Química Aplicada - Engenharia Civil - 2ºBimestre

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QUÍMICA APLICADA Aulas do 2º Bimestre Corrosão ➔Tipos de Corrosão ➔Proteção contra corrosão ➔Eletroquímica ➔Célula Galvânica ou Pilha de Daniel ➔

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QUÍMICA APLICADA BIBLIOGRAFIA TASSINARI, C. A.,Apostila Química Aplicada – Engenharia Civil- Introdução teórica e prática. BARBIERI, F. C. Apostila de química aplicada acesso pelo site: www.professorbarbieri.net GENTIL, V. Corrosão. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. ISBN 9788521615569. TASSINARI C.A. et al. Química tecnológica. Pioneira Learning Thomsom, 2003. ROSENBERG, J. L.; EPSTEIN, L. M. Teoria e Problemas de Química Geral. 8.ed. Porto Alegre: Bookman, 2007. Complementar DUTRA, A. C. Proteção catódica: técnica de combate à corrosão. 4ª ed. Interciência, 2006. ISBN: 8571931550. CALLISTER, W. D. Materials science and engineering: an introduction. 7th ed. New York: John Wiley, 2007. ISBN 0471736961 RAMANATHAN, L.V. Corrosão e seu Controle. Brasil . HEMUS 2007. NUNES, L.P, Fundamentos de Resistência à Corrosão. Brasil. Interciência 2007.

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CORROSÃO É A DETERIORAÇÃO E A PERDA DE MATERIAL DEVIDO A AÇÃO QUÍMICA OU ELETROQUÍMICA DO MEIO AMBIENTE, ALIADO OU NÃO A ESFORÇOS MECÂNICOS.

Os danos puramente físicos não são considerados corrosão, mas sim, abrasão ou desgaste. Quando o ataque químico é acompanhado de danos físicos, tem-se corrosão por fricção, desgaste corrosivo ou corrosão por erosão.

É de grande importância o estudo da corrosão, seu mecanismo, os critérios para sua inibição ou retardamento.

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O Engenheiro deve: ●

Saber como evitar condições de corrosão severa;

●

Proteger adequadamente os materiais contra a corrosão.

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CORROSÃO A corrosão pode ser considerada como o inverso do processo metalúrgico básico. Compostos Metálicos + Energia

Processos siderúrgicos

Metal

(Minérios)

As reações dos metais com os produtos oxidantes do meio são espontâneas, pois resultam produtos de menor conteúdo energético, portanto, mais estáveis. Metal

+ oxidante

corrosão

compostos metálicos + energia

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Engenharia de Corrosão • Aplicação de ciência e trabalho para prevenir ou controlar a corrosão de maneira econômica e segura • Princípios químicos e metalúrgicos • Propriedades mecânicas dos materiais • Natureza dos meios corrosivos • Disponibilidade de materiais • Processos de fabricação • Projeto • Ensaios de corrosão

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Resistência à corrosão

Disponibilidade

Custo Material

Resistência Mecânica Aparência Processo de Fabricação

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Aspectos eletroquímicos Aspectos Físico-Químicos

Resistência à Corrosão Aspectos Termodinâmicos

Aspectos Metalúrgicos

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CORROSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS ●

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Muitas estruturas metálicas que tem se mantido em pleno uso ao longo dos anos, mesmo quando expostas às condições mais adversas. A primeira grande estrutura de ferro (fundido), a ponte em Coalbrookdale, na Inglaterra, foi construída em 1779 e se encontra em perfeitas condições. Metais ferrosos como aço e ferro fundido tem sido largamente empregados a nível estrutural, e são elemento compostos essencialmente de Ferro, Carbono, Manganês e outros elementos em quantidades residuais desprezíveis. A instabilidade termodinâmica dos metais em geral, faz com que apresentem a tendência natural de atingirem um estágio mais estável por meio de formação de compostos metálicos (minérios). Os principais minérios de ferro são a hematita (Fe2O3) e a magnetita (Fe3O4), a partir deste se obtém o ferro elementar por redução (inverso de corrosão) . O processo espontâneo (natural) é chamado CORROSÃO e ocorre devido a reação (eletroquímica) do metal com os agentes presentes no meio considerado.

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CORROSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS ●

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O ferro elementar é termodinamicamente instável, como os demais metais, e tende a voltar ao seu estado mais estável (óxido) oxidando (processo corrosivo), sendo esta a causa básica da corrosão. Nesse processo tem-se a formação do óxido de ferro mais estável conhecido como a “ferrugem” .

Mais uma vez: O que é corrosão? ●

A corrosão é um tipo de degradação espontânea e irreversível em um material metálico.

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CONSIDERAÇÕES ENERGÉTICAS Metalurgia x Corrosão

Compostos Metálicos + Energia (Minérios)

Espontaneidade de reação

Processos siderúrgicos Corrosão

Metal

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MAIS SOBRE O CICLO DOS METAIS

Quanto > Energia → > tendência a corrosão

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CORROSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS

Consequências da Corrosão: ● ● ●

● ● ● ● ●

Reposições e consequentes despesas com minérios, energia e mão de obra; Custos e manutenção de processos de proteção; Emprego de materiais mais caros (ex:aço inoxidável) em substituição a outros mais baratos; Superdimensionamentos; Interrupções na produção; Perdas de produtos; queda de rendimento; Contaminações de produtos; Eventuais riscos em potencial de acidentes e poluições de ambientes de trabalho;

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COMO ACONTECE A CORROSÃO? Os metais raramente são encontrados no estado puro. Combinados com um ou mais elementos é a forma mais comum. Minérios são, de modo geral, as formas oxidadas do metal encontradas na natureza. Na maior parte das vezes, a purificação dos metais por meio da redução de seus óxidos, exige aplicação de energia em grandes quantidades. Mais energia é aplicada para o posterior processamento do metal até sua conformação final. A corrosão pode ser definida de modo bastante simplificado como a tendência do metal produzido e conformado voltar ao seu estado original de mais baixa energia. De uma perspectiva puramente termodinâmica, a tendência de decréscimo energético é a principal força motriz da corrosão. A corrosão atmosférica do aço carbono é um processo eletroquímico (isto é, a corrosão do metal envolve tanto reações químicas quanto fluxo de elétrons) onde o metal reage com componentes presentes no ar atmosférico para formar um óxido ou outro composto análogo ao minério do qual ele se originou.

