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Corrosão do aço carbono Matheus Ferri1 & César Augusto & João Vinicius Curso de Engenharia Civil, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Campus Toledo, 85902-490 - Toledo/Paraná/Brasil

Resumo A formação da ferrugem é algo muito comum em metais, e inevitavelmente leva à reparação ou troca do material metálico afetado. Este fenômeno ocorre no ferro e em muitas ligas ferrosas quando expostos à atmosfera ou submersos em águas naturais. O aço é muito usado na construção civil, na forma de chapas, barras e tubos, daí resultam os exemplos mais claros do que se chama “corrosão”, que pode ser definida como a deterioração superficial de um metal ou liga, pelo meio em que está inserido [1]. Esse experimento foi realizado com o objetivo de verificar os efeitos ocorridos no carbono quando ele é submetido a ação de diferentes tipos de ácidos.

Palavras-chave Corrosão, Aço carbono, Oxidação, Metais, Ácidos.

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Introdução

O aço é uma liga metálica formada essencialmente por ferro (Fe) e carbono(C)[2], os aços mais comuns seguem uma proporção de mais de 97 % de ferro e até 2 % de carbono além de alguns residuais do processo de fabricação como o níquel, volfrâmio, manganês, cromo, fósforo, enxofre entre outros. O aço está presente em vários objetos do nosso cotidiano, como eletrodomésticos, utensílios de cozinha,materiais esportivos entre outros,porém a maior parcela do aço prodizido no mundo, cerca de 30 %, é utilizado no setor de construção civil, tendo várias aplicações, como armaduras de concreto, fundações, pontes, estruturas metálicas e muitas outras. 1

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Pelo fato do aço ser uma liga metálica, ele pode sofrer com a ferrugem quando exposto à atmosfera ou submerso em águas naturais. A ocorrência desse fenômeno em um metal inevitavelmente levará à substituição ou reparação do material[1]. Como o aço carbono é muito utilizado na construção civil, é importante saber como a corrosão do material acontece para que se possa estudar formas de retardar ou eliminar a ocorrência desse fenômeno. Por isso nesse experimento vamos submergir o aço em diversas soluções ácidas para observar os efeitos que ocorrem no material em cada uma delas em determinados períodos de tempo, pesando a placa de aço após cada etapa, para no final comparar cada resultado.

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Revisão Teórica

O aço é uma liga metálica formada principalmente por ferro (Fe) e carbono (C), os aços mais comuns seguem uma proporção de mais de 97 % de ferro e até 2 % de carbono além de alguns residuais do processo de fabricação como o níquel, volfrâmio, manganês, cromo, fósforo, enxofre entre outros. O aço é é originado da transformação do minério de ferro. A primeira etapa de sse processso se da pelo aquecimento do minério - que é originado do óxido de ferro (FeO) em fornos especiais na presença do carbono e fundentes[3] - que são elementos que servem para ajudar a produzir a escória - , tudo issso serve para reduzir ao máximo o teor de oxigênio da composição FeO. Nesta primeira etapa é produzido o ferro-gusa, que contem de 3,5 % a 4,0 % de carbono em sua estrutura, então é realizada uma segunda fusão, onde é obtido o ferro fundido, com teores de carbono na faixa de 2 % a 6,7 %. O aço, por fim, é obtido a partir da descarbonatação do ferro-gusa, controlando os níveis de carbono para no máximo 2 %, resultando em uma liga com concentração de 0,008 % até aproximadamente 2,11 % de carbono[3]. O aço é um dos materiais mais usados no setor de construção civil, estando sujeito a diversas situações em que o material pode sofrer danos, seja pelo contato com a atmosfera, ou por uma série de outros fatores como: contato com o solo, condutividade elétrica e pH. A corrosão é a deterioração sofrida por um metal ou liga, em sua superfície, pelo meio em que o material está inserido. Esse processo envolve reações de oxidação e de redução que convertem o metal ou componente metálico em óxido,hidróxido ou sal. Nesse processo os metais reagem com os outros elementos presentes no meio, como por exemplo, O2 , S, CO2 entre outros, resultando em compostos semelhantes aos da natureza em que o metal foi extraído[4]. A maioria dos metais sofre corrosão por estarem em um estado relativamente mais reativo do que aquele em que são encontrados na natureza. Normalmente os metais são encontrados na natureza na sua forma oxidada, o ferro, como citado anteriormente, é encontrado na natureza na forma de óxido de ferro (FeO), que contém um nível baixo de energia interna se comparado ao metal em sua forma pura. Assim um metal puro tende a sofrer oxidação para retornar a sua forma de menor energia.

