção contra a corrosão e a aderência a superfície metálica demonstrou qualidade inferior. A cementação não é uma técnica que apenas pode ser empregada com o zinco, também é comumente aplicável com o alumínio e o silício, refere-se a um processo de revestimento por difusão. Tambores rotativos, contendo uma mistura de pó metálico, promovem um fluxo com o material a ser protegido, e em altas temperaturas ocorre à difusão do metal no material a ser protegido. No caso de zinco, o procedimento denomina- se sherardização (DE OLIVEIRA, 2012; GENTIL, 1996). Nesse caso, a mistura é entre o zinco em pó e o óxido de zinco, em que esta é inserida em um tambor de aço sendo aquecida a temperaturas entre e , por um período de 3 a 10 horas. O revestimento obtido possui uma liga de zinco-ferro com 6% a 8% de ferro. É geralmente utilizado em parafusos, porcas e niples, apresentando-se uniforme, duro e com boa resistência à abrasão. A escolha de uma técnica de proteção ou de galvanização envolve a análise de custos, composto pelo custo total necessário ao longo de toda a vida útil da peça, considerando o revestimento inicial e os custos relacionados a reposição de proteção no período planejado (DE OLIVEIRA, 2012). Com frequência, a galvanização por imersão a quente é a que apresenta maior vida útil livre de reparos, por isso essa técnica é considerada a que apresenta maior custo-benefício. Os benefícios verificados com a galvanização surgem a curto, médio e longo prazo, prestando dupla proteção, durabilidade, trata-se de um processo relativamente rápido, diminui o atrito das peças, facilita a soldagem, eleva a condutividade elétrica e a resistência, possui diversos tipos e aplicações e constitui o processo mais ecológico de proteção contra a corrosão, pois os resíduos gerados podem ser reutilizados. Galvanoplastia: É uma técnica que consiste na utilização da eletrólise para cobrir um metal com outro metal. É amplamente utilizada em processos industriais. São diversas as vantagens alcançadas com a técnica, como proteger a peça contra a corrosão, oxidação, aumentar a durabilidade, espessura ou condutividade elétrica ou térmica, aumentar a resistência da peça a processos de soldagem, ou ainda também pode ser aplicada para melhorar o acabamento final (WOLYNEC, 2003). Em geral, nos processos de galvanoplastia sempre temos algumas características essenciais: primeiramente, a perda de elétrons sempre ocorre no ânodo; como o ânodo sofre o desgaste, se este não for inerte, será perceptível visualmente; os cátions presentes na solução são depositados no cátodo; quandopresentes no metal a receber o revestimento, receberão elétrons, tornando-se sólidos e se aderindo ao substrato, trata- se da redução. Segundo Wolynec (2003), a galvanoplastia pode empregada de duas maneiras. Com a utilização de um metal como cátodo, onde haverá a deposição do revestimento, um material inerte (não participante da reação eletrolítica) como a grafita no ânodo, e uma solução satura composta por água e por um sal com o metal de recobrimento, nesse caso apenas os cátions da solução sofrem a redução. Na segunda maneira, no ânodo, não é empregado um material inerte, neste ocorre à oxidação, contribuído para o aumento da quantidade de cátions na solução que também contém o sal com o metal de revestimento, logo mais cátions serão reduzidos e maior será a espessura do recobrimento. Esta última técnica é a que abordamos nos nossos dois experimentos, pois o cobre não é um material inerte e se comporta como descrito, aumentando o recobrimento do anel e da colher. Como demonstra Pacheco (2002), apesar de ser uma técnica altamente vantajosa para a proteção de estruturas e equipamentos em geral, onde utilizamos o anel e a colher como analogia ao procedimento, também podem ser constatas desvantagens, pois é altamente prejudicial ao meio ambiente, devido o despejo da solução final que apresenta uma grande quantidade de cátions dos metais empregados como revestimento. Assim, antes do lançamento em corpos hídricos é necessário que haja o tratamento dessas soluções. 