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COMO ACONTECE A CORROSÃO? PROCESSOS CORROSIVOS ESPONTÂNEOS ELETROQUÍMICO – Variações do números de oxidação com perda e ganho de elétrons. Sempre acontece a oxidação (perda de elétrons) e redução (ganho de elétrons) QUÍMICO – Ataque direto de algum agente químico (por exemplo: solvente, ácido sulfúrico). Não precisa da presença de água e não há transferência de elétrons. NÃO ESPONTÂNEO ELETROLÍTICO – Processo eletroquímico com aplicação externa de uma corrente elétrica.

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COMO ACONTECE A CORROSÃO? PROCESSOS CORROSIVOS - ELETROQUÍMICO Anodo ●

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Óxido (ferrugem)

Gota de água

CATODO

Fe2+

CATODO

e-

eANODO

Transfere os elétrons; Ocorre a oxidação.

Catodo ●

●

Recebe os elétrons; Ocorre a redução.

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PROCESSOS CORROSIVOS - ELETROQUÍMICO

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CORROSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS

Benefícios da corrosão pilhas diversas

UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP ENGENHARIA CIVIL A pilha também é denominada célula galvânica e fornece energia ao sistema somente até que a reação química se esgote. Seu funcionamento se baseia em transferência de elétrons de um metal que tem a tendência de ceder elétrons para um que tem a tendência de ganhar elétrons, ou seja, ocorrem reações de oxidorredução. Essa transferência é feita por meio de um fio condutor. Para entendermos como isso se dá, vejamos a reação de oxidorredução que ocorre entre o zinco e o cobre e como isso pode ser utilizado para gerar uma pilha: Se colocarmos uma placa de zinco em uma solução de sulfato de zinco (ZnSO4), estaremos constituindo um eletrodo de zinco. Da mesma maneira, se colocarmos uma placa de cobre em uma solução de sulfato de cobre (CuSO4), teremos um eletrodo de cobre. Como o zinco é mais reativo que o cobre, ele tem a tendência de doar elétrons para o cobre. Assim, se ligarmos esses dois eletrodos por meio de um fio condutor externo, ocorrerá a transferência dos elétrons e consequentemente a passagem de corrente elétrica. Isso é visível, pois, depois de um tempo, notamos que a lâmina de cobre teve um aumento em sua massa, enquanto que a de zinco sofreu corrosão. Os elétrons, por apresentarem carga negativa, migram do eletrodo negativo, denominado ânodo; para o positivo, que recebe o nome de cátodo. Assim, temos a reação global dessa pilha em particular: Semirreação do ânodo: Semirreação do cátodo:

Zn (s) → Zn2+ (aq) + 2 eCu2+(aq) + 2e- →Cu(s)

Reação global da pilha:

Zn (s) + Cu2+(aq)→ Zn2+ (aq) + Cu (s)

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CORROSÃO EM ESTRUTURAS METÁLICAS

Benefícios da corrosão

Metalografia: Ataque químico para revelar o grão de um metal (usa-se ácidos) Um dos reagentes mais usados é o NITAL, (ácido nítrico e álcool)

banho de circuitos impressos.

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TIPOS DE CORROSÃO É comum classificar as formas mais encontradas de corrosão de acordo com suas características: - Corrosão atmosférica - Corrosão uniforme - Corrosão por placas - Corrosão por pites - Corrosão por lixiviação - Corrosão erosão - Corrosão sob tensão - Corrosão por frestas - Corrosão em ranhuras - Corrosão em canto vivo - Corrosão galvânica

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão Uniforme Ataque de toda a superfície metálica Diminuição da espessura Formação de pilhas de ação local Desgaste de fácil acompanhamento Leva a falhas significativas do equipamento Corrosão por placas: Produtos de corrosão formam-se em placas que se desprendem progressivamente. É comum em metais que formam película inicialmente protetora mas que, ao se tornarem espessas, fraturam e perdem aderência, expondo o metal a novo ataque; Corrosão por Pites Localizada, com formação de cavidades de pequena extensão e razoável profundidade. Característica de materiais metálicos formadores de películas protetoras (passiváveis) Pilha ativa-passiva, com rompimento da camada passiva Pequena área anódica e grande área catódica Difícil acompanhamento

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por lixiviação Ataque às superfícies, essa corrosão forma laminas de material oxidado e se espalha por debaixo dele até camadas mais profundas. O combate a essa floculação é feito normalmente com tratamento térmico. Corrosão-erosão Erosão – desgaste mecânico provocado pela abrasão superficial de uma substância sólida, líquida ou gasosa. Desgaste maior do que se apenas o processo corrosivo ou erosivo agisse isoladamente. Tubulações, permutadores, pás de turbina. Corrosão sob tensão Material submetido a tensões de tração, aplicadas ou residuais, é colocado em contato com um meio corrosivo específico. Fatores decisivos: dureza, encruamento, fases presentes. Propagação de trinca por corrosão sob tensão é geralmente lenta, até atingir o tamanho crítico para uma ruptura brusca.

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão em frestas Pilhas de aeração diferencial (meio gasoso) e de concentração iônica diferencial (meio líquido) Juntas soldadas com chapas superpostas, juntas rebitadas, ligações roscadas, revestimentos com chapas aparafusadas. Evitar frestas. Corrosão Galvânica Pilhas de eletrodos diferentes. Maior ddp, maior corrosão. Menor relação entre área catódica e anódica => desgaste menor e mais uniforme da área anódica. Presença de íons metálicos (de materiais mais catódicos) no eletrólito => oxidação do metal, devido à redução destes íons..

