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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO SERTÃO PERNAMBUCANO - CAMPUS OURICURI GLAUCIANE BARROS NASCIMENTO JOSÉ WILLIAM FERREIRA DA SILVA THAMIRYS ALVES PEREIRA CORROSÃO DO ZINCO EM SOLUÇÕES AQUOSAS OURICURI - PE 2019 Sumário 1 INTRODUÇÃO 3 2 OBJETIVO 4 3 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 4 3.1 Materiais e Reagentes 4 3.2 Procedimento 4 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 5 5 CONCLUSÕES 11 7 REFERÊNCIAS 12 ANEXOS 13 2 1 INTRODUÇÃO A corrosão é um processo natural resultante da ação química ou eletroquímica de um meio sobre um determinado material, podendo ocorrer em metais e outros materiais não metálicos, tais como no concreto, na borracha, nos polímeros e na madeira (GENTIL, 1996). É possível perceber o fenômeno da corrosão pela deterioração de objetos (a) presentes em nossos lares, como os utensílios e eletrodomésticos; (b) na indústria, acarretando problemas ligados à manutenção e substituição de equipamentos; e (c) na deterioração do mobiliário urbano e de monumentos históricos, que apresentam valor incalculável e são lentamente degradados pela ação de poluentes presentes na atmosfera (MERÇON; GUIMARÃES; MAINIER, 2011, p. 57). Entretanto, apesar da corrosão estar intimamente relacionada com processos que causam perda de materiais importantes, casos benéficos desse fenômeno podem ser citados: ● anodização do alumínio, ou suas ligas, que consiste na oxidação de peças de alumínio, colocadas no ânodo da cuba eletrolítica: ocorre a formação de óxido de alumínio, Al2O3, protetor, e confere bom aspecto decorativo à peça; ● oxidação de aços inoxidáveis, com formação da película protetora de óxido de cromo, Cr2O3; ● proteção catódica com anodos de sacrifício ou galvânicos para proteção de aço carbono usado em instalações submersas ou enterradas: formação de pilha galvânica na qual o cátodo é o material a ser protegido, e o anodo é o material a ser corroído, podendo ser zinco (Zn), alumínio (Al) ou magnésio (Mg). Com isso, torna-se possível proteger, por exemplo, tubulações, tanques de armazenamento e trocadores de calor (GENTIL, 1996). O zinco (Zn) é um elemento químico que pode ser encontrado na natureza, à temperatura ambiente, no estado sólido. As ligas de Zn são utilizadas, principalmente, na galvanização do aço ou ferro com o intuito de evitar a corrosão destes. O zinco é adequado para o revestimento protetor do aço pois, apesar de 3 apresentar um valor de potencial padrão de redução mais eletronegativo que o aço (-0,76 eV), o zinco apresenta taxas de corrosão inferiores ao aço em atmosferas naturais. 2 OBJETIVO Medir a taxa de corrosão do zinco a partir de diferentes soluções. 3 METODOLOGIA EXPERIMENTAL 3.1 Materiais e Reagentes Os materiais e reagentes integrantes para a realização desse experimento são: - Balança analítica; - 1 caixa de madeira; - 1 pinça metálica; - 1 placa de petri; - 10 pipetas de pasteur; - 10 béqueres; - 1 esponja de aço; - 10 partes em tamanhos semelhantes de Zn (zinco); - 10 soluções aquosas: HCl 1 mol/L; HCl 0,1/L; HCl 0,01 mol/L; NaOH 1 mol/L; NaOH 0,1 mol/L; NaOH 0,01 mol/L; NaCl 1 mol/L; NaCl 0,1 mol/L; NaCl 0,01 mol/L e H20 (l). 