2 - Procedimento prático A seguir, serão demonstrados os procedimentos experimentais didáticos da realização da galvanização de um anel e de uma colher (BIDETTI et al., 2012). Com base no estudo elaborado por Matos et al. (2016) serão demonstrados os materiais e as etapas envolvidas. Onde os fundamentos químicos destes experimentos se baseiam na eletroquímica, devido à passagem de corrente elétrica pelo sistema e também se relacionam com conceitos da subseção 1: “corrosão galvânica”. Materiais empregados na galvanoplastia de um anel: Além de listar os materiais e equipamentos que utilizaremos no procedimento de galvanoplastia de um anel, a seguir também serão expostas suas principais características físicas e químicas, de modo que a descrição propicie maior interatividade com o experimento durante a sua realização prática. Assim, pode-se mencionar: Anel de aço inox (Figura 8.7): neste primeiro experimento, será utilizado um anel de aço inox. O aço inox é chamado dessa maneira por ser inoxidável (resistente a chamada ferrugem). É composto por ferro, cromo, carbono, níquel e dependendo da aplicação, também pode haver silício, titânio, nióbio, molibdênio, cobalto, boro e nitrogênio. Essa composição fornece, além da resistência a corrosão, um melhor isolamento térmico. 70 69 Figura 8.7 – Anel de aço inox. Fonte: < Disponível em: http://www.emporiomoderno. com.br/anel-reto-em-aco-cirurgico-inox-escovado-com-frisos-aro-20-p1651 >. Acesso em: 09/07/2018. O principal elemento que contribui para a sua elevada resistência a corrosão é o cromo, onde deve estar presente em no mínimo . Em contato com o oxigênio, origina uma película que recobre a superfície, conferindo impermeabilidade. O níquel, por sua vez, aumenta a ductilidade, soldabilidade e a resistência a altas temperaturas. Os aços inoxidáveis são aplicados em instalações hospitalares, talheres, sanitários, corrimões, peças para automóveis, entre outros locais. Fios de cobre entrelaçados (Figura 8.8): o cobre será empregado no experimento na forma de fios. Possui coloração vermelha, com tons amarelos, e brilho levemente opaco. Na natureza, encontra-se como calcopirita ( ). Possui elevada capacidade de conduzir energia elétrica e calor. É possível que sofram oxidação quando dispostos em contato com o ar atmosférico por um longo período, formando uma película de óxidos, hidróxidos e carbonatos. Figura 8.8 – Fios de cobre. Fonte: Disponível em: < http://www.coppersteel.com. br/produtos/ os-telefonicos/feaa/ o-de-cobre-nu/112 >. Acesso em: 09/07/2018. Como expresso, o cobre é utilizado principalmente na indústria. Também pode ser aplicado em utensílios de cozinha, aquecedores solares, tubulações e ligas metálicas como o latão (liga de cobre e zinco) ou o bronze, formado pelo cobre e estanho. Béquer: como vimos na aula 3 – aula prática: apresentação do laboratório -, trata-se de uma vidraria de laboratório, são recipientes de forma cilíndrica, fundo plano, e bico em sua parte superior para o despejo de líquidos, com isso não pode ser utilizado para o armazenamento hermeticamente fechado de soluções. Emprega-se recorrentemente para o preparo e reações entre soluções, reações de precipitação e dissolução de substâncias sólidas. Os béqueres são produzidos em vidro borosilicato, polipropileno, aço inoxidável ou alumínio, possuem capacidades de mililitros a litros. São classificados em forma baixa e forma alta. Não apresenta precisão nas medições de volume, apesar de sua graduação na lateral. 4. de sulfato de cobre: é um composto químico amplamente empregado na indústria, com fórmula química , contudo há diferentes graus de hidratação para a substância. O sal mais comum encontrado é o penta hidrato de sulfato de cobre ( ), este possui coloração azul brilhante, pois há água de cristalização (água em forma de cristais) em sua composição (Figura 8.10). É solúvel em água, metanol, glicerol e em etanol. Com o aquecimento em chama aberta, devido à desidratação, os cristais azuis tornam- se brancos com tons de cinza. Figura 8.10 – Sulfato de cobre. Fonte: Disponível em: < http://www.quimidrol.com. br/quimica/sulfato-de-cobre-1kg.html >. Acesso em: 09/07/2018. O sulfato de cobre possui diversas aplicações, devido sua grande versatilidade, em áreas como: agricultura, indústria farmacêutica e química. Também pode ser aplicado na purificação de gases, removendo o cloreto de hidrogênio e o sulfeto de hidrogênio, por exemplo. Ou ainda pode ser empregado para a coloração de materiais, entre outras aplicações. A forma penta hidratada pode ser utilizada como fungicida. de água destilada: como exposto