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Parte Experimental

Nesse experimento foram utilizados um béquer 100 mL, um Vidro de relógio, uma pinça, tubos de ensaio, lixas, papel toalha, corpos de prova de aço carbono, algodão, acetona, água destilada, uma balança analítica além de quatro tipos de ácidos (HCl 0,5 M, HCl 1,0 M, HNO3 0,5 M e HNO3 1,0 M). Para realizar o experimento, a turma foi dividida em quatro grupos, onde cada grupo possuía uma chapa de aço cabono e um determinado ácido, depois cada grupo lixou sua peça para retirar a ferrugem. Depois de lixada, a peça foi limpa com um algodão umidecido com água destilada e depois com outro algodão umidecido com acetona, para desengordurar a peça, e em seguida foi seca com papel toalha, tomando muito cuidado para não deixar nenhuma sujeira na peça. Após limpar a peça, é importante só manuseá-la com a pinça, pois pegá-la com as mãos pode sujar a peça, afetando os resultados do experimento. O próximo passo foi pesar o corpo de prova e medir sua área superfícial, anotar as medidas, e depois introduzi-lo em um béquer ou tubo de ensaio (dependendo do tamanho da peça) contendo 100ml da solução do ácido pré estabelecido para cada grupo, nosso grupo ficou com o HCl 1,0 M. Após quinze minutos, a peça foi retirada do recipiente com ácido, foi novamente limpa com água destilada e acetona, seca com papel toalha, para retirar qualquer resíduo que pudesse influenciar no experimento, então a peça foi novamente pesada, depois de anotar os valores, a peça foi novamente introduzida no ácido, refazendo esses procedimentos depois de 30 e 45 minutos de contato com o ácido. Depois de realizadas todas as medidas os reagentes foram devidamente descartados, as vidrarias utilizadas foram higienizadas e guardadas em seus respectivos lugares.

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Resultados e Discussão

Depois de realizadas todas as medidas, podemos observar os dados na tabela abaixo: Tabela 1: Resultados para HCl 1,0 M Tempo (min) Massa do aço (g) 0 33,7143 15 33,6824 33,6638 30 45 33,6494

As reações ocorridas nesse processo são basicamente reações de oxidação e de redução, onde o ferro é oxidado e o meio em que esta inserido sofre redução, durante o experimento foi observado a formação de bolhas de H2 (g), provenientes da corrosão superficial do aço, a formação das bolhas acontece nas vizinhanças onde o ferro oxida[1]. Fe(s) + 2 H+ (aq) −−→ Fe2+ (s) + H2 (g)

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No experimento não foi verificada a formação de ferrugem, pois a mesma foi diluída no ácido pelo processo descrito abaixo, ou entao não foi formada[1]. 3+ FeOOH(s) + 3 H+ (aq) − )− −* − Fe (aq) + H2 O(l)

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A figura 1 apresenta influência do pH na solubilidade do Fe(OH)3 .

