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CORROSÃO AULA 4 Prof. Eduardo Moraes Araujo 2 CONVERSA INICIAL O estudo da corrosão nada mais é do que um aprofundamento da eletroquímica, sendo que nessa parte da química estudamos basicamente as reações redox (redução e oxidação), pilhas e a eletrolise. Nesta aula, o foco será estudar as pilhas e a eletrolise. TEMA 1 – ESPONTANEIDADE DE REAÇÕES – ENERGIA LIVRE DE GIBBS 1.1 O que é a eletroquímica? A eletroquímica é o ramo da química que estuda as reações químicas que envolvem a eletricidade. São divididas em dois seguimentos, que seriam as pilhas, reações espontâneas, e a eletrólise, reações não espontâneas, conforme demonstrado na figura 1. Figura 1 – Relação da espontaneidade da pilha e da eletrólise Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020. As pilhas convertem energia química em energia elétrica, e o processo eletrolítico é basicamente o contrário, ou seja, a energia elétrica é convertida em energia química, ou seja, uma produz energia, que é o caso da pilha, já a outra consome energia, que é o caso da eletrólise. Mas, o que vem a ser uma reação espontânea ou não? Para responder a essa questão, é necessário rever alguns conceitos relacionados à termoquímica. 3 1.2 Espontaneidade de reações Para compreender a questão da espontaneidade, é necessário revisar alguns conceitos da área de físico-química, que seria o de termoquímica, relacionado a valores de variação de entalpia (∆H), variação de entropia (∆S) e energia livre de Gibbs (∆G). Por meio dos valores de ∆G pode-se prever a espontaneidade das reações químicas, sendo que quando tem valor positivo, as reações são não espontâneas e, no caso de valores negativos, são espontâneas. Para calcular a energia livre de Gibbs, usamos a seguinte expressão: ∆𝐺𝐺 = ∆𝐻𝐻 − (𝑇𝑇.∆𝑆𝑆) (1) Na qual ∆G= energia livre de Gibbs, ∆H= variação de entalpia, T=temperatura e ∆S= variação de entropia. Vamos resolver o seguinte exemplo, utilizando a Fórmula 1. Calcule o ∆G da reação: 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g), considerando uma temperatura de 400K. Dados: MOLÉCULA ∆Hfº (KJ/mol) Smº (J/K.mol) SO2 O2 SO3 -296,83 0 -395,72 248,22 205,14 256,76 1º Cálculo de ∆H por meio da entalpia de formação de cada molécula ∆H = ∑Hfº(produtos) - ∑Hfº(reagentes) ∆H =2.(-395,72)-[(2.(-296,83)+0)] ∆H =-197,78 KJ/mol 2º Cálculo de ∆S a por meio da entropia de cada molécula ∆S=∑Smº(produtos) - ∑Smº(reagentes) ∆S=2.256,76 – (2.248,22+205,14) ∆S=-188,06 J/K (ou para igualar as unidades -0,18806 kJ/K) 3º C Cálculo de ∆G (Fórmula 1) 4 ∆G=-197,78-[400.(-0,18806)] ∆G=-122,58 kJ Como o valor de ∆G é negativo, a reação é espontânea no sentido de formação dos produtos, ou seja, no sentido direto (→). Considerando que a reação da formação da ferrugem seja: 4Fe(s) + 3O2(g) 2Fe2O3 Sabendo os valores das entalpias padrão e de entropia, podemos verificar se a formação da ferrugem, ligado aos processos corrosivos, é ou não um processo espontâneo nas condições ambientes (25ºC ou 298,15K). MOLÉCULA ∆Hfº (kJ/mol) Smº (J/K.mol) Fe O2 Fe2O3 0 0 -824,2 27,78 205,14 87,40 1º Cálculo de ∆H por meio da entalpia de formação de cada molécula ∆H = ∑Hfº(produtos) - ∑Hfº(reagentes) ∆H =2.(-824,2)-[(4.0+3.0)] ∆H =-1648,4 kJ/mol 2º Cálculo de ∆S por meio da entropia de cada molécula ∆S=∑Smº(produtos) - ∑Smº(reagentes) ∆S=2.87,40 – [(4.27,78+3.205,14)] ∆S=-551,74 J/K (ou -0,55174 kJ/K) 3º Cálculo de ∆G (Fórmula 1) ∆G=-1648,4-[(298,15.(-0,55174)] ∆G=-1483,899 kJ Como o valor de ∆G é menor que zero (negativo), o processo de formação da ferrugem, que está ligado à corrosão, é espontâneo. Uma outra expressão matemática que possibilita o cálculo de ∆G da reação é: ∆𝐺𝐺 (𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟çã𝑜𝑜) = ∆𝐺𝐺(𝑝𝑝𝑟𝑟𝑝𝑝𝑟𝑟ã𝑜𝑜) + 𝑅𝑅𝑇𝑇𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 (2), sendo R= constante universal dos gases e k= constante de equilíbrio. 