3.2 Procedimento Antes e após cada experimento, cada placa de zinco foi limpa com palha de aço para a remoção da camada de óxido formada ou outros materiais presentes em sua superfície. As placas foram posteriormente lavadas com água destilada e secas com papel-toalha. Nos béqueres foram adicionadas as soluções de HCl 1mol/L; HCl 0,1/L; HCl 0,01 mol/L; NaOH 1 mol/L; NaOH 0,1 mol/L; NaOH 0,01 mol/L; NaCl 1 4 mol/L; NaCl 0,1 mol/L; NaCl 0,01 mol/L e H20(l), aos quais foram devidamente rotulados. Em uma balança analítica, a massas das placas de Zn foram determinadas após as trocas das soluções em cada experimento. O ensaio foi idealizado para uma duração de 75 dias, sendo que a cada 15 dias as placas de zinco eram limpas, lavadas, pesadas e novamente adicionadas às soluções. 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO A corrosão do zinco pode ser representada por um mecanismo cujas reações dependem das características do meio. Escrever as equações das reações de oxi-redução dos metais é bastante útil para se compreender como esse processo ocorre. Para se obter a reação redox final dos processos químicos associados à transferência de elétrons é necessário combinar as duas equações (oxidação e redução) de tal maneira que, na soma soma das duas, não apareçam elétrons livres. Se o metal (M) for o zinco (Zn), tem-se a equação de oxidação Zn → Zn2+ + 2e- (1) e a equação de oxirredução que representa a corrosão deste metal, por exemplo pelo ácido sulfúrico, é: Zn + 2H+→ Zn 2+ + H2 (2) Com isso, é possível obter as equações globais de oxirredução do Zn para as diferentes soluções utilizadas no processo experimental deste trabalho: Zn (s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g) (3) Zn (s) + NaOH(aq) → Na2ZnO2(aq) + H2(g) (4) Zn (s) + 2NaCl(aq) → ZnCl2(aq) + 2Na(s) (5) Zn (s) + H2O(l) → ZnO(aq) + H2(g) (6) 5 A taxa de corrosão é o desgaste verificado na superfície metálica e pode ser expressa pela perda de massa por unidade de tempo. Matematicamente, temos: axa de corrosão (Δm)/(A T )T = 0 × Δ (7) onde é a diferença da massa final e inicial do metal, é a área total exposta à mΔ A0 corrosão e é a diferença de tempo inicial e final. A área calculada de cada placa TΔ está representada na tabela 1. Como as placas de Zn possuíam uma espessura muito fina (Fig. 1), considerou-se a área do retângulo como sua correspondente, sendo expressa pela fórmula: A = b × h (8) onde A é a área em cm2, b e h são o comprimento de base e da altura do retângulo em cm, respectivamente. Figura 1 - Placas de Zn recortadas no formato de um retângulo (Fonte: Dos autores) 6 Figura 2 - Placas de Zn submersas em diferentes soluções (Fonte: Dos autores) Tabela 1 - Valores de área (a), comprimento da base (b), e altura (h) das placas de Zn Placa a (cm2) b (cm) h (cm) 1 7,20 3,60 2,00 2 6,65 3,50 1,90 3 6,32 3,40 1,86 4 5,61 3,30 1,70 5 6,65 3,50 1,90 6 6,12 3,40 1,80 7 8,58 3,90 2,2 8 6,30 3,50 1,80 9 5,12 3,20 1,60 10 3,64 2,80 1,3 A taxa de corrosão também pode ser expressa pela perda de espessura, em mm por ano, de acordo com a equação: (9) onde, Δ m é a perda de massa, em mg; S é a área exposta, em cm2; t é o tempo de exposição, em dias; e ⲣ é a densidade do metal em g.cm3. Com isso, esse parâmetro pode ser melhor avaliado pela classificação da corrosividade. Considerando a 7 corrosão uniforme é possível classificar a corrosividade de acordo com os valores estabelecidos na tabela 2. Quadro 1 -Dados experimentais obtidos durante cada pesagem c S m1 m2 tc1 m3 tc2 m4 tc3 m5 tc4 tcmédio 1 HCl 1,601 1,4638 1,27x10-3 1,453 1,00x10-4 0,905 5,07x10-4 