Atividade prática - Como se forma a ferrugem? Parte 2

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1 Atividade prática - Como se forma a ferrugem? Parte 2 1º e 2º anos do Ensino Médio Objetivo Vivenciar alguns testes para a determinação das causas do surgimento da ferrugem, ou seja, da oxidação dos objetos de ferro metálico, assim como de alguns métodos interessantes de prevenção dessa oxidação. Introdução Como vimos na parte 1, os metais são os elementos com tendência de perder elétrons, que é o mesmo que sofrer oxidação. Portanto, os metais possuem facilidade de reagir com os elementos que possuem tendência de ganhar elétrons, como oxigênio (O) e enxofre (S). As poucas exceções são os metais nobres, ou seja, com baixa tendência de perder elétrons, como o ouro (Au), a prata (Ag), o cobre (Cu), a platina (Pt) e o mercúrio (Hg). O ouro é o único que sempre é encontrado já na forma de metal amarelo, incrustado em rochas no subsolo ou em pequenas pepitas no leito de rios. Os outros metais nobres podem ser encontrados na forma metálica, mas isso é raro; sendo mais comumente encontrados na forma de seus respectivos minérios. Metal Nome dos principais minérios Composição química do minério sem impurezas Cátion do elemento no minério Elétrons a serem ganhos Ferro Hematita, Magnetita Fe2O3 e Fe3O4 Fe 3+ / Fe 2+ e Fe 3+ Dois ou três Alumínio Bauxita Al2O3 Al 3+ Três Chumbo Galena PbS Pb 2+ Dois Estanho Cassiterita SnO2 Sn 4+ Quatro Urânio Pechblenda UO2 U 4+ Quatro Prata Argentita Ag2S Ag 1+ Um Zinco Blenda ZnS Zn 2+ Dois Cobre Calcocita e calcopirita Cu2S e CuFeS2 Cu 1+ e Cu 2+ Um e dois Mercúrio Cinábrio HgS Hg 2+ Dois Metalurgia - conceito A metalurgia é o processo de obtenção dos metais a partir de seus minérios. Quando o elemento metálico é classificado como nobre, o processo de obtenção do metal é mais fácil e exige pouca energia, pois o cátion presente no minério já tem maior tendência de ganhar os elétrons para formar o átomo neutro no metal. No caso do ouro, não é necessário nenhum processo metalúrgico, pois ele já é encontrado como metal neutro na natureza. Para os outros metais nobres, o aquecimento do minério pode ser suficiente para expulsar o elemento oxigênio (O) na forma de gás (O2), obtendo o metal puro, como acontece com o mercúrio (Hg). Mas, se o elemento é um metal comum, pode ser necessária grande quantidade de energia para forçar o recebimento dos elétrons. O alumínio, por exemplo, precisa de um processo eletroquímico, que usa corrente elétrica para forçar essa reação química. No caso do ferro, o metal é obtido em um alto-forno siderúrgico, em um método chamado de termo-redução, com uso de carvão em brasa como termo-redutor. O alto forno atinge temperaturas de até 1200ºC, mas a redução do ferro ocorre entre 400 e 900ºC. Em outras palavras, são necessárias elevadíssimas temperaturas, além do carbono (C) presente no carvão, que é o elemento que cederá elétrons ao ferro. Assim, podemos dizer que a metalurgia é o processo oposto ao da oxidação. A oxidação faz o metal voltar à sua forma de cátion (átomo positivo), participando de uma substância composta, iônica, quebradiça e isolante. Por outro lado, a metalurgia força o ganho de elétrons por parte do

2 cátion para torná-lo neutro, formando uma substância simples, metálica, dura, resistente, boa condutora de calor e de eletricidade. ENCONTRADO NA NATUREZA METALURGIA Elemento na forma de cátion (minério) OXIDAÇÃO PRODUZIDO PELO HOMEM Elemento neutro (metal) A metalurgia do ferro é conhecida como siderurgia. A técnica moderna consiste em alimentar 24 horas por dia um alto forno com camadas alternadas de minério de ferro e de carvão vegetal ou mineral, pela sua parte alta. Essas camadas vão descendo, e o carvão é aquecido pelas camadas mais baixas que já estavam quentes. Nessa fase, o carvão (carbono quase puro) oxida parcialmente para a forma de gás monóxido de carbono (CO). Nas fases seguintes, o monóxido de carbono reage com os cátions ferro (Fe 2+ e Fe 3+ ) presentes no minério, e o carbono sofre nova oxidação formando o gás dióxido de carbono (CO2). Nesse processo, o carbono cede elétrons para os átomos de ferro, que se tornam neutros (metálicos). Como a temperatura de reação é muito alta, o ferro metálico sai no estado líquido, na parte baixa do forno. Esquerda: trabalhador de um alto forno. Direita: esquema das temperaturas de um alto forno. A região três, entre 400 e 900ºC corresponde ao processo de redução (ganho de elétrons) do ferro, convertendo os cátions Fe 2+ e Fe 3+ para ferro metálico Feº. Em B acontece entrada de ar para converter o carvão (carbono quase puro) em gás monóxido de carbono (CO). Em D acontece a saída do ferro metálico líquido. Em C acontece a saída da escória derretida (impurezas). Disponíveis (acesso: ): e Experimento 2: Influência dos ácidos na corrosão dos metais Material (por grupo de alunos) A) Doze tubos de ensaio. B) Solução 0,1mol/L de ácido clorídrico preparada pelo professor. C) Solução 0,1mol/L de ácido acético preparada pelo professor. D) Quatro pregos de ferro idênticos. E) Quatro pedaços iguais de fio grosso de cobre.

