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Apostila de corrosão 1

Universidade Federal de Santa Catarina

Departamento de Engenharia Química e Engenharia de Alimentos LABORATÓRIO DE MATERIAIS E CORROSÂO-LABMAC Humberto Gracher Riella

1 - Introdução 1.1 – Conceito

A corrosão é a deterioração de um corpo sólido por meio de uma ação química ou eletroquímica provocada pelo meio ambiente. A ação química pode ou não estar associada a ações mecânicas ou físicas (tensões, cavitações, etc.).

1.2 – Importância do estudo da corrosão

O avanço tecnológico tem levado os pesquisadores a desenvolver materiais metálicos com propriedades físicas e químicas que satisfação às exigências mais sofisticadas. Como exemplo destas propriedades podem ser citadas a ductibilidade e maleabilidade (a frio e a quente), condutividade termica e elétrica e resistência mecânica aos diversos tipos de esforços mecânicos.

Apesar do avanço tecnológico no desenvolvimento desses materiais e seu uso generalizado, quase todas as ligas metálicas se deterioram, como consequência do ataque pelo meio onde são usadas. Porém, estas reações de deterioração, geralmente, processam-se de maneira lenta, permitindo o uso generalizado de materiais nos diversos meios. Se protegidos adequadamente, tais materiais podem atingir elevada durabilidade.

Os motivos apresentados acima demonstram o interesse no estudo da corrosão em cursos de engenharias. Estes interesses podem ser chamados de razões técnico-econômicas. As perdas causadas pela corrosão podem ser classificadas em diretas e indiretas. São perdas diretas:

a) os custos de substituição das peças ou equipamentos que sofreram corrosão, incluindo-se energia e mão de obra; b) os custos e a manutenção dos processos de proteção (proteção catódica, recobrimentos, pinturas, etc.).

As perdas indiretas são mais difíceis de serem avaliadas. Porém, uma breve avaliação das perdas típicas dessa espécie permite concluir de que podem totalizar custos mais elevados que as prdas diretas e nem sempre podem ser quantificados. São perdas indiretas:

a) paralisações acidentais para reposição de peças corroídas ou limpeza de equipamentos; b) perda de produto, como perdas de água, gás, óleos ou soluções em tubulações corroídas até se fazer o reparo; c) perda da eficiência de equipamentos, pela diminuição da taxa de troca térmica, corrosão nos motores de combustão, incrustações em caldeiras, entupimento ou perda de carga em tubulações de água, vapor e outros fluídos, obrigando a um custo mais elevado de bombeamento; d) contaminação de produtos, pela contaminação do cobre proveniente da corrosão de tubulações de latão ou de cobre; alteração na tonalidade de corantes ocasiado pela contaminação com traços de metais; equipamentos de chumbo não são permitidos na preparação de alimentos e bebidas, devido às propriedades tóxicas de pequenas quantidades de sais de chumbo, que podem provocar saturnismo (doença que afeta o sistema nervoso); arraste, pela água, de produtos de corrosão, como óxidos de

Apostila de corrosão 2 ferro, que a tornam imprópria para consumo ou para uso industrial, como por exemplo, em fábricas de alimentos, laticínios, papel e celulose, etc. e) superdimensionamento nos projetos de reatores, caldeiras, tubos de condensadores, paredes de oleodutos, tanques estruturas de navios, etc. Isto porque a velocidade de corrosão é desconhecida ou métodos de controle são incertos. Como por exemplo de superdimensionamento, uma tubulação de 362 km de comprimento e 20,3 cm de diâmetro que foi especificada preliminarmente para ter uma espessura de 0,82 cm, mas com adequada proteção contra corrosão pôde ser especificada com uma espessura de 0,64 m, economizando-se 3.700 toneladas de aço.

Em alguns setores, embora a corrosão não seja muito representativa em termos de custo direto, deve-se levar em consideração o que ela pode representar em:

a) questões de segurança, pois a corrosão localizada pode resultar em fraturas repentinas de partes críticas de aviões, trens, automóveis e pontes, causando desastres e perdas de vidas humanas; b) interrupções de comunicações, causada pela corrosão em cabos telefônicos provocada pela corrente de fuga existentes no solo e provenientes de fontes de corrente contínua usadas em sistemas de transporte eletrificado; c) preservação de monumentos históricos, deteriorados pela chuva ácida, causada pela existência de ácido sulfuroso e sulfúrico no ar, que atacam os materiais metálicos e não-metálicos, como o mármore e o concreto, usados nos monumentos.

A indústria aeronáutica tem grande preocupação com a manutenção de aviões e helicópteros para evitar, ou minimizar, processos de deterioração que poderiam causar custos diretos elevados e a perda de vidas. Em 1952, três aviões Comet se desintegraram em pleno vôo, causando a morte de um tripulante devido à fadiga de materiais.

Devido a falha de projeto, em 1987, na Suíca, ocorreu a queda da cobertura de uma piscina térmica, causando a morte de 13 pessoas. A queda deveu-se à corrosão sob tensão fraturante do aço inoxidável AISI 304, usado na parte estrutural. Como o tratamento da piscina é realizado com cloro, o meio ambiente apresenta esta substância que, em contato com a umidade, forma ácido clorídrico, que é agente corrosivo dos aços inoxidáveis.