0,899 5,55x10-5 4,83x10-4 0,1 HCl 1,425 1,4281 -3,10x10-5 1,366 6,22x10-4 1,316 5,01x10-4 1,307 9,02x10-5 2,95x10-4 0,01 HCl 1,388 1,0863 3,18x10-3 1,052 3,62x10-4 1,034 1,89x10-4 1,019 1,58x10-4 9,72x10-4 1 NaOH 1,069 1,0690 0 1,039 3,56x10-4 1,033 7,13x10-5 1,028 3,59x10-3 1,00x10-3 0,1 NaOH 1,415 1,4192 -4,21x10-5 1,553 -1,67x10-3 1,549 4,01x10-5 1,574 -2,50x10-4 -4,80x10-4 0,01 NaOH 1,550 1,5729 -2,49x10-4 1,409 1,78X10-3 1,410 -1,09x10-5 1,418 -8,71x10-5 3,58x10-4 1 NaCl 1,639 1,6138 1,96x10-4 1,592 1,69X10-4 1,584 6,21x10-5 1,561 1,79x10-4 1,51x10-4 0,1 NaCl 1,348 1,3354 1,33x10-4 1,307 3,00X10-4 1,019 3,04x10-3 1,008 1,16x10-4 8,97x10-4 0,01 NaCl 1,040 1,0484 -1,09x10-4 1,029 2,52X10-4 1,289 -3,38x10-3 1,315 -3,38x10-4 -8,93x10-4 * H2 O 0,906 0,9110 -9,15x10-5 0,892 3,48X10-4 0,881 2,01x10-4 0,867 2,56x10-4 1,78x10-4 Legenda: c = concentração em mol por litro (mol.L-1); S = solução aquosa; m = massa do Zn em gramas (g); tc = taxa de corrosão em gramas por centímetro quadrado por dia (g.cm-2.dia-1) Tabela 2 - Classificação da corrosividade, considerando a corrosão uniforme Corrosão uniforme (mm/ano) Corrosividade <0,025 Baixa 0,025 a 0,12 Moderada 0,13 a 0,25 Alta >0,25 Severa O quadro 2 mostra que ocorreu uma taxa de corrosão severa (>0,25 mm/ano) do Zn na presença das soluções de HCl (1 e 0,01 mol.L-1) e NaCl (1 e 0,1 mol.L-1). Corrosividade alta foi evidenciada pelas soluções de HCl (0,1 mol.L-1) e NaOH (0,01 mol.L-1). Corrosividade moderada foi evidenciada pelas soluções de NaOH (1 8 mol.L-1), NaCl (1 mol.L-1) e H2O. Por fim, corrosividade baixa foi evidenciada pela solução de NaOH (0,1 mol.L-1). É importante notar que a relação das taxas de corrosão com a concentração das soluções não seguiu uma linearidade. Isso ocorreu porque existem várias formas as quais a corrosão pode se manifestar, principalmente no que diz respeito ao meio corrosivo. Todas os experimentos foram realizados em um laboratório de análise qualitativa, em que as soluções já estavam preparadas e, por consequência, pode havido contaminação da amostra. Ainda, os béqueres foram armazenados em uma caixa de madeira, onde havia amostras de ferro, alumínio e cobre também imersos em soluções. A liberação de gás no meio pode ter afetado as taxas de corrosão de todas as amostras. Isso é confirmado por Gentil (1996), que destaca as heterogeneidades dos fatores que afetam a corrosão de um material. Dentre eles, podemos citar: ● material metálico - composição, presença de impurezas, tratamentos térmicos ou mecânicos, condições da superfície (presença de películas protetoras e descontinuidades), depósitos, frestas e diferentes metais de contato; ● meio corrosivo - composição química, diferenças em concentração, aeração, temperatura, velocidade e pH, teor de oxigênio, sólidos suspensos, condições de imersão (total ou parcial) e movimento relativo entre o material metálico e o meio. Quadro 2 - Taxa de corrosão calculada em mm/ano. Os destaques em negrito correspondem a uma corrosividade severa. Para o cálculo, foi considerada a densidade do Zn como sendo 7,14 g.cm-3 e as massas foram convertidas em mg c S m1 m2 tc1 m3 tc2 m4 tc3 m5 tc4 tcmédio 1 HCl 1,601 1,4638 0,65 1,453 0,05 0,905 2,59 0,899 0,03 0,83 0,1 HCl 1,425 1,4281 -0,01 1,366 0,32 1,316 0,25 1,307 0,04 0,15 0,01 HCl 1,388 1,0863 1,67 1,052 0,18 1,034 0,09 1,019 0,08 0,50 1 NaOH 1,069 1,0690 0 1,039 0,18 1,033 0,03 