QUÍMICA APLICADA - PQI-3130 ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL LABORATÓRIO - AULA 1

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1 QUÍMICA APLICADA - PQI-3130 ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL LABORATÓRIO - AULA 1

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4 Experiência CA1 Determinação do potencial de corrosão do aço de armadura em concreto Podemos definir três níveis de objetivo: Para o dia da experiência Para o relatório final, com os dados do grupo Para o relatório final, com dados de vários grupos Escolher amostras representativas, definir número e locais das medições em cada amostra, elaborar tabela que permita uma fácil visualização destes resultados, esboçar comentários e comparações iniciais. Estabelecer comparações entre as diferentes situações com base em uma análise estatística dos resultados obtidos pelo grupo. Comparar resultados médios e dispersões de resultados dos diferentes grupos, com especial atenção ao tempo de imersão das amostras.

5 Experiência CA1 Determinação do potencial de corrosão do aço de armadura em concreto Mecanismos de deterioração da armadura Os principais mecanismos de deterioração da armadura são (NBR 6118/03, item 6.3.3): a) despassivação do aço por carbonatação, ou seja, por ação do gás carbônico da atmosfera; b) despassivação do aço por elevado teor de íon cloreto. A carbonatação é um fenômeno que ocorre devido às reações químicas entre o gás carbônico presente na atmosfera, que penetra nos poros do concreto, e o hidróxido de cálcio e outros constituintes provenientes da hidratação do cimento. A carbonatação inicia-se na superfície da peça e avança progressivamente para o interior do concreto, ocasionando a diminuição da alta alcalinidade do concreto, de ph próximo a 12,5-13,0, para valores próximos a 8,0-8,5. O dióxido de carbono CO 2 existente no ar pode-se combinar com o Ca(OH) 2, formando carbonato de cálcio CaCO 3, conforme a reação: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O

6 Os cloretos são integrantes dos aceleradores de pega e endurecimento mais comuns, baseados em CaCl 2 e podem estar presentes também na água de amassamento e, eventualmente, nos agregados. Em regiões próximas ao mar ou em atmosferas industriais, só cloretos penetram no concreto durante a fase de uso. A experiência indica que teores de cloretos (Cl - ) tão baixos quanto 0,3% do peso do cimento implicam em riscos de corrosão em concretos ainda não carbonatados, pois este destrói a camada passiva protetora da armadura proporcionada pelo elevado ph do concreto. A NBR 6118 limita o teor de cloretos presentes na água de amassamento do concreto a 500mg/L e a bibliografia internacional é controversa sobre o limite. ar umidade OH - O 2 Cl - O 2 Cl - Cl - OH - Fe(OH) 3 OH - O 2 e - e - Cl - H + H + Cl - Cl - H + e - e - película passivadora

7 Hastes de 110 mm e 130 mm para as amostras prismáticas 10 mm epóxi 50 mm 40 mm epóxi 10 mm 10 mm epóxi 50 mm 40 mm epóxi 30 mm GEOMETRIA PARA FORMULAÇÃO A (HASTES MAIS CURTAS EXTERNAMENTE) GEOMETRIA PARA FORMULAÇÃO B (HASTES MAIS LONGAS EXTERNAMENTE) 10 mm 50 mm 20 mm 20 mm 10 mm 120 mm 10 mm 50 mm 20 mm 20 mm 30 mm 120 mm FORMULAÇÃO PARA PREPARAÇÃO DE TODOS OS CORPOS DE PROVA (Prof. Sergio Angulo) Formulação A Formulação B Materiais (relação a/c = 0,40) (relação a/c = 0,60) massa (kg) volume (dm³) massa (kg) volume (dm³) Cimento 1,922 0,620 1,506 0,486 Água 0,769 0,769 0,903 0,903 Areia 3,845 1,451 3,845 1,451 Brita 5,767 2,160 5,767 2,160 Total 12,303 5,000 12,021 5,000

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13 haste haste IMERSÃO DAS AMOSTRAS posição vertical posição horizontal concreto haste haste água com ou sem NaCl concreto

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15 NaCl 3% H 2 O H 2 O H 2 O NaCl 3%

