Engenharia Dos Materiais - 19 Aula

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MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 1 º Corrosão – deterioraç deterioração de um material, resultante do ataque quí químico provocado pelo meio em que o material se encontra. º Depende de: º Temperatura º Concentraç Concentração de reagentes e produtos º Esforç Esforços mecânicos º Erosão Nos metais a corrosão ocorre habitualmente por acç acção electroquí electroquímica, mica, visto os metais possuí possuírem electrões livres capazes de criar pilhas electroquí electroquímicas. micas. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Corrosão º º º 2 Corrosão Corrosão º Pedro Almeida DEM 2005 Corrosão electroquí electroquímica de metais A electroquí electroquímica abrange todos os processos quí químicos que envolvem a transferência de electrões. Quando um processo quí químico ocorre produzindo transferência de electrões, é chamado de pilha ou bateria. Este processo quí químico ocorre espontaneamente e gera corrente elé eléctrica. Em 1836, John F. Daniell construiu uma pilha com elé eléctrodos de cobre e zinco, em que cada elé eléctrodo ficava numa cela individual, o que aumentava a eficiência da pilha, pois ela possuí possuía um tubo que ligava as duas cubas, este tubo foi chamado de ponte salina. salina. º A Corrosão pode ser vista como o inverso da metalurgia extractiva. extractiva. A maioria dos metais existe na natureza no estado combinado (óxidos, xidos, sulfuretos, sulfuretos, carbonatos, etc.), nestes estados as energias dos metais são menores. º Os materiais nãonão-metá metálicos não sofrem ataque electroquí electroquímico, mico, mas podem deteriorardeteriorar-se por ataque quí químico directo. MATERIAIS / MATERIAIS I 3 Pedro Almeida DEM 2005 Corrosão º º Cátodo é o elé eléctrodo positivo, é o elé eléctrodo onde ocorre a reduç redução, ocorre ganho de electrões. Reacç Reacção Cató Catódica. Ânodo é o elé eléctrodo negativo, é o elé eléctrodo onde ocorre oxidaç oxidação, ocorre perda de electrões. Reacç Reacção Anó Anódica. dica. 4 MATERIAIS / MATERIAIS I Corrosão Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 5 Pedro Almeida DEM 2005 6 Corrosão º Nesta pilha é possí possível verificar as semisemiequaç equações da reacç reacção. ão. º reacç reacção CATÓ CATÓDICA Cu2++2e- --> --> Cu(s) o ião cobre (Cu2+) da soluç solução é reduzido por 2e- que vem da corrente elé Reacç parcial de eléctrica. Reacção REDUÇ REDUÇÃO. º reacç reacção ANÓ ANÓDICA Zn(s) --> --> Zn2+ + 2eo zinco é oxidado, oxidado, formando o ião zinco (Zn2+) e 2e-. Estes electrões serão os responsá responsáveis pela geraç geração da corrente elé eléctrica do sistema (pilha). Reacç Reacção parcial de OXIDAÇ OXIDAÇÃO. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 7 Pedro Almeida DEM 2005 Corrosão º Corrosão Com base nas semisemi-equaç equações da reacç reacção é possí possível escrever a equaç equação global da reacç reacção. ão. Cu2++2e- --> --> Cu(s) Zn(s) --> --> Zn2+ + 2e______________________ Zn0 + Cu2+ --> --> Zn2+ + º º º Cu0 Com o desenvolvimento da reacç reacção, ocorrerá ocorrerá formaç formação de cobre metá metálico, lico, que se depositará depositará na superfí superfície do elé eléctrodo de cobre. Já Já o elé eléctrodo de zinco será será corroí corroído, do, pois o zinco transformatransforma-se em iões que irão para a soluç solução de sulfato de zinco. º Potenciais padrão de meia pilha Todas as pilhas possuem um potencial, ou seja, produzem uma voltagem, voltagem, sendo este potencial medido na pilha. (No caso das pilhas comerciais, que se usam em rá rádios, controlos remotos e brinquedos, a voltagem geralmente é de 1,5V). O potencial da pilha pode ser dado, de uma maneira simplificada por: ∆E=Eânodo-Ecátodo, sendo Eânodo e Ecátodo os potenciais padrões de reduç redução de cada semisemiequaç equação. ão. O potencial padrão é medido em relaç relação ao Hidrogé Hidrogénio, que teve por convenç convenção, a denominaç denominação de potencial padrão de Hidrogé Hidrogénio, que vale 0V. 8 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 9 Pedro Almeida DEM 2005 Reacção de oxidação (corrosão) Corrosão º Potenciais padrão de meia pilha Catódicos (menor tendência para a corrosão) 2H++2eÆ +2eÆH2 E0red=0V (convenç (convenção) º É a partir da potencial de uma pilha, que se sabe se a reacç reacção ocorre ou não e qual a reacç reacção que se dará dará. º º Anódicos (maior tendência para a corrosão) Os metais que têm potenciaispotenciais-padrão positivos são menos reactivos e são denominados cató catódicos em relaç relação ao Hidrogé Hidrogénio. Os metais que têm potenciaispotenciais-padrão negativos são mais reactivos e são denominados anó anódicos em relaç relação ao Hidrogé Hidrogénio. MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 Corrosão Semi-equações Zn → Zn2++ 2e- E0=-0,763V Cu → Cu2++ 2e- E0=+0,337V Oxidação: Zn → Zn2++2eRedução: Cu2++2e- → Cu Potencial de eléctrodo Au → Au3++3e- +1,498 2H2O → O2+4H++4E- +1,229 Pt → Pt2++2e- +1,200 Ag → Ag++e- +0,799 2Hg → Hg22++2e- +0,788 Fe2+ → Fe3++e- +0,771 4(OH)- → O2+2H2O+4e- +0,401 Cu → Cu2++2e- +0,337 Sn2+ → Sn4++2e- +0,150 H2 → 2H++2e- 0,000 Pb → Pb2++2e- -0,126 Sn → Sn2++2e- -0,136 Ni → Ni2++2e- -0,250 Co →Co2++2e- -0,277 Cd → Cd2++2e- -0,403 Fe → Fe2++2e- -0,440 Cr → Cr3++3e- -0,744 Zn → Zn2++2e- -0,763 Al → Al3++3e- -1,662 Mg → Mg2++2e- -2,363 Na → Na++e- -2,714 10 E0 (V) MATERIAIS / MATERIAIS I 11 Pedro Almeida DEM 2005 Corrosão º Pilhas Galvânicas com Electró Electrólitos que não são 1 M º Na maioria das situaç situações reais de corrosão a concentraç concentração dos electró electrólitos não é 1M (1M = 1 mol/dm3). Se a concentraç concentração de iões num electró electrólito que rodeia um elé eléctrodo anó anódico for inferior a 1 M, a forç força motora para a reacç reacção de dissoluç dissolução ou corrosão do ânodo é ainda maior, maior, uma vez que existe uma menor concentraç concentração de iões que podem conduzir à reacç reacção contrá contrária. º Reacção global: M → Mn++ne- Zn + Cu2+ → Zn2++ Cu E0global= -0,763-0,337= -1,100V 0,0592 E=E + log C ião n 0 E→ E0 → n→ Cião → nova f.e.m de meia pilha f.e.m. padrão de meia pilha número de electrões transferidos concentração molar dos iões 12 MATERIAIS / MATERIAIS I Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 13 Corrosão º Pilhas galvânicas com electrólitos ácidos ou alcalinos sem a presença de iões metálicos. Pedro Almeida DEM 2005 14 Corrosão galvânica Condições necessárias para que ocorra Consideremos uma pilha galvânica em que um elé eléctrodo de ferro e outro de cobre estão imersos num electró electrólito aquoso e acidificado, no qual não existem inicialmente iões metá metálicos. º O Elé Eléctrodo que tiver o potencial padrão mais negativo será será o ânodo e terá terá tendência a oxidaroxidar-se. Uma vez que não existem em soluç solução iões metá metálicos que possam ser reduzidos, são os iões de hidrogé hidrogénio da soluç solução ácida a ser reduzidos. Estes iões formam átomos de hidrogé hidrogénio, que se combinam e formam hidrogé é nio gasoso (H hidrog 2) º MATERIAIS / MATERIAIS I Corrosão º Corrosão de um microscó microscópicas. Se um único elé eléctrodo de ferro for colocado em contacto com uma soluç solução oxigenada como por exemplo a água, este sofre corrosão electroquí electroquímica uma vez que à superfí superfície se formam regiões anó anódicas e cató catódicas microscó microscópicas. elé eléctrodo por Pedro Almeida DEM 2005 pilhas MATERIAIS / MATERIAIS I 15 galvânicas