Casos de deterioração de monumentos históricos ocorreram na Acrópole (Grécia) e na Catedral de

Colônia (Alemanha). Os casos foram associados a presença, na atmosfera, de óxidos de enxofre e, consequentemente, de ácido sulfúrico, originados, provavelmente, do grande movimento de veículos de turismo (ou de passeio). Estátuas de mármore, CaCO3, carbonato de cálcio, da Acrópole foram atacadas por ácido sulfúrico, de acordo com a reação:

No caso do concreto, por ser material básico ou alcalino, não é compatível com ácido sulfúrico, ocorrendo a deterioração da massa de concreto e posterior corrosão da armadura de aço.

Porém, a corrosão, além dos problemas associados com a deterioração a destruição de materiais, apresenta, sob determinado ponto de vista, não só esse lado negativo mas, também, um lado positivo. Assim, pode-se citar como processos corrosivos benéficos e de grande importância industrial:

- oxidação de aços inoxidáveis, com formação da película protetora de óxido de cromo, Cr2O3; - anodização do alumínio, ou suas ligas, que consiste na oxidação de peças de alumínio, colocadas no anodo de cuba eletrolitíca: ocorre a formação de óxido de alumínio, Al2O3, protetor, conferindo bom aspecto decorativo à peça;

- fosfatização de superfícies metálicas para permitir melhorar aderência de tintas: tratamento com solução contendo ácido fosfórico e íons de zinco e ferro, sobre a superfície metálica, possibilitando a aderência adequada da película de tinta aplicada; - proteção catódica com anodos de sacrifício para proteção de aço carbono usado em instalações submersas ou enterradas: ocorre a formação de uma pilha galvânica na qual o catodo é o material a ser protegido, no caso o aço carbono, e o anodo o material a ser corroído, no caso, pode ser zinco, alumínio ou magnésio.

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2 - Oxidação-redução (oxi-redução)

A corrosão é, em geral, um processo espontâneo, e, não fora o emprego de mecanismos protetores, ter-se-ia a destruição completa dos materiais, principalmente metálicos, já que os processos de corrosão são reações químicas e eletroquímicas eu se passam na superfície do material. Todos os metais estão sujeitos a corrosão, se o meio for suficientemente agressivo. Assim:

- ouro e platina são praticamente inatacáveis nos meios comuns, mas não são resistentes, por exemplo, à ação da mistura de ácido clorídrico e ácido nítrico, que constitui a água régia; - o aço inoxidável AISI 304, embora sendo bastante resistente a à vários meios corrosivos, sofre corrosão localizada na presença do íon cloreto; - o alumínio, embora resistente aos ácidos oxidantes como o nítrico, não resiste ao ácido clorídrico e às soluções aquosas de bases fortes, como o hidróxido de sódio; - o alumínio é rapidamente corroído na presença de mercúrio ou sais de enxofre;

- o cobre e suas ligas sofrem corrosão acentuada na presença de soluções amoniacais e ácidos nítricos;

- o titânio sofre corrosão em ácido fluorídrico, embora seja resistente a outros meios ácidos;

Assim, pode-se dizer que os processos de corrosão são consideradas reações químicas que se passam na superfície de separação entre o metal e o meio corrosivo. Para se entender os mecanismos pelos quais a corrosão se processa, torna-se necessário conhecer um pouco de eletroquímica.

2.1 – Reações de oxidação-redução

São reações em que há a variação do número de oxidação ou, em outras palavras, perda ou ganho de elétrons. O fenômeno de oxi-redução é simultâneo, i.é., sempre que há a oxidação (perda de elétrons,), ocorre também redução (ganho de elétrons). Como exemplo, considere a reação de oxidação do ferro pelo ácido clorídrico:

Fe+2 + 2 e- (equação parcial de oxidação)

2 H+ + 2 e- H2 (equação parcial de redução)

FeO + 2 H+ Fe+2 + H2 (equação total de oxi-redução)

Observação:

Agente redutor: elemento que é oxidado (perde elétrons) – no caso, o Fe Agente oxidante: elemento que é reduzido (ganha elétrons) – no caso, o H+

Outros exemplos:

Reação Agente oxidante Agente redutor

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2.2 – Mecanismos das reações Redox

As reações de oxi-redução ocorrem, geralmente, por intermédio da transferência de elétrons. A seguir, são apresentados alguns mecanismos de reações redox:

a) Reação entre magnésio e solução de ácido sulfúrico:

Figura 1. Reação de oxidação do magnésio pelo ácido sulfúrico Reações envolvidas:

Mg  Mg+2 + 2 e (equação de oxidação)

Mg + 2 H+ Mg+2 + H2 (equação redox)

Mg + H2SO4  MgSO4 + H2 (equação total) b) Oxidação do zinco em solução de sulfato de cobre

Figura 2 – Oxidação do zinco pelo sulfato de cobre.

lâmpada

Barra de magnésio

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