5 TEMA 2 – ESPONTANEIDADE DE REAÇÕES – DIFERENÇA DE POTENCIAL Como já visto, as pilhas são reações espontâneas já as eletrólises não espontâneas. Uma outra forma de analisar a espontaneidade é mediante a diferença de potencial de uma célula eletroquímica (lembrando que a eletroquímica estuda as pilhas e a eletrolise). Uma tabela já vista anteriormente, mas é de grande importância para o assunto abordado nesse momento, que é sobre a espontaneidade, é a tabela pode potenciais de redox, mostrada a seguir na Figura 2. Figura 2 – Tabela de potenciais redox Fonte: Disponível em: . Acesso em: 23 abr. 2021. 6 2.1 Histórico da eletroquímica A história da eletroquímica está extremamente ligada à invenção da pilha por Alessandro Volta (figura 3), em meados do Séc. XVIII, ao empilhar discos de cobre e zinco alternadamente, molhados por uma solução eletrolítica (condutora de corrente elétrica), conforme demonstrado na figura 4. Figura 3 – Alexandre Volta explicando para Napoleão Bonaparte o princípio da bateria elétrica Créditos: Morphart Creation/Shutterstock. 7 Figura 4 – Montagem da bateria de Alexandre Volta Crédito: Smille Ilustras. Posteriormente, a pilha de Alexandre Volta evoluiu nas mãos de outros cientistas. Por exemplo, em 1836, o cientista John Frederic Daniell (1790-1845) construiu uma pilha (Figura 5) formada por dois eletrodos desses mesmos metais da pilha de Alexandre. 8 Figura 5 – Pilha de Daniell, inventada em 1836 Créditos: Morphart Creation/Shutterstock. Estamos mais acostumados a vê-la de uma outra forma que é demonstrado pela Figura 6. 9 Figura 6 – Pilha de Daniell Créditos: Smille Ilustras. Utilizando como base a tabela de potências redox, é possível montar a reação que ocorrerá na pilha. As semirreações que usaremos da tabela são a de cobre e de zinco. Cu+2+ 2eCu +0,34V Zn+2+2eZn -0,76V As duas semirreações estão no sentido de redução, e tanto na pilha, quanto na eletrólise, uma deve reduzir e a outra oxidar, então, nesse caso, devemos inverter uma delas. Para as reações espontâneas, a somatória dos potenciais padrão de oxidação ou de redução devem ser positivos, já para as não espontâneas devem ser negativos. 10 Então, já que a pilha, como já discutimos, é uma reação espontânea, após a inversão de uma das semirreações, a somatória dos potenciais deve dar um valor positivo, e a única forma disso ocorrer, é invertendo a semirreação de menor valor, ficando então para a montagem da reação global da seguinte forma: Cu+2+ 2eCu +0,34V Zn Zn+2+2e +0,76V Somando as duas semirreações, temos a equação global da pilha de Daniell e de Alexandre Volta. Cu+2+Zn Cu+Zn+2 Para a voltagem da pilha (nome dado em homenagem a Alexandre Volta), basta somar os potenciais das semirreações, ou seja, +0,34V+0,76V=+1,10V, cujo valor é denominado de diferença de potencial (ddp), cujo valor positivo, indica que a reação é espontânea. Se fosse para eletrólise, deve ter valor de ddp negativo, ou seja, para que isso ocorra, deveríamos ter invertido a de maior valor de potenciais das semirreações, como demonstrado a seguir: Cu Cu+2+ 2e -0,34V Zn+2+2eZn -0,76V Cu+Zn+2Cu+2+Zn ddp=-0,34-0,76=-1,10V Então, por esse processo de montagem da equação geral, é possível determinar a espontaneidade de reações mediante a diferença de potencial (ddp), pois, com valores positivos a reação é espontânea, já para valores negativos é não espontânea. Analise também que as equações de pilha (espontâneas) e de eletrólise (não espontâneas) são invertidas, ou seja, o reagente de uma é o produto da