3 F) Quatro pedaços iguais de alumínio (pode ser de latinha de refrigerante, sem tinta). G) Outras sugestões de amostras metálicas: magnésio, chumbo, zinco e ouro 18 quilates. Obs.: Não há riscos de corroer os objetos de ouro, caso sejam realmente de ouro 18 quilates, como alianças. Se utilizar objetos folheados a ouro, ou seja, revestidos de ouro, eles não podem conter arranhões, pois o metal interno pode estar exposto. O objetivo aqui é comprovar que o ouro é resistente aos ácidos. Apenas a água régia, mistura de ácido clorídrico e ácido nítrico na proporção de 3:1, é capaz de oxidar o ouro. Obs.: Todas essas amostras metálicas precisam ser de tamanho suficiente para caber dentro dos tubos de ensaio, com alguma sobra de tubo para serem cobertos com as soluções ácidas. H) Suporte para tubos de ensaio. I) Algodão. J) Água destilada. K) Caneta pincel para identificação dos tubos de ensaio. Procedimento 1. Identifique os tubos de ensaio, em séries de quatro, numerando-os da seguinte forma: 1A, 1B, 1C e 1D para o ferro; 2A, 2B, 2C e 2D para o cobre; 3A, 3B, 3C e 3D para o alumínio etc. 2. Cuidadosamente, coloque os metais em cada tubo de ensaio, inclinando o tubo para que o metal não quebre o tubo ao bater no fundo. 3. Adicione água destilada (se não tiver, pode ser água de torneira) a todos os tubos identificados com A, para controle e comparação com os demais. 4. Cuidadosamente, adicione as soluções ácidas nos tubos, da seguinte forma: Tubos com B : solução de ácido acético cobrindo o metal. Tubos com C : solução de ácido clorídrico cobrindo o metal. Tubos com D : solução de ácido clorídrico cobrindo apenas metade do metal. 5. Coloque os tubos de forma organizada no suporte de tubos de ensaio e fotografe as amostras em séries de quatro tubos, com as identificações bem visíveis. Observe quais amostras apresentam bolhas, bem como a intensidade da produção dessas bolhas. 6. Coloque todas as amostras no suporte de tubos e deixe em repouso por três ou quatro dias. Fotografe o resultado, repetindo as fotos em séries de quatro para cada metal, para comparação com as fotos iniciais. 7. Além das fotos, registre suas impressões na tabela abaixo, como mudanças de coloração na solução e graus de corrosão das amostras metálicas. Tubos Observações sobre os graus de alteração dos sistemas e de oxidação dos metais 1 (Fe) 2 (Cu) 3 (Al)

4 4 (Mg) 5 (Pb) 6 (Zn) Observações e questões 1) Sabendo que o ácido clorídrico é um ácido forte e que o ácido acético é um ácido fraco, responda se foi possível observar no experimento se, de uma maneira geral, houve diferença na corrosão dos metais usando ácidos diferentes. Comente. 2) Você observou diferenças na corrosão dos metais nas amostras em que os mesmos estavam totalmente cobertos das que estavam parcialmente cobertos pelas soluções ácidas? Comente. 3) Quais metais sofreram corrosão e quais não sofreram corrosão por nenhum dos ácidos utilizados? Comente e explique, usando os conceitos de metal nobre e metal comum. 4) Sabendo que os metais reagem com ácidos formando gás hidrogênio (H2) e um sal, monte as equações balanceadas de:

5 I) alumínio + ácido clorídrico II) zinco + ácido clorídrico III) ferro + ácido clorídrico (formando o sal com cátion ferroso, Fe 2+ ) IV) ferro + ácido clorídrico (formando o sal com cátion férrico, Fe 3+ ) 5) Sabemos que o experimento realizado com ácidos é uma situação um pouco diferente e mais violenta que a da corrosão natural dos metais no ambiente. No caso da formação da ferrugem, a oxidação do ferro envolve: a) reação com o gás oxigênio (O2) presente no ar ou dissolvido na água; e b) reação com a água. Sabendo que existem dois tipos de ferrugem, uma mais amarelada (predominando Fe 2+ ) e outra mais avermelhada (predominando Fe 3+ ), e considerando a fórmula da ferrugem avermelhada como Fe2O3.H2O(s), COMPLETE e BALANCEIE a equação do ferro metálico com oxigênio e água, formando a ferrugem vermelha. Fe (s) + + Fe 2O 3.H 2O (s) 6) Imprima e cole as fotos coloridas de cada série de tubos correspondente aos metais testados. Tubos Foto da série de tubos (antes) Foto da série de tubos (depois) 1 (Fe) 2 (Cu)

6 3 (Al) 4 (Mg) 5 (Pb)