1,028 0,03 0,06 0,1 NaOH 1,415 1,4192 -0,02 1,553 -0,68 1,549 0,02 1,574 -0,13 -0,20 0,01 NaOH 1,550 1,5729 -0,13 1,409 0,91 1,410 -0,006 1,418 -0,04 0,18 9 1 NaCl 1,639 1,6138 0,10 1,592 0,09 1,584 0,03 1,561 0,09 0,08 0,1 NaCl 1,348 1,3354 0,068 1,307 0,15 1,019 1,56 1,008 0,06 0,71 0,01 NaCl 1,040 1,0484 -0,05 1,029 0,13 1,289 -1,73 1,315 -0,17 0,43 * H2 O 0,906 0,9110 -0,04 0,892 0,18 0,881 0,10 0,867 0,13 0,09 Legenda: c = concentração em mol por litro (mol.L-1); S = solução aquosa; m = massa do Zn em gramas (g); tc = taxa de corrosão pela perda de espessura em mm/ano Entretanto, muitos dos resultados estão de acordo com a literatura. Por exemplo, constatou-se que nos sistemas constituídos de soluções salinas a diferentes concentrações, a corrosão do Zn é mais intensa do que em água (GENTIL, 1996). Isso ocorre porque a presença de íons no meio corrosivo, como o cloreto (Cl-), prejudica a eficiência da camada de passivação, favorecendo o processo de corrosão. A camada de passivação é uma película de óxido, hidróxido, hidreto ou sal do próprio metal que se forma sobre a superfície metálica, impedindo o contato direto do metal com o meio corrosivo (PORUBAIX, 1987; MERÇON; GUIMARÃES; MAINIER, 2011). Esse efeito pode ser observado claramente na Fig. 3. É importante lembrar que apesar da salinidade favorecer o aumento da corrosão, um aumento na concentração da solução reduz a solubilidade do oxigênio, reduzindo bastante a taxa de corrosão, como observado na solução de NaCl 1 mol.L-1, que apresentou uma tc média de 0,08, isto é, uma taxa de corrosão moderada. Figura 3 - Formação da camada de passivação sob a superfície da placa de Zn que estava submersa na solução de NaCl (Fonte: Dos autores) 10 A taxa de corrosão mais elevada do Zn na solução de HCl 1 mol.L-1 pode ser explicada considerando o equilíbrio químico do sistema. A adição de HCl aumenta a velocidade de corrosão do zinco metálico que, por sua vez, é proporcional à quantidade de reagente adicionado. 5 CONCLUSÕES É bem reconhecido que o zinco é amplamente utilizado no revestimento de chapas ou estruturas de ferro expostas a diferentes ambientes. Isso se deve ao fato desse metal apresentar uma boa resistência a corrosão, o que foi evidenciado em nossos experimentos, tendo em vista a medida da taxa de corrosão. Quando o zinco é exposto a condições atmosféricas, há a formação de uma película fina com cerca de 7,6x10 -4 cm, de cor branca acinzentada, proveniente dos produtos da corrosão. Essa película é comumente conhecida como camada de passivação e foi evidenciada em todas as placas que estavam submersas nas soluções. As taxas de corrosão mais severas para o Zn estão de acordo com a literatura. 11 7 REFERÊNCIAS GENTIL, V. Corrosão. 3. ed., Rio de Janeiro: LTC, 1996. MERÇON, F.; GUIMARÃES, P. I. C.; MAINIER, F. B. Sistemas experimentais para o estudo da corrosão em metais. Química Nova na Escola, v. 33, n. 1, 2011. POURBAIX, M. Lições de corrosão electroquímica. 3. ed. Trad. M. E. M. Almeida e C. M. Oliveira. Bruxelas: CEBELCOR, 1987. 12 ANEXOS Figura 4 - Variação da massa de zinco em função do tempo em soluções de HCl Figura 5 - Variação da massa de zinco em função do tempo em soluções de NaOH 13 Figura6 - Variação da massa de zinco em função do tempo em soluções de NaOH Figura 7 - Variação da massa de zinco em função do tempo em H2O 14
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