na aula 6 – aula prática: soluções -, refere-se a água obtida por meio do processo de destilação desta contendo sais dissolvidos, entre outros compostos, a tornando pura, com pH próximo ou igual a . É utilizada em laboratório como solvente ou reagente. Condutores de diferentes cores (Figura 8.11): são formados por isolantes recobrindo seus fios de cobre. A isolação colorida identifica a aplicação de cada condutor, o que no caso de instalações prediais, por exemplo, auxilia em futuras manutenções e no próprio manuseio. Figura 8.11 – Condutores de diferentes cores.Fonte: Disponível em: < http://www. eletricadw.com.br/2017/10/24/entenda-melhor-o-padrao-de-cores-para-cabos- eletricos/ >. Acesso em: 09/07/2018. As cores, frequentemente, mais empregadas como fase são as que não são utilizadas, como o verde e amarelo (condutor de proteção terra) e o azul (condutor neutro), no caso de instalações prediais. No nosso caso, não necessitamos especificar as cores, mas somente utilizar cores distintas, pois, assim pode-se distinguir para cada elétrodo a sua conexão, auxiliando na compreensão do experimento. Fonte elétrica de tensão de e corrente contínua de (Figura 8.12): é encontrada com facilidade em um computador, pois é responsável por fornecer energia. 71 Química Geral e Experimental 70 Convertem a energia alternada em corrente contínua, na tensão desejada. Se a energia recebida pela fonte possuir a tensão de , por exemplo, é transformada em , neste caso. Figura 8.12 – Fonte de alimentação. Fonte: Disponível em: <http://www.techtudo. com.br/dicas-e-tutoriais/noticia/2015/04/saiba-como-escolher-uma-boa-fonte- de-alimentacao-para-montar-um-pc-gamer.html >. Acesso em: 09/07/2018. Essas fontes de alimentação são do tipo chaveada, em que por chaveamento “liga e desliga” é fixadauma tensão de saída, utilizando-se de capacitores e indutores. Nos computadores, há também as fontes lineares, porém, com menor eficiência, apresentando dimensões e peso elevado, além do maior consumo de energia para manter a tensão de saída. A fonte do tipo chaveada pode ser utilizada nos nossos experimentos e, devido a sua eficiência, gerar a corrente e a tensão apropriada, por ser comumente encontrada. Procedimentos para a galvanoplastia de um anel: Dispostos os materiais, deve-se realizar os procedimentos listados na ordem expressa a seguir: 1. primeiro, conecta-se uma das extremidades de um condutor ao anel de aço inox e a outra extremidade em um dos terminais da bateria, depois é conectado um outro condutor ao conjunto de fios de cobre e a outra extremidade ao terminal restante da bateria; 2. com o béquer contendo água destilada, deve ser adicionado sulfato de cobre, em seguida a solução é agitada até a completa dissolução do soluto no solvente; 3. a extremidade de um dos condutores com o aço inox e a extremidade do outro condutor com o cobre devem ser inseridas no béquer contendo a solução de sulfato de cobre, e em seguida a fonte é ligada; 4. decorridos minutos, desligue a fonte, os condutores conectados aos respectivos materiais devem ser retirados da solução, e assim verifica-se a reação; 5. por fim, limpe e lixe o anel para obter um melhor acabamento final. Como vimos, em tópicos anteriores, trata-se de uma reação química de redox, envolve a oxidação e a redução. A oxidação do conjunto de cobre, o ânodo, pois há a perda desse material para o aço inox, em que este é o cátodo, logo neste há a redução, onde o cobre é depositado (SCHNEIDER, 2015). Como ocorre a passagem de corrente elétrica na solução e os componentes imersos nesta são decompostos, trata-se também de uma eletrólise. Materiais empregados na galvanoplastia de uma colher: Esta é a descrição de outro experimento de galvanoplastia, semelhante ao anterior, entretanto, é aplicado em uma colher, também de aço inox, o que confere resultados análogos aos apresentados anteriormente. Alteramos assim apenas o cátodo, e a magnitude da corrente aplicada, o que demonstra, variando apenas essas condições, uma curta variação de período de tempo de aplicação da corrente, para alcançar a mesma espessura de recobrimento de cobre no substrato de aço inox. Assim como realizado no experimento anterior, serão listados os materiais que serão empregados neste procedimento, e como o único material diferente em relação à galvanoplastia do anel é desta