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Como funciona a ferrugem? A ferrugem é um nome conhecido para um composto muito comum: o óxido de ferro. O óxido de ferro, cuja fórmula molecular é Fe2O3, é comum porque o ferro se combina rapidamente com o oxigênio - tão rapidamente que quase não encontramos ferro puro na natureza. É um processo eletroquímico que envolve: ●

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um ânodo (um pedaço de metal que prontamente perde elétrons), um eletrólito (um líquido que auxilia os íons a se moverem) e um cátodo (um pedaço de metal que prontamente aceita elétrons). Quando um pedaço de metal corrói, é o eletrólito que ajuda a fornecer oxigênio ao ânodo.

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A oxidação favorece o processo de corrosão;

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O oxigênio tende a retirar elétrons do metal favorecendo a corrosão (perda de matéria)

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Como funciona a ferrugem? O ferro (ou aço) enferrujando é um exemplo de corrosão, vamos entender como funciona o mecanismo: ●

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Para que o ferro se torne óxido de ferro, são necessárias três componentes: ferro, água e oxigênio. Eis o que acontece quando eles ficam juntos: quando uma gota de água atinge um objeto de ferro, duas coisas começam a acontecer quase que imediatamente: A primeira é que a água (um bom eletrólito) se combina com o dióxido de carbono do ar para formar um ácido carbônico fraco, que é um eletrólito ainda melhor. Conforme o ácido se forma e o ferro se dissolve, uma parte da água irá começar a se quebrar em seus dois componentes: hidrogênio e oxigênio. O oxigênio livre e o ferro dissolvido se ligam para formar óxido de ferro, liberando elétrons no processo. Os elétrons liberados do ânodo do ferro seguem para o cátodo, que pode ser um pedaço de metal eletricamente menos reativo do que o ferro, ou até outro ponto do mesmo pedaço de ferro.

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Como funciona a ferrugem? Os compostos químicos encontrados em líquidos como a chuva ácida, água do mar e o ar, fazem deles eletrólitos melhores do que a água pura, permitindo que acelerem o processo de ferrugem e de outras formas de corrosão em outros metais.

ar

3O2 (g) gás oxigênio

+

+

(parafuso enferrujado)

4Fe (s) ferro

2Fe2O3 (s) óxido de ferro III (ferrugem)

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão atmosférica ●

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Qualquer aço carbono ou liga não revestido sofre corrosão quando exposto à atmosfera.  O processo de corrosão pode ocorrer rapidamente em ar úmido contendo contaminantes específicos. A adição de certos elementos de liga, principalmente silício, cobre, cromo e níquel, pode diminuir a taxa de corrosão. A eficiência de cada elemento de liga depende não só da quantidade adicionada mas das condições climáticas.  O tempo de contato é um meio corrosivo que corresponde à fração do tempo a qual a superfície metálica fica coberta por uma película de umidade (chuva e orvalho) que possibilita a formação da superfície corroída. A ação de sulfatos onde comum em ambientes industriais onde há presença de produtos químicos sulfurados usualmente representados por SOx, destacando-se o SO 2 SO3 O gás dióxido de enxofre (SO2) é gerado pela queima de combustíveis fosseis (carvão e derivado de petróleo) solubilizado com a água da chuva forma o acido sulfuroso. Pode ser oxidado a trióxido de enxofre (SO3) e formar o acido sulfúrico que é extremamente agressivel em certo metais.

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão atmosférica

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão uniforme ●

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É a forma menos agressiva de corrosão. O ataque, neste caso, se estende de forma homogênea sobre toda a superfície metálica, em contato com o meio corrosivo com a conseqüente diminuição da espessura. Este tipo de corrosão ocorre em geral devido a micropilhas de ação local e é, provavelmente, o mais comum dos tipos de corrosão principalmente nos processos corrosivos de estruturas expostas à atmosfera e outros meios que ensejam uma ação uniforme sobre a superfície metálica. A corrosão uniforme é uma forma de desgaste de mais fácil acompanhamento, em especial quando se trata de corrosão interna em equipamentos ou instalações, tendo em vista que a perda de espessura é aproximadamente a mesma em toda a superfície metálica. É entretanto um tipo de corrosão importante do ponto de vista de desgaste, podendo levar o equipamento ou instalação a falhas significativas, limitando a sua vida útil. Os outros tipos de ataque corrosivo onde há um local preferencial para a ocorrência da corrosão, resultando numa perda localizada de espessura são denominadas corrosão localizada.

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão uniforme

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por placas ●

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Corrosão por placas: quando os produtos de corrosão formam-se em placas que se desprendem progressivamente. É comum em metais que formam película inicialmente protetora mas que, ao se tornarem espessas, fraturam e perdem aderência, expondo o metal a novo ataque;

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por pites ●

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A chamada corrosão por pites (do inglês pit, orifício) é uma forma de corrosão localizada que consiste na formação de pequenas cavidades e profundidade considerável e o mais importante, significativa frente a espessura do material. Ocorre de maneira extremamente determinada, sendo portanto podendo ser chamada de puntiforme, não apresentando o material circundante ataque. Caracteríza-se por atacar materiais metálicos que apresentam formação de películas protetoras passiváveis e sendo resultado, geralmente, da atuação de "ilha" ativa-passiva nos locais de pequena área (disto pontos) onde há o rompimento de tal camada passiva. Sendo uma corrosão que não implica uma homogênea redução da espessura e ocorrendo no interior de equipamentos torna-se um tipo de corrosão de acompanhamento mais difícil. proteção e controle: para se evitar esse ataque, as peças não devem acumular substancias na superfície e todo excesso deve ser removidos, deve-se fazer limpeza do local corroído e pode cobrir o furo com um selante especial.

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por pites

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por Lixiviação Outra forma de ataque às superfícies, essa corrosão forma laminas de material oxidado e se espalha por debaixo dele até camadas mais profundas. O combate a essa floculação é feito normalmente com tratamento térmico. ●

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por erosão ●

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Ocorre em locais turbulentos onde o meio corrosivo se encontra em alta velocidade aumentando o grau de oxidação das peças. É possível encontrar esse problema em locais que contenham esgotos em movimento, despejo de produtos químicos (indústrias) ou ação direta de água do mar (portos, pontes e embarcações). Ela pode ser diminuída por revestimentos resistentes, proteção catódica, redução do meio agressivo e materiais resistentes à corrosão. A ação erosiva ocorre normalmente no caso de líquido e gases , em tubulações, trocadores de calor, pas de turbinas, bombas e etc

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão sob tensão ●

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A corrosão sob tensão é o fenômeno de deterioração de materiais causada pela ação conjunta de tensões mecânicas (residuais ou aplicadas) e meio corrosivo. A CST é caracterizada pela formação de trincas, o que favorece a ruptura do material. Por essa razão, a corrosão sob tensão é comumente chamada de corrosão sob tensão fraturante. Acontece comumente com metais dúcteis. Na CST, praticamente não se observa perda de massa do material, como é comum em outros tipos de corrosão. Assim, o material permanece com bom aspecto, até que a fratura ocorre. O tempo necessário para a fratura ocorrer depende: - da tensão (quanto maior a tensão, menor o tempo), - do meio corrosivo, - da temperatura e - da estrutura e composição do material.

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão sob tensão

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por frestas ●

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A As frestas estão sujeitas a formação de pilhas de aeração diferencial e de concentração iônica diferencial. Quando o meio é líquido ocorre preferencialmente as pilhas de concentração iônica diferencial e quando o meio é gasoso tende a ocorrer as pilhas de aeração diferencial. Frestas ocorrem normalmente em juntas soldadas com chapas sobrepostas, em juntas rebitadas, em ligações flangeadas, em ligações roscadas, em revestimentos com chapas aparafusadas, dentre outras situações geradores de frestas. De qualquer forma as frestas deverão ser evitadas ou eliminadas por serem regiões preferenciais de corrosão. Prevenção e Controle: Se a corrosão estiver em estágio inicial, pode-se recorrer à limpeza superficial, secagem do interior da fenda e vedação com um líquido selante, aplicando-se posteriormente um revestimento protetor. Se a corrosão estiver em nível avançado, torna-se necessário como nos outros processos o reforço ou substituição de peças.

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão por frestas

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão em canto vivo São conhecidos diversos modos de evitar corrosões, porém, para cada tipo existe um método que melhor se aplica. Em geral, os processos de prevenção exigem investimento financeiro e são realizados com as peças ainda em ambiente industrial. Outros meios, como revestimento, são feitos em obra e também garantem a qualidade da peça. ●

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão galvânica ●

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É a corrosão característica que se dá quando dois materiais ou duas ligas diferentes estão em contacto mutuo em um meio eletrolítico, formando uma pilha passiva-ativa, na qual o material menos nobre (anodo) é corroído. A intensidade da corrosão galvânica depende também da relação da área entre o metal anódico e o metal catódico. Para o mesmo par de materiais a corrosão é mais intensa quando a área anódica for muito menor, porque haverá, nesse caso, a corrosão localizada de pequena área. A corrosão galvânica é geralmente controlada pela colocação uma junta ou arruela ou outro material dielétrico (borracha, plásticos, etc) entre os dois metais ou pela colocação de anodos de sacrifício. Anodos de sacrifício são constituídos por elementos de metais altamente (série galvânica) anódico, e que, por isso, são corroídos preferencialmente, protegendo o equipamento. A colocação dos anodos de sacrifício é dispendiosa por obrigar uma constante inspeção e troca dos anodos.

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TIPOS DE CORROSÃO Corrosão galvânica

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO O concreto é o principal material de engenharia utilizado em construções. N a engenharia civil o

concreto é usado nos mais variados tipos de construções como: pontes, edifícios, muros de arrimo, barragens, em pisos de tipos variados, pavimentos de estradas, etc.

As vantagens que o concreto oferece como material de construção incluem a flexibilidade na escolha das formas (uma vez que pode ser vazado), economia, resistência ao fogo, possibilidade de ser fabricado no próprio canteiro de obras e aparência estética.

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO Do ponto de vista da engenharia, as principais desvantagens do concreto residem na sua baixa resistência à tração, baixa ductilidade e alguma contração. O concreto é um compósito cerâmico formado por uma mistura de um material granular (agregado) constituído por pedras (brita) e areia, embebida numa matriz dura obtida a partir da pasta de um cimento (ligante). Esta pasta é normalmente constituída por cimento Portland misturado com água. O concreto pode ter composições variadas, mas contém normalmente (em volume) entre 7 e 15% de cimento portland, 14 a 21% de água, 0,5 a 8% de ar, 24 a 30% de agregados finos e 31 a 51% de agregados grossos. No concreto, a pasta de cimento atua como uma “cola” que liga entre si as partículas do agregado. O cimento portland endurece devido a reações com a água, denominadas reações de hidratação.

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO Constituintes do cimento Portland: constituintes

Fórmula química

abreviatura

Silicato tricálcico

3CaOSiO3

C3S

Silicato dicálcico

2CaOSiO2

C2S

Aluminato tricálcico

3CaOAl2O3

C3A

Aluminoferrite tetracálcica

4CaOAl2O3Fe2O3

C4AF

O silicato tricálcico (C3S) e o silicato dicálcico (C2S) constituem cerca de 75% da massa do cimento portland. Quando estes compostos reagem coma água durante o endurecimento do cimento, o principal produto da hidratação é o silicato tricálcico hidratado. Na hidratação do C3S e do C2S formase também hidróxido de cálcio que é um material cristalino. As reações são: 2C3S + 6 H2O → C3S2 . 3H2O + 3 Ca(OH)2 C3S + 4 H2O → C3S2 . 3H2O + Ca(OH)2

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO Concreto Armado Uma vez que a resistência à tração do concreto é cerca de dez a quinze vezes inferior à sua resistência à compressão, o concreto é principalmente usado em compressão, nos projetos de engenharia. No entanto, quando uma peça em concreto está submetida a forças de tração (por exemplo, no caso de uma viga), o concreto é normalmente moldado de modo a conter no seu interior barras de aço como reforço. Nesse concreto os esforços de tração são transferidos do concreto para a armadura de aço, graças a aderência entre o aço e o concreto.

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO Concreto Armado Como já foi mencionado, ao se hidratarem, os constituintes do cimento produzem uma grande quantidade de álcalis, principalmente o hidróxido de cálcio que se dissolve na água e preenche os poros e capilares do concreto dando-lhe um caráter alcalino. O hidróxido de cálcio tem um pH da ordem de 12,6 (à temperatura ambiente). Isto proporciona uma passivação do aço que consiste numa capa ou película protetora composta de óxidos compactos e contínuos, que mantém a armadura protegida, mesmo em concreto com elevada umidade.

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO Concreto Armado A exposição das estruturas de concreto armado às condições ambiente, chuva ácida, poluentes como o SO2, ao CO2 e especialmente a ambientes contaminados com cloretos, pode provocar a corrosão de armaduras Na situação mais comum, o CO2 presente no ar dissolve-se na água da chuva, formando o ácido carbônico O pH resultante dessa dissolução é 5,6, como consequência do equilíbrio entre o íon bicarbonato (HCO31-) e o íon hidrogênio (H1+) CO2 + H2O → H2CO3 H2CO3

HCO31-

+ H1+

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO Concreto Armado O CO2 ao penetrar no concreto reage com o Ca(OH) 2, e reduzindo o pH da fase aquosa por neutralização e provocando a diluição do passivante da armadura, com possibilidade de corrosão na presença de umidade. Entre as reações de neutralização se encontra a carbonatação, que pode definir-se como a reação química mediante a qual os compostos que integram a pasta endurecida de cimento hidratado se combinam com o dióxido de carbono do ambiente. Embora as reações químicas que ocorrem na hidratação do cimento, a carbonatação pode ser representada quimicamente pela reação:

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O A principal consequência da carbonatação é que a alcalinidade da fase aquosa presente nos poros do concreto diminui o pH para um valor abaixo de 8,0 o que causa a destruição da capa passivadora da armadura, permitindo a início do processo de corrosão, quando em presença de água (eletrólito) oxigênio e diferença de potencial da armadura.

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CORROSÃO EM ESTRUTURA DE CONCRETO Concreto Armado O fenômeno da corrosão das armaduras causa a deterioração do aço imerso no concreto, acompanhada da expansão volumétrica, gerando tensões significativas. A manifestação da corrosão das armaduras ocorre sob a forma de fissuras, destacamento do cobrimento, manchas, redução da seção da armadura e perda de aderência.

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Corrosão por Lixiviação No caso do concreto, a corrosão por lixiviação consiste na dissolução e arraste do hidróxido de cálcio existente na massa de cimento portland endurecido (liberado na hidratação). ●

Ocorre devido ao ataque de águas puras ou com poucas impurezas, e ainda de águas das chuvas ou infiltração de umidade, bem como de águas pantanosas, subterrâneas, profundas ou ácidas. ●

Estas serão responsáveis pela corrosão, sempre que puderem circular e renovar-se, diminuindo o pH do concreto. Quanto mais poroso o concreto, maior a intensidade da corrosão. ●

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Na verdade um processo de corrosão e seu controle não podem ser tratados isoladamente, o estudo de um implica no estudo do outro, pois o próprio mecanismo de corrosão pode fornecer a forma através da qual podemos combatê-la com maior eficiência. Em grande números e casos, o prejuízo causado pela corrosão não se concentra no custo da peça a ser trocada e sim na parada total de uma unidade em operação para que se possa efetuar a substituição (o fator econômico é primordial). Os tipos mais comuns de proteção são: • • •

Proteção catódica Proteção anódica Revestimentos

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Proteção catódica: ➔

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Proteção catódica (PC) é uma técnica que reduz ou elimina a corrosão no aço, tornandoo catódico, seja pela introdução de corrente contínua galvânica, utilizando-se anodos de sacrifício, seja por impressão direta em sua superfície de corrente contínua com uso de retificadores. Basicamente, pode-se entender que a liga aço é uma fonte de milhares de pilhas formadas pelo ferro abundante (+95%) e os demais metais componentes da liga, onde o aço é o “boi de piranha”, quer dizer o anodo de sacrifício e aqueles outros metais os catodos. A PC inverte esta situação, formando uma nova pilha, onde barras e cabos de proteção tornam-se catodos, região da pilha que não corrói.

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Proteção catódica galvânica O sistema de proteção catódica galvânica ou por ânodo de sacrifício é aquele que utiliza uma força eletromotriz de natureza galvânica para imprimir a corrente necessária à proteção da estrutura considerada. ➔

Ânodos de Sacrifício: São assim chamados pois vão se corroendo durante o funcionamento do sistema. Forma-se uma célula galvânica em que o ânodo auxiliar é um metal mais ativo que o da estrutura a proteger (cátodo). ➔

➔

Esta força eletromotriz resulta da diferença entre o potencial natural do ânodo e o potencial da estrutura que se deseja proteger. É uma grandeza que depende das características do ânodo, do material que compõe a estrutura que se deseja proteger e, de certa forma, do próprio eletrólito. Os materiais tradicionalmente utilizados como ânodos galvânicos são: Ligas de magnésio; Ligas de alumínio; Ligas de zinco.

Outros materiais podem eventualmente ser utilizados como ânodos galvânicos, em sistemas particulares. ➔

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO É muito comum usar ânodos de sacrifícios em tubulações de ferro ou aço em subsolo e em navios e tanques.

(a)

(b)

(c)

Anodos de sacrifício. (a) Placas de magnésio enterradas ao longo de um oleoduto. (b) Placas de zinco em casco de navio. (c) Barra de magnésio em um tanque industrial de água quente. Todos anodos de sacrifício podem ser facilmente substituídos. Aplicações práticas de proteção catódica Os permutadores de calor usados em navios – condensadores e resfriadores – geralmente são construídos em aço carbono, tendo tubos de cobre ou de suas ligas. É comum carretéis, tampos e espelhos em aço carbono e tubos em latão de alumínio. ➔

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Proteção anódica: ➔

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O termo Proteção Anódica é utilizado para caracterizar algumas situações nas quais o emprego da proteção não anula a velocidade de corrosão, como na Proteção Catódica, embora esta velocidade seja enormemente reduzida. É normalmente aplicada para alguns metais como Níquel, Ferro, Cromo, Titânio e suas ligas, frente a meios em que os mesmos apresentem passivação, constituindo séria limitação a presença de halogênios, pois estes destroem a passivação do ferro e aço inoxidável, especialmente os cloretos. De maneira simples, baseia-se na formação de uma película protetora nos materiais metálicos pela aplicação de uma corrente anódica externa. Esta corrente ocasiona a Polarização do Ânodo que se traduz na prática, por uma anulação de diferença de potencial da pilha de corrosão, causada pelo recobrimento do ânodo por um filme passivante. A proteção anódica pode ser utilizada em meios fortemente corrosivos como tanques de armazenamentos de ácido sulfúrico, trocadores de calor de aço inoxidável para ácido sulfúrico, indústria de polpa de papel e outras situações.

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Revestimento: ➔

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Os revestimentos protetores são películas aplicadas sobre a superfície metálica e que dificultam o contato da superfície com o meio corrosivo, objetivando minimizar a degradação da mesma pela ação do meio. O principal mecanismo de proteção dos revestimentos é por barreira mas, dependendo da sua natureza, poderá também proteger por inibição anódica ou por proteção catódica.

De maneira geral os revestimentos podem ser classificados como: Revestimentos metálicos Revestimentos não metálicos inorgânicos Revestimentos não metálicos orgânicos

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Revestimentos Metálicos: ➔

➔

Trata-se da aplicação de filmes metálicos sobre a superfície do metal. Analisando os potenciais relativos do metal de cobertura e do metal base frente ao meio eletrolítico considerado podemos ter as situações seguintes: 1a) Caráter Anódico:

➔

Quando o metal de cobertura apresenta maior potencial de oxidação que o metal base. 1b) Caráter Catódico:

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➔

Quando o metal de cobertura apresenta maior potencial de redução que o metal base. A análise do caráter do revestimento metálico a ser aplicado é especialmente importante, pois todos os revestimentos preparados comercialmente apresentam porosidade em maior ou menor grau.

Além disso tais revestimentos podem sofrer trincas ou rupturas durante o uso ou transporte. Assim, os metais ficam expostos ao meio agressivo, sofrendo corrosão o metal de cobertura ou o metal base em função do revestimento ser anódico ou catódico respectivamente. ●

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Revestimento não Metálicos Inorgânicos ➔

➔

➔

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Trata-se de substâncias inorgânicas formadas ou depositadas sobre a superfície metálica. Podem ser óxidos, cimentos, carbetos, nitretos, vidros, esmaltes vitrosos, porcelanas e outros. Os óxidos, carbetos e nitretos são empregados geralmente para revestimentos que resistem a altas temperaturas. Os revestimentos obtidos pela deposição de produtos de reação química que ocorrem entre o metal e um meio adequado, protegem o material metálico contra posterior ação agressiva. Assim, uma solução de ácido sulfúrico ataca o chumbo formando sulfato de chumbo que por ser insolúvel acaba protegendo o chumbo da ação do ácido. Entre os processos mais usados para a obtenção de revestimentos inorgânicos estão a anodização, a cromatação e a fostatização.

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Revestimento não Metálicos Inorgânicos 1) Anodização ➔

➔

Em certos casos, o próprio produto da corrosão do metal reveste a superfície chegando mesmo a proteger o metal conforme sua aderência e uniformidade. É o caso do Alumínio que apresenta grande resistência à corrosão atmosférica devido a camada de óxido que se forma e recobre o metal tão logo ele é exposto no ar. Devido a aderência e alta resistividade elétrica apresentada pela camada ela acaba protegendo o metal. 2) Cromatação

➔

As soluções de cromatos e dicromatos (7,5 < pH < 9,5) passivam o ferro e o aço, possivelmente devido a formação de micro-película protetora de Fe 2O3, (magnético) e Cr2O3.

A concentração de cromatos usadas é da ordem de 0,1%, mas cresce principalmente em presença do ânion Cl-. A concentração do inibidor, para exercer ação protetora deve manter-se acima de certo valor crítico, em todas as partes do sistema, pois do contrário terá a formação de elementos de corrosão do tipo ativo-passivo.

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Revestimento não Metálicos Inorgânicos 3) Fosfatização ➔

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Consiste na adição de uma camada de fosfatos à superfície metálica. A camada de fosfatos inibe processos corrosivos e constitui-se, quando aplicada em camada fina e uniforme, em uma excelente base para pintura, em virtude da sua rugosidade. A fosfatização é um processo largamente empregado nas indústrias automobilísticas e de eletrodomésticos. Após o processo de desengraxe da superfície metálica, aplica-se a fosfatização, seguindo-se a pintura;

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Revestimentos Orgânicos ➔

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Consiste na interposição de uma camada de natureza orgânica entre a superfície metálica e o meio corrosivo. Os principais revestimentos orgânicos são os seguintes: Pintura industrial: é um revestimento, em geral orgânico, largamente empregado para o controle de corrosão em estruturas aéreas e, em menor escala, em superfícies enterradas ou submersas. O revestimento por pintura é empregado para estruturas submersas que possam sofrer manutenção periódica em dique seco, tais como navios, embarcações, bóias, etc. Só em casos especiais é empregado em estruturas enterradas, pela dificuldade de manutenção apresentada nestes casos. Revestimento com borrachas: consiste o recobrimento da superfície metálica com uma camada de borracha, utilizando-se o processo de vulcanização. É um revestimento que pode assumir diversas durezas dependendo do tipo de borracha e do processo de vulcanização. Este revestimento é utilizado na indústria química em equipamentos e tubulações que trabalham com meios altamente corrosivos, especialmente ácidos. O tipo de borracha é selecionado em função destas características de agressividade;

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PROTEÇÃO CONTRA CORROSÃO Revestimentos Orgânicos ●

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Revestimentos para tubulações: enterradas ou submersas: as tubulações enterradas ou submersas, oleodutos, gasodutos, adutoras, etc. são, em geral, protegidas contra a corrosão por revestimentos de alta espessura. O mecanismo básico de proteção é por barreira entre o metal e o meio corrosivo. Por melhor que seja o revestimento, a eficiência é sempre inferior a 100%, surgindo, então, a necessidade de complementação com o uso de proteção catódica.

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ELETROQUÍMICA Para entender o processo de corrosão, é essencial a compreensão da eletroquímica. Conceito de eletroquímica Eletroquímica: é o estudo das reações de oxirredução que promove o aproveitamento da transferência de elétrons entre diferentes substâncias para converter energia química em energia elétrica e vice-versa; Basicamente, a eletroquímica engloba o estudo das pilhas e da eletrolise:

pilha

Reação química

eletrólise

Corrente elétrica

Pilhas: conversão espontânea de energia química em elétrica. Eletrólise: conversão não espontânea de energia elétrica em química.

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ELETROQUÍMICA

Considerações importantes Redução: ganho de elétrons Oxidação: perda de elétrons

Redução: ganho de matéria (massa) Oxidação: perda de matéria (massa)

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ELETROQUÍMICA Reações de oxirredução OXIDAR: DAR ELÉTRONS

REDUZIR: RECEBER ELÉTRONS CRAO

POTENCIAL DE REDUÇÃO:

CÁTODO: REDUÇÃO (+)

MEDE A TENDÊNCIA PARA RECEBER ELÉTRONS.

elétrons

ÂNODO: OXIDAÇÃO (-)

POTENCIAL DE OXIDAÇÃO: MEDE A TENDÊNCIA PARA DOAR ELÉTRONS

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel – animações

https://www.youtube.com/watch?v=u757x5rX38U

http://quimicasemsegredos.com/Pilha-de-Daniel.php

http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/terminale_TS/daniell.htm

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Vídeo exibido em aula

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ELETROQUÍMICA Reações de oxirredução Transferência de elétrons de um reagente para outro: 2 Ag+ + Cu(s)

Ag(s) + Cu2+

Esta reação pode ser realizado por dois caminhos fisicamente diferentes: Caminho 1: Colocar os reagentes em contato direto Cuo

Cuo

Ag

Ag+

+

Ago

Reagentes em contato direto

Cu2+

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ELETROQUÍMICA Reações de oxirredução Caminho 2: Separar os reagentes em um arranjo apropriado (célula eletroquímica)

Célula galvânica

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel: são dispositivos eletroquímicos que transformam reações químicas em energia elétrica; ●

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Pilhas conversão espontânea de energia química em elétrica, aproveitam-se as reações de oxirredução (transferência de elétrons) para produzir corrente elétrica; A associação de dois eletrodos dá-se também o nome de pilha ou célula galvânica ou elemento de pilha.

Componentes de uma Célula Eletroquímica - 2 condutores imersos em uma solução contendo eletrólitos (eletrodos); - 1 condutor eletrônico externo para permitir o fluxo de elétrons; - 1 condutor iônico para evitar o contato direto dos reagentes e permitir o fluxo de íons.

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas

Algumas nomenclaturas utilizadas no estudo da eletroquímica ELETRODOS: Partes metálicas que estão em contato com a solução dentro de uma célula eletroquímica; ÂNODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula ENTRA na solução; CÁTODOS: São os eletrodos pelo qual a corrente elétrica que circula numa célula DEIXA a solução; ELETRÓLITOS: Soluções que CONDUZEM a corrente elétrica; ÍONS: São assim chamadas as partículas carregadas que se movimentam na solução.

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Algumas nomenclaturas utilizadas no estudo da eletroquímica CÁTIONS: são íons com carga POSITIVA; ÂNIONS: são íons com carga NEGATIVA OBS. Os íons são diferentes dos elétrons (9,10 x 10 -28g) porque sua massa não é desprezível (1.67 10-24 g). Assim, uma movimentação de íons além de movimentação de carga é também movimentação de massa. CÉLULA ELETROQUÍMICA: Todo sistema formado por um circuito externo que conduza a corrente elétrica e interligue dois eletrodos que estejam separados e mergulhados num eletrólito.

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel ou galvânica – Movimentação de cargas

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel – Esquema de uma pilha

UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP ENGENHARIA CIVIL Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel – Reação ocorrida -

Zn(s) + CuSO4 (aq) (lâmina)

(solução)

(solução)

Sofre Redução Recebe e−

Zn(s) + CuSO4 (aq)

ZnSO4 (aq) +Cu(s)

Sofre oxidação Doa e−

0

CAPACIDADE de ATRAIR e− de

(lâmina)

0

+2

Potencial

ZnSO4 (aq) +Cu(s)

Redução (Ered)

+2

Ered

Cu2+(aq)

> Ered

Zn2+(aq)

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel – Reação ocorrida

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel – Reação ocorrida

Neste processo tem-se simultaneamente, a ocorrência das seguintes reações:

Zn / Zn2+ // Cu2+ / Cu Zn2+ + 2e −

Zn Cu2+ + 2e − Zn

+ Cu2+

Cu

(semi-reação de oxidação) (semi-reação de redução)

Zn2+ + Cu

(reação global)

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Pilha de Daniel – Representação de uma pilha Representa a PONTE SALINA

Zn(s) Metal que sofre oxidação

/ Zn2+(aq) // Cu2+(aq) / Cu(s) Íon metálico formado

Lado esquerdo Ânodo Pólo (-) Oxidação

Íon metálico que sofre redução

Metal formado

Lado direito Cátodo Pólo (+) Redução

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ELETROQUÍMICA Pilhas eletroquímicas Representação de uma pilha

Uma pilha segundo a IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), deve ser representada da seguinte forma:

0

x+

y+

0

M1 / M1 // M2 / M2 Para a Pilha de Daniel

0

2+

2+

Zn / Zn // Cu / Cu

0

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ELETROQUÍMICA Diferença de potencial de uma pilha

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ELETROQUÍMICA Diferença de potencial de uma pilha ➔

Variando-se as espécies (ou, melhor dizendo, variando-se o o oxidante e o redutor, podese obter uma infinadade de pilhas diferentes, que fornecerão diferentes tensões ou força eletromotrizes (fem) ou diferenças de potenciais (ddp). Isso depende fundamentalmente:

➢

Da natureza das espécies da pilha (ou seja, da natureza do oxidante e do redutor);

➢

Das concentrações das soluções empregadas;

➢

Da temperatura da pilha

➢

Como decorrência do exposto acima, consideram-se como CONDIÇÕES–PADRÃO de uma pilha:

➢

A concentração 1 molar para as soluções

➢

A temperatura de 250C para a pilha

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ELETROQUÍMICA Eletrodo-padrão de hidrogênio

Para as medições em eletroquímicas, foi definido arbitrariamente como padrão o denominado ELETRODO-PADRÃO ( ou NORMAL) de HIDROGÊNIO, ao qual foi atribuído também arbitrariamente, o potencial de zero volt. A reação do potencial-padrão de H2 é:

H2(g) + 2 e− → 2 H+(aq)

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ELETROQUÍMICA Medida de Potencial de Redução de um Eletrodo (Relativo) Observe a experiência abaixo:

Medida de Potencial de Redução de um Eletrodo (Relativo) Com o funcionamento da pilha, percebemos que no eletrodo de zinco ocorre corrosão do Zn(s), de onde concluí-se que este sofre oxidação: 0

0

ddp ═ Ered − Ered maior

0,76V ═

menor

zero −

0

Ered

Zn2+/Zn(s)

0

Ered

Zn2+/Zn

═ − 0,76V (s)

Com o funcionamento da pilha, percebemos que no eletrodo de cobre ocorreu deposição do metal na placa, de onde concluí-se que houve redução do íon 0

0

ddp ═ Ered − Ered maior

menor

0

0,34V ═ Ered

Cu2+/Cu

−

zero

0

Ered

Cu2+/Cu

═ +0,34V

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ELETROQUÍMICA Medida de Potencial de Redução de um Eletrodo (Relativo)

UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP ENGENHARIA CIVIL Tabela dos potenciais-padrão de eletrodos – veja também pág. 97 da apostila

> redução

UNIVERSIDADE PAULISTA – UNIP ENGENHARIA CIVIL Tabela dos potenciais-padrão de eletrodos – veja também pág. 97 da apostila

> redução

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ELETROQUÍMICA Tabela dos potenciais-padrão de eletrodos Quanto mais positivo o E°red mais forte é o agente oxidante à esquerda. Quanto mais negativo o E°red mais forte é o agente redutor à direita. Cálculo da diferença de potencial (ddp) das pilhas Na tabela dos potenciais-padrão de eletrodo, todo elemento ou substância que está “mais acima” funciona como redutor (sofre oxidação) em relação a um elemento ou substância que esta “mais abaixo” que funciona então como oxidante (sofre redução); Exemplo: Cu0 / Cu+2 + 2 e− Ered = + 0,76V Zn+2 + 2 e− / Zn0 Ered = - 0,34V Melhor redutor (oxidação): Zn (melhor doador de elétrons) Melhor oxidante (redução): Cu (melhor receptor de elétrons)

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ELETROQUÍMICA Cálculo da diferença de potencial (ddp) das pilhas

ddp = ΔE0 = E0red (catodo) – E0red (anodo) O elemento que esta “mais acima” (tabela) => sofre oxidação O elemento que esta “mais abaixo” (tabela) => sofre redução

Calcule a ddp para a seguinte pilha: Cu/Cu2+ // Ag+ /Ag Sabe-se que: 0 E Cu2+/Cu 0 E Ag2+/Ag

═ +0,34V ═ +0,80V

0

0

ddp ═ Ered − Ered maior

ddp═ 0,8 – 0,34 ddp═ +0,46V

menor

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ELETROQUÍMICA Cálculo da diferença de potencial (ddp) das pilhas

Calcule a ddp para a seguinte pilha: Cu/Cu2+ // Zn2+ /Zn Cu2+(aq) + 2e −

Cu(s)

E0red = +0,34 V

Zn2+(aq) + 2e −

Zn(s)

E0red = – 0,76 V

ΔE0

0

0

═ Ered − Ered maior

menor

ΔE0═ +0,34 – (–0,76) ΔE0═ +1,1 V

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Tarefas a serem entregues até

15/05/2015:

ED 3 - Corrosão em estruturas metálicas e de concreto – págs.167 a 182 ED 4 – Proteção e Prevenção Contra a Corrosão – págs. 183 a 194