16 copo paralelepípedo IMERSÃO DAS AMOSTRAS (OU, ALTERNATIVAMENTE, ESTUFA OU AR LIVRE) Código da amostra em cada condição geometria Relação água/cimento H 2 O NaCl 3% horizontal vertical horizontal vertical estufa ar livre 0,6 (B) ,4 (A) ,6 (B) ,11,13 0,4 (A) ,31,33

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19 2.3 MEDIÇÃO E ESCALAS DE POTENCIAIS: ELETRODOS DE REFERÊNCIA V Me E Ag E ref ddp medido = E Ag + E ref Ag + SO 4 - H 2 O fio de conexão fio de Ag revestido com AgCl solução saturada de KCl junção porosa Eletrodo de referência Ag/AgCl. eletrodo sigla em sigla em potencial a 25 o C condição português inglês Eletrodo padrão de hidrogênio EPH SHE 0,000 V atividade H + =1 Eletrodo normal de hidrogênio ENH NHE 0,000 V concentração H + =1 Eletrodo reversível de hidrogênio ERH RHE 0,000 V - 0,0591*pH Eletrodo dinâmico de hidrogênio EDH DHE -0,020 V a -0,040 V Eletrodo de calomelano saturado ECS SCE +0,241 V saturado Eletrodo de cobre/sulfato de cobre (II) - CSE +0,314 V Eletrodo de cloreto de prata Ag/AgCl +0,197 V saturado Eletrodo paládio-hidogênio Pd/H 2 +0,050 V

20 fem E (V) E equilíbrio H+ 2H + + 2e - H 2 catódica E corrosão Me Me e - anódica E equilíbrio do metal i corrosão i(a/cm 2 ) Cu Cu e - O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O 2H + + 2e - H 2 Cu Cu e - Zn Zn e - 2H + + 2e - H 2

21 Experiência CA2 Potencial Redox de Solos e Águas Podemos definir dois níveis de objetivo: Para o dia da experiência Para o relatório final, com os dados do grupo Dentre as soluções disponíveis, escolher as mais adequadas para a verificação do efeito das concentrações sobre o potencial. Dos resultados obtidos, fazer cálculos preliminares que permitam estabelecer se os coeficientes de atividades são muito distantes de 1 ou se, ao contrário, a equação de Nernst é aproximadamente obedecida ao se utilizar concentrações em lugar das atividades. Fazer cálculos mais cuidadosos e pesquisar na literatura científica sobre os coeficientes de atividade de Fe 3+ e Fe 2+ nas condições do ensaio, ou sobre outras possíveis fontes de afastamento da equação de Nernst em potenciais redox.

22 Experiência CA2 Potencial Redox de Solos e Águas Reações redox são reações que envolvem a transferência de elétrons. Por exemplo, a reação em que o Cu +2 do sulfato de cobre oxida zinco metálico ao receber seus dois elétrons da camada mais externa: Zn + CuSO 4 ZnSO 4 + Cu [1] ou, se considerarmos os sulfatos como dissociados: Zn + Cu +2 Zn +2 + Cu [2] SO 4 2- SO 4 2- [3]

23 Efeito das concentrações e pressões parciais Isto nós vimos em aula E eq = - G / z F [11] atenção para o sinal: é negativo se fizermos reduzidos/oxidados (produtos/reagentes, na redução)

24 Nernst: E = E o (R T / z F) ln Q Fe e = Fe 2+ E = 0,77 (298 R / 1 F) ln (a Fe2+ 1 / a Fe3+1 ) E = 0,77 (0,059 / 1) log (a Fe2+ 1 / a Fe3+1 ) (Volts) (Volts) a Fe2+ = C Fe2+ Fe2+ a Fe3+ = C Fe3+ Fe3+ : coeficiente de atividade EXEMPLO DO AFASTAMENTO DA EQUAÇÃO DE NERNST QUANDO SE USAM CONCENTRAÇÕES EM LUGAR DAS ATIVIDADES

25 No cruzamento Fe2+/Fe3+, as atividades dos dois íons são idênticas, mas suas concentrações são diferentes: [Fe 2+ ](.405) =[Fe 3+ ](.18) total Fe (por exemplo): [Fe 2+ ] + [Fe 3+ ] =.01 assim: [Fe 2+ ] = M [Fe 3+ ] = M

26 V eletrodo de referência Pt E E ref fio de platina eletrodo de referência solução

27 Figura 4 - Exemplo de regiões típicas de água de chuva (1), rios e lagos (2) e águas subterrâneas (3) no diagrama E h versus ph [ref. 3]

28 Experiência CA3 Determinação de Entalpia de Hidratação Podemos definir três níveis de objetivo: Para o dia da experiência Para o relatório final, com os dados do grupo Para o relatório final, com dados de vários grupos Escolher relação gesso/água e coletar os dados experimentais Determinar a temperatura adiabática da reação Determinar a relação entre relação gesso/água e temperatura adiabática Questão básica: esta temperatura adiabática calculada deve ser independente do equipamento e da massa total, e ser função apenas da relação pó/água.