vez a utilização da colher, serão expostos alguns dos aspectos apenas deste material e os outros materiais e equipamentos serão somente listados, dessa maneira: 1. Colher de aço inox (Figura 8.13): este experimento possui a mesma metodologia e procedimento do anterior, porém aplicando outro objeto, uma colher, sendo também de aço inox. Figura 8.13 – Colher de aço inox. Fonte: Disponível em: <https://viainox.com/ produto/colher-cha-aco-inox-copacabana/63901070 >. Acesso em: 09/07/2018. O recobrimento da colher com cobre denota a aplicação do mesmo como revestimento de proteção contra a corrosão, agindo como um ânodo de sacrifício em equipamentos e estruturas que necessitem, por exemplo. Sendo que uma colher pode ser adquirida facilmente (assim como um anel de aço inox) para a demonstração didática desses princípios (DE OLIVEIRA et al., 2001): 2. Fios de cobre entrelaçados. 3. Béquer. 4. de sulfato de cobre. 5. de água. 6. Condutores de diferentes cores para denotar fases distintas. 7. Fonte elétrica com tensão de e de corrente contínua. Procedimentos para a galvanoplastia de uma colher: Dispostos os materiais, realiza-se as etapas: 1. uma das extremidades de um condutor deve ser conectada a colher de aço inox e uma das extremidades de um outro condutor deve ser conectada ao conjunto de fios de cobre; 2. em um béquer contendo água, adiciona-se de sulfato de cobre, em seguida a solução é agitada até a completa dissolução do soluto no solvente; 3. vincula-se cada extremidade livre dos condutores conectados a colher de aço inox e ao cobre a um polo da fonte elétrica; 4. a extremidade de um dos condutores com o aço inox e a extremidade do outro condutor com o cobre 72 71 devem ser inseridas no béquer contendo a solução de sulfato de cobre, em seguida a fonte elétrica é ligada; 5. desligue a fonte depois de minutos, retire da solução os condutores conectados aos respectivos materiais e verifique o recobrimento; 6. limpe e lixe a colher para obter um melhor acabamento final. A colher de alumínio é o material revestido, portanto, é o cátodo, em que por meio da eletrólise com o emprego de uma solução de sulfato de cobre, utilizou- se uma fonte de tensão de e corrente contínua de para auxiliar na oxidação do cobre, sendo que a solução contém o material de revestimento, o cobre, a partir do sulfato de cobre. Retomando a aula estudamos? 1 – Galvanização Nesta aula, vimos que a galvanização ou zincagem é o tratamento de superfícies metálicas prevenindo a corrosão e conservando as propriedades do metal em que foi aplicada. É comumente empregado o zinco como material de revestimento. Foram dispostos os principais aspectos de uma corrosão galvânica, podendo ser abrangidas por um sistema chamado pilha de concentração. As técnicas de galvanização citadas foram: a imersão a quente, apresentando elevada resistência à corrosão; eletrolítica; aspersão térmica, em que o revestimento é aplicado por meio de uma pistola de aspersão; pintura eletrostática com tinta rica em zinco; e por fim, foi abordada a cementação. 2 – Procedimento prático Nesta seção foram realizados dois experimentos: a galvanização de um anel e de uma colher. Nos dois experimentos foram utilizados: anel de aço inox; colher de aço inox; fios de cobre entrelaçados; béquer; sulfato de cobre; água destilada; fonte elétrica de corrente contínua, com tensão de . Os procedimentos foram conduzidos da seguinte forma: conectar os condutores aos eletrodos; no béquer, realizar a completa dissolução de 25 g de sulfato de cobre com de água destilada; associar os condutores conectados aos objetos imersos a fonte elétrica especificada; o cobre e o aço inox devem ser imersos na solução, e a fonte acionada; a desligue após 30 minutos e verifique o recobrimento; ao fim, os objetos devem ser limpos e lixados. GALVANIZAÇÃO: MÉTODOS DE GALVANIZAÇÃO Dissponível em: <http://cienciatecnologiafoco. blogspot.com/2015/02/definicoes-quimica.html >. Vale a pena acessar Dissponível em: <https://www.youtube.com/ watch?v=nbT7LbkBlmg>. Dissponível em: <https://www.youtube.com/ watch?v=gzIN0iH6hoQ>. Dissponível em: <https://www.youtube.com/ watch?v=vMNF0vURP_o>. Dissponível em: <https://www.youtube.com/ watch?v=t-OjNH_4Uv0 >. Vale a pena assistir Vale a pena Referências ATKINS, P. W.; JONES, L. 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