Figura 1: Variação da concentração de Fe3+ (aq) em função do pH[1]. O gráfico é separado por uma reta, que indicam as áreas onde o FH3+ é diluído no ácido (região de dissolução) ou forma um precipitado (região de precipitação).Durante o progresso da reação, o coeficiente angular da curva decresce devido à diminuição da concentração do agente oxidante H+ (aq) e a velocidade de corrosão torna-se cada vez menor, conforme as leis da cinética química. A partir do ponto de interseção (pH > 1,85), a ferrugem começa a se depositar sobre a superfície do aço-carbono e é de se esperar que a velocidade de corrosão torne-se ainda menor devido à diminuição da área ativa[1]. A corrosão do aço carbono pode ser classificado como uma reação lenta, realizando os cálculos, vimos que a massa do corpo de prova diminui em 3,54 · 10 – 5 gramas/cm2 a cada minuto, nos primeiros quinze minutos de reação, nos 45 minutos de experimento a massa variou −2,40 · 10 – 5 gramas/cm2 a cada minuto, assim podemos também concluir que a velocidade da reação vai diminuindo conforme o tempo passa, devido ao consumo do H presente no ácido, que é liberado em forma de gás(H2 ). Para o HCL percebemos que a cinética de reação permanece praticamente a mesma quando dobramos a concentração do reagente, já que a diminuição na concentração do ácido é insignificante e a reação progride como se fosse de ordem zero[1], já para o HNO3 , com base nos Curso de Eng. Civil, 28 de junho de 2018

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experimentos reaizados, quando dobramos o reagente, a velocidade da reação fica quase quatro vezes maior, podendo ser classificada como uma reação de ordem 2. O papel do ácido nesse processo é o de receber os elétrons que são liberados pelo Fe quando ele sofre oxidação. O hidrogênio presente no ácido é que recebe esses elétrons, sofendo uma reacão de redução. Tabela 2: Resultados para cada ácido Ácido HCl 0,5 M HCL 1,0 M HNO3 0,5 M HNO3 1,0 M

Velocidade da reação (g/cm2 · min) 0,0173 0,0183 0,0907 0,3450

A figura 2 apresenta um gráfico com as taxas de variação para cada ácido usado na experiência.

Figura 2: Taxas de variação da massa em função do tempo Podemos perceber com os dados da tabela 2 em conjunto gom o gráfico da figura 2 que o HNO3 1,0 M é o ácido com maior velocidade de reação, o HNO3 0,5 M é o segundo, porém há uma observação que pode ser feita sobre o gráfico da reação desse ácido, observando a curva, fica evidente que a velociadde da reação diminuiu consideravente nos últimos quinze minutos, isso mostra que ao fim da reação quase todo o reagente na mistura já havia sido consumido, devido a concentração menor do ácido.

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Esse mesmo comportamento pode ser observado na curva do HCl 0,5 M, porém é muito menos perceptível que na curva do HNO3 0,5 M, fica evidenciado que em concentrações baixas a velocidade da reação tende a ser menor. Os dados da figura 2 permitem afirmar que o ácido HNO3 tem a maior velocidade de reação, com uma diferença considerável dos demais. Durante a reação, o coeficientes angulares das curvas decrescem devido à diminuição da concentração do principal agente oxidante H+ (aq) e a velocidade de corrosão fica cada vez menor. Contudo, vários fatores podem influenciar nos resultados do experimento, induzindo ao erro, por exemplo, se a peça não for bem lixada e limpa antes de ser submersa no ácido, os valores da corrosão terão uma diferença significativa.

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Conclusão

O experimento permite observar os efeitos de cada solução no corpo de prova, assim é possivel determinar que em certas condições a placa de aço sofre efeitos mais representativos do que em outras. Observar esses dados é importante para entendermos um processo que é muito comum no nosso dia a dia, a formação da ferrugem em metais. Conforme relatado no experimento, a deterioração sofrida pelo metal depende do meio em que está inserido. Com base nessas informações é possível estudar maneiras de retardar a corrosão sofrida pelos metais, assim aumentando a sua vida útil.

Referências [1] M. V. S. e Marinalda C. Pereira e Eduardo N. Codaro e Heloisa A. Acciari, CARBON STEEL CORROSION: AN DIÁLOGO APPROACH FOR CHEMISTRY TEACHING,2014. [2] V. Chiaverini, Tecnologia Mecânica, Pearson;, São Paulo, SP, 1995.

[3] H. Ferraz, O aço na construção civil, novembro de 2003. [4] W. D. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction, 4E, Interactive MSE, 4th Edition, Wiley, 1998.

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