outra. REAÇÃO ELETROQUÍMICA EQUAÇÃO GLOBAL ddp ESPONTÂNEIDADE Pilhas Cu+2+Zn Cu+Zn+2 +1,10V Espontânea Eletrólise Cu+Zn+2Cu+2+Zn -1,10V Não espontânea A reação decorrosão por ferrugem, é um processo espontâneo, que pode ser comprovado também por esse processo. FeFe+2+2e +0,44V 2(OH-)H2O+1/2O2+2e -0,40V Invertendo a de menor valor, para ser uma reação espontânea ficaria: 11 FeFe+2+2e +0,44V H2O+1/2O2+2e 2(OH-) +0,40V Fe+ H2O+1/2O2Fe+2+2(OH-) ddp=+0,80V Responsável pela formação da ferrugem (Fe2O3). Então, na equação global, veja que o ferro (Fe), na presença de oxigênio (O2) e água (H2O), tende a formar, de forma espontânea, o Fe2O3, que seria a ferrugem. TEMA 3 – CÁLCULO DE ddp PELA EQUAÇÃO DE NERST Vimos anteriormente que, pelo valor da diferença de potencial (∆E ou ddp), é possível prever a espontaneidade de uma reação química. Durante o Séc. XIX, Walther Herman Nernst desenvolveu uma equação matemática capaz de determinar o valor da diferença de potencial (ddp) ou variação do potencial de uma pilha em determinado instante, que por homenagem a ele, a equação foi denominada de equação de Nernst, que é a seguinte: ∆E=∆Eº- (0,059 𝑛𝑛 ).logKc Na qual, ∆Eº= variação do potencial padrão da pilha (voltagem total dela); n= número de elétrons envolvidos na oxidação e redução da pilha e Kc= constante de equilíbrio. Veja o exemplo de sua utilização: Determine a variação de potencial de uma pilha formada por zinco e cobre após certo tempo de funcionamento, considerando que as concentrações de zinco e de cobre em solução são respectivamente 0,8mol/L e 0,2mol/L. Resolução: veja que a pilha de cobre e de zinco é a pilha de Daniell, que tem a ddp padrão (quando calculada pela tabela de valores de oxidação ou redução padrão) é igual a ∆Eº= 1,10V. A equação global, já vista anteriormente, é: Cu+2+Zn Cu+Zn+2 Lembrando do equilíbrio, as substâncias sólidas não entram no cálculo da constante de equilíbrio (Kc), ficando, então: Kc= (concentração produtos)x (concentração dos reagentes)y Sendo x e y os valores dos coeficientes estequiométricos (valores dos balanceamentos), ficaria, então: 12 Kc=[ Zn+2]1/[ Cu+2]1 Substituindo os valores dados no enunciado, teríamos: Kc=0,8¹/0,2¹ Kc=4 Aplicando os dados na equação de Nerst: ∆E=1,10- (0,059 2 ).log(4) ∆E=+1,08V O potencial dos eletrodos está diretamente ligado à taxa de corrosão, de forma direta, ou seja, quanto maior o potencial, maior a taxa de corrosão, conforme demonstra a Figura 7. Figura 7 – Relação do potencial do eletrodo com a taxa de corrosão para metal não passivável Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020. TEMA 4 – CÁLCULO DA CONSTANTE DE EQUILÍBRIO A constante de equilíbrio, em relação a concentração (Kc), como visto, pode ser utilizada para cálculo da diferença de potencial (ddp) por meio da fórmula de Nerst, então é de grande importância saber calculá-lo. po te nc ia l e le tro do taxa de corrosão 13 4.1 Velocidade direta e inversa O equilíbrio químico é definido como a igualdade entre as velocidades direta e inversa. Quando ocorre essa igualdade, as concentrações de reagentes e de produtos não mais é alterada, permanecendo constantes (Figura 7) Figura 7 – Demonstração do equilíbrio em uma reação Química Fonte: Wikimedia Commons. (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reacao_de_equilibrio_(velocidade).png). Geralmente, pensa-se que a reação termina quando os reagentes se transformaram em produtos, ou seja, dá a ideia de que os reagentes terminam e se transformam integralmente em produtos, mas isso não é correto de se pensar. Como já citado anteriormente, a reação direta é a reação dos reagentes se transformando em produtos, e a inversa é quando os produtos se transformando em reagentes, e a reação, desde que seja reversível, ocorre nesses dois sentidos. O que define o final da reação reversível é a igualdade das velocidades das reações direta e inversa, ou seja, as concentrações de reagentes e de produtos já não são mais alteradas. 