Química Geral 2005/2006 Eng. Biomédica Trabalho 4 Corrosão e protecção catódica Turma 21101-2.º turno Data: 10/06/2006 Número Nome 57269 João Jorge 57290 Nuno Gonçalves 57300 João Portela Objectivos O objectivo desta experiência é compreender o processo de corrosão electroquímica do ferro, identificar as zonas de ânodo e cátodo, percebendo quais as reacções que ocorrem e o porquê daquela localização, e estudar os processos de protecção dos metais através da observação do efeito da protecção catódica, por ânodo de sacrifício e por potencial imposto. Resumo Para se compreender melhor o processo de corrosão de que são alvo os metais e para mostrar que este processo pode ser controlado e quantificado, não sendo assim um processo inevitável, preparou-se a quente uma solução gelatinosa [agar-agar, NaCl, fenolftaleína e K 3 [Fe(CN) 6 ] que serviu de suporte físico do estudo, onde se colocou, depois do arrefecimento e gelificação, um prego na vertical; um prego e uma chapa de zinco, ambos na vertical, sem se tocarem, ligados por um fio condutor; um prego dobrado em U e, por fim, dois pregos devidamente ligados por fios condutores a uma pilha de 1,5 V. Tanto os pregos como a placa foram previamente tratados (lixados, nomeadamente), para garantir que o objecto mergulhado na gelatina apenas fosse constituído por ferro (ou zinco), melhorando assim os resultados a obter. À medida que os efeitos produzidos pelas diversas situações se iam notando, em especial as zonas catódicas e anódicas identificadas pelas cores vermelho e azul, respectivamente, registaram-se fotograficamente os efeitos.
Resultados experimentais Figura 1: Prego mergulhado na vertical Figura 2: Prego e placa de zinco unidos por um condutor
Figura 3: Pregos ligados às extremidades de uma pilha Figura 4: Prego dobrado e completamente mergulhado
Discussão: Equações relativas à corrosão do ferro: Ânodo: Fe Fe 2+ + 2 e - (1) Cátodo: 2H + + 2 e - H 2 (2) O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O (3) A presença de NaCl na mistura gelatinosa cria um meio agressivo com o propósito de acelerar o processo de corrosão. Os indicadores K 3 [Fe(CN) 6 ] e fenolftaleína presentes na mistura gelatinosa identificam as regiões anódicas e catódicas, respectivamente, uma vez que o K 3 [Fe(CN) 6 ] adquire a cor azul na presença de iões Fe 2+ (reacção de oxidação) e a fenolftaleína adquire uma cor carmim quando diminui a concentração de iões H +, ou seja, quando o meio se torna mais básico (reacção de redução). No copo da figura 1 observou-se a formação de uma zona catódica bem definida na superfície do prego imediatamente adjacente à superfície do gel (as restantes zonas catódicas, dispersas e difusas, vão ser desconsideradas nesta análise, sendo atribuídas a imperfeições nas zonas de limite de grão do prego ou deficiente lixagem do mesmo). O resto do prego encontra-se envolvido por uma zona azul, anódica, mais intensa no bico. Na solução gelatinosa, a difusão de O 2 é pequena comparada com o ar atmosférico, pelo que havendo uma diferença do teor de oxigénio que contacta com o metal, irá conduzir à localização da corrosão no local menos oxigenado (ver equação (3) em que o O 2 é reduzido a água). Deste modo, a zona do prego em contacto com atmosfera comporta-se como um cátodo e o restante como um ânodo, o que justifica as suas colorações. A parte inferior do prego é uma zona preferencialmente anódica pois é uma zona de deformação onde o potencial de redução é ainda mais negativo havendo por isso uma maior corrosão, apresentando deste modo cor azul. Na figura 2 verifica-se a formação de uma zona catódica em volta de todo o prego. Tal acontece porque o zinco tem menor potencial normal de redução que o ferro e, portanto, na presença deste vai sofrer uma oxidação, passando de zinco metálico a zinco iónico, originando um fluxo de electrões para o ferro, que vai sofrer redução, funcionando, por isso, como um cátodo. O zinco, apesar de funcionar como ânodo não adquire a cor azul porque o complexo de ferro formado é incolor. Nesta experiência é possível comprovar a protecção anódica por ânodo de sacrifício: o prego, ao ser electricamente ligado a um metal com menor potencial de
redução, fica protegido, pois, como funciona como cátodo, torna-se inviável a oxidação à sua superfície, e, consequentemente, a sua corrosão. Por análise da figura 3 constata-se a formação de uma zona catódica em volta de um dos pregos e uma zona anódica em volta do outro. Nesta experiência é possível ver a protecção por potencial imposto. Como ambos os pregos são de ferro, têm o mesmo potencial normal de redução. Contudo, ao se ligar um deles (o prego que se pretendia proteger) ao pólo negativo da pilha este vai funcionar como cátodo e força-se um fluxo de electrões na sua direcção o que leva a que o prego que está ligado ao pólo positivo da pilha se oxide tornando-se, por isso, no ânodo (cor azul). É este facto que vai estar na origem das duas zonas distintas em volta dos pregos. Por fim, a figura 4, embora não muito clara, apresenta um prego submerso, onde se verifica que as zonas de maior deformação correspondem às zonas anódicas (azuis). Devido à desordem provocada por esta deformação, nestas zonas é mais fácil a remoção de electrões, ocorrendo preferencialmente a oxidação. As zonas catódicas observadas devem-se, principalmente, à presença de bolhas de ar que se formam ao colocar o prego no gel. A presença de oxigénio promove a evolução do equilíbrio (3) no sentido directo, consumindo-se H + e aumentando o ph. Claro que este fenómeno também se verificou nas experiências anteriores, mas neste caso é mais visível. Conclusão: Analisando os resultados obtidos, pode concluir-se que todos eles foram de encontro ao previsto teoricamente a partir dos princípios da corrosão electroquímica e também de mecanismos de protecção catódica dos metais nomeadamente por potencial imposto e por ânodos sacrificiais. Pode, assim, afirmar-se que a corrosão electroquímica de um metal é um fenómeno que resulta da sua oxidação em contacto com água, formando-se zonas anódicas e catódicas. Neste processo, há a passagem do elemento metálico à sua forma oxidada (zona anódica) e há a redução do oxigénio bem como do H +, ambos dissolvidos na água (zona catódica). Verificou-se ainda que os principais factores que influenciaram a corrosão nesta actividade experimental foram: Contacto com um meio húmido (bastante agressivo devido à presença de NaCl) Diferença de potencial de redução entre dois metais; Deformação em zonas do metal e os seus limites.