29 Arduíno diodos sensores de temperatura água copo descartável

30 sensores A2 A1 GND

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32 EQUIPE: por exemplo, equipe G1 ENSAIO: por exemplo, gesso 100g agua 40 g (sem vírgula, ponto-e-vírgula, acentos, cedilhas, /, \, etc) INICIAR A LEITURA SE TRAVAR, REINICIAR E TROCAR A PORTA ANTES DE INICIAR A LEITURA

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34 SIMULAÇÃO DE TOMADA DE DADOS NO ARDUINO

35 nosso caso (Figura 5.1)

36 AJUSTES (CURVAS DE TENDÊNCIA) DA CURVA DA DIFERENÇA DE TEMPERATURA (temperatura do gesso menos a temperatura externa) As linhas pretas finas são as linhas de tendência correspondentes às equações acima Figura 4

37 Tarefas em excel Ler um arquivo txt ou csv Corrigir, se vier com ponto em vez de vírgula, e vice-versa Traçar gráficos com os dados Obter curvas de tendência para curvas x versus y Escolher tipo de equação Interpretar R 2 Modificar número de algarismos significativos da equação Cálculos diversos Criar coluna com fórmula Tentar criar coluna com derivada da coluna à esquerda Suavizar curva

38 Meu Caderno de Laboratório Data: 23/3/2015 Objetivo 1: Preparar soluções para verificar corrosão de aço Solução 1 : 2 litros de cloreto férrico 10-3 molar Água: deionizada ou destilada (verificar com o Joel) Cloreto:... Solução 2:2 litros de hidróxido de cálcio com ph = 12 Água: deionizada ou destilada (verificar com o Joel) Reagente: Synth PA (PM=74,10) Proposta: preparar 1 litro de solução concentrada (0,1mol/litro) e depois diluir (e guardar o restante para outras preparações) Massa:(balança Metler da sala do Joel) :7,410g Problema: não consegui dissolver em 1 litro ( Verificando a solubilidade (google, site da Suall): solubilidade 1,73 g/l a 20 graus Nova proposta:...

39 spa/b8ffd96749f3f140b2df61c1e2a1f7b2.pdf

40 Solução 3: 2 litros de hidróxido de cálcio com ph = 8 Água: deionizada ou destilada (verificar com o Joel) Reagente: Synth PA (PM=74,10) Proposta: usar a solução-mãe anterior, pingar em água e acompanhar ph com peagâmetro Calibrando o peagâmetro: 3 soluções-tampão (ph=4, ph=7, ph=10) Primeira tentativa: ph=9 Correção: pingar gotas de ácido sulfúrico... Objetivo 2: Determinar entalpia de hidratação de gesso Preparação da mistura gesso e água Massa prevista para encher um béquer de 200 ml: densidade (wikipedia) : 2,3 a 2,4 (ou 2,3 a 2,4 kg/litro) massa: 0,200 x 2,35 = 0,47 kg relação água / gesso hemihiratado = 1/3 (wikipedia) verificar estequiometria: 1/3 corresponde à estequiometria exata? resposta: WIKIPEDIA: Ao umedecer o gesso com cerca de um terço de seu peso em água, forma-se uma massa plástica que sofre expansão e endurece em cerca de dez minutos. O gesso possui uma dureza de 2 e uma densidade que vai do 2,3 a 2,4.

41 Medindo a evolução da temperatura Arranjo: - dois termopares, um no centro (TP1), outro na borda (TP2) - ligados a um arduino, saida em mv (lida em multímetro) - comentário 1: saída direta em multímtro deu baixa precisão - comentário 2: será necessário converter mv em temperatura Tempo (s) TP1 (mv) TP2 (mv) comentário É zero pq a temperatura é igual à do Arduino Nada, ainda ,010 0,008 começou