4.2 Equilíbrio Químico Como já citado, o equilíbrio é definido pela igualdade das velocidades direta e inversa de uma reação. O quadro 2 exprime a quantidade em mols de substâncias até atingir o equilíbrio químico de uma reação genérica do tipo: A (g) 2B(g) 14 Quadro 2 – Dados de mols, concentração e velocidades direta e inversa Quantidade de mols do reagente (A) Quantidade de mols do produto (B) Concentração do reagente [ ] mol/L Concentração do produto [ ] mol/L Velocidade direta Velocidade inversa Início 20 0 2 0 0,02 0 19 2 1,9 0,2 0,019 0,01 18 4 1,8 0,4 0,018 0,04 17 6 1,7 0,6 0,017 0,09 Eq ui líb rio qu ím ic o 16 8 1,6 0,8 0,016 0,016 16 8 1,6 0,8 0,016 0,016 16 8 1,6 0,8 0,016 0,016 A forma de calcular a velocidade das reações é pela expressão: Velocidade direta: V=Kdireta [reagentes]a Velocidade inversa: V=Kinversa[produtos]b Para nível de cálculo, foram consideradas as constantes diretas e inversas iguais a 0,01 e 0,025, respectivamente, e um volume de 10 litros. Para os cálculos das concentrações, foi utilizada a expressão de concentração molar, a seguir representada: [ ] = 𝑚𝑚𝑜𝑜𝑅𝑅𝑚𝑚 𝑝𝑝𝑜𝑜 𝑚𝑚𝑜𝑜𝑅𝑅𝑠𝑠𝑠𝑠𝑜𝑜/𝑣𝑣𝑜𝑜𝑅𝑅𝑠𝑠𝑚𝑚𝑟𝑟 𝑝𝑝𝑟𝑟 𝑚𝑚𝑜𝑜𝑅𝑅𝑠𝑠çã𝑜𝑜 Para exemplificar, a primeira linha da tabela ficaria com os seguintes cálculos: • Concentração dos reagentes: [ ]=20/10 = 2 mols/L • Concentração dos produtos [ ]=0/10 = 0 • Velocidade direta V=0,01.(2)1 V=0,02 mol/L Obs.: o valor 1 do expoente é o valor do balanceamento do reagente A. • Velocidade inversa V=0,025(0)2 V=0 (mol/L)2 Obs.: o valor 2 do expoente é o valor do balanceamento do produto B. O gráfico de equilíbrio da reação genérica é demonstrado na Figura 08. 15 Figura 8 – Gráfico da reação genérica A(g)2B(g) em relação às concentrações dos reagentes e produtos Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020. E o gráfico que representa a igualdade das velocidades da reação genérica é demonstrado na Figura 09. Figura 9 – Gráfico da reação genérica A (g)2B(g) em relação às velocidades direta e inversa Fonte: Eduardo Moraes Araujo, 2020. Veja que, em ambos os gráficos, no tempo 5 (sem unidades), é possível identificar que as concentrações dos reagentes e dos produtos não mais se alteram ou, no segundo gráfico, que as velocidades se igualaram, o que seria, nesse tempo, definido o equilíbrio da reação. 2 1,9 1,8 1,7 1,6 1,6 1,6 0 0,04 0,16 0,36 0,64 0,64 0,64 0 0,5 1 1,5 2 2,5 1 2 3 4 5 6 7 co nc en tra çã o tempo []reagentes []produtos 0,02 0,019 0,018 0,017 0,016 0,016 0,016 0 0,001 0,004 0,009 0,016 0,016 0,016 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 1 2 3 4 5 6 7 ve lo ci da de s tempo vel direta vel prod 16 TEMA 5 – CÁLCULO DE CONSTANTE DE EQUILÍBRIO EM REAÇÃO NÃO ELEMENTAR As reações não elementares são definidas como as que ocorrem em mais do que uma etapa. Nesse tipo de reação, só é possível a determinação da velocidade de reações direta ou inversa, de forma experimental, por meio da análise das concentrações das substâncias envolvidas. 5.1 Determinação dos fatores Como já visto, em reações elementares, é possível calcular as velocidades da seguinte forma: Velocidade direta: V= Kdireta [reagentes]a Velocidade inversa: V= Kinversa[produtos]b Sendo “a” e “b” os coeficientes estequiométricos dos reagentes e dos produtos, respectivamente. Já em reações não elementares, esses coeficientes não serão os valores do balanceamento e, sim, determinados de forma experimental. Veja um exemplo de cálculo dos coeficientes “a” e “b” para a reação