Corrosão Pedro Almeida DEM 2005 O ferro fornece electrões para o limite da gota de água, que reduz o oxigé oxigénio do ar. A superfí superfície do ferro que fica em contacto com a gota de água funciona como ânodo para o processo Fe(s) → Fe2+(aq) + 2e(R. Anódica) Os electrões movemmovem-se atravé através do ferro metá metálico até até ao exterior da gota onde O2(g) + 2H2O(l) + 4e- → 4OH-(aq) (R. Catódica) Dentro da gota, os iões OH movemmovem-se para reagir com os iões de ferro, e formaforma-se um precipitado de hidró hidróxido de ferro 2Fe + 2H2O + O2 → 2Fe2+ + 4OH- → 2Fe(OH)2(s) (R. Global) A ferrugem é então criada por oxidaç oxidação deste precipitado 2Fe(OH)2(s) + H2O + ½O2(g) → 2Fe(OH)3 (s) 16 MATERIAIS / MATERIAIS I Corrosão º Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 17 Pilhas galvânicas de concentraç concentração iónica º º Compostas por elé eléctrodos do mesmo material, mas onde um dos electró electrólitos tem menor concentraç concentração em iões que o outro. outro. Pela equaç equação onde se pode calcular o potencial de meiameia-pilha de um elé eléctrodo num electró electrólito onde a concentraç concentração não é 1M, podemos determinar qual é o mais electronegativo. electronegativo. Corrosão º Pilhas galvânicas de concentraç concentração de oxigé oxigénio º MATERIAIS / MATERIAIS I Corrosão º Pilhas electroquí electroquímicas de limites de grão º Na maior parte dos metais e ligas, os limites de grão são mais activos do ponto de vista quí químico (são mais anó anódicos) dicos) do que o interior dos grãos. Este comportamento anó anódico devedeve-se ao facto de nos limites de grão haver maior energia devido ao desarranjo ató atómico, e à localizaç localização nos mesmos de impurezas e átomos de soluto (por segregaç segregação). Este fenó fenómeno faz com que a corrosão ou ataque quí químico se dê preferencialmente junto aos limites de grão. 18 Quando existem diferenç diferenças na concentraç concentração de oxigé oxigénio na superfí superfície hú húmida de um metal com tendência para se oxidar, podem formarformar-se pilhas de concentraç concentração de oxigé oxigénio. A região onde a concentraç concentração de oxigé oxigénio é maior é a região cató catódica da pilha e a região onde a concentraç concentração de oxigé oxigénio é menor, é a região anó anódica. dica. O elé eléctrodo que tiver o potencial mais negativo será será o ânodo da pilha de concentraç concentração iónica, nica, e por isso oxidaoxida-se sendo corroí corroído. Pedro Almeida DEM 2005 Pedro Almeida DEM 2005 MATERIAIS / MATERIAIS I 19 Pedro Almeida DEM 2005 Corrosão º Pilhas electroquímicas entre fases º Na maioria dos casos, uma liga monofá monofásica apresenta maior resistência à corrosão do que uma liga multifá multifásica, sica, devido ao facto de uma fase poder ser anó anódica quando comparada com outra da mesma liga que funcione como cá cátodo. Como consequência a velocidade de corrosão é superior numa liga multifá multifásica. sica. 20 MATERIAIS / MATERIAIS I Corrosão Pedro Almeida DEM 2005 º Velocidade de corrosão de um metal numa soluç solução aquosa º Numa soluç solução aquosa, a quantidade de metal corroí corroído uniformemente a partir de um ânodo, ou depositado electroliticamente sobre um cá cátodo, durante um certo perí período de tempo, pode ser determinado atravé através da equaç equação de Faraday. Faraday. iAtM ω= nF ω → i A t M n → → → → → F → I=i.A I → 21 Peso do metal (g) corroído ou depositado electroliticamente numa solução aquosa durante um tempo t. Densidade de Corrente (A/cm2) Área (cm2) tempo de corrosão ou deposição (s) massa atómica do metal (g/mol) número de electrões gerados ou consumidos durante o processo constante de Faraday= 96 500 C/mol ou 96 500 A.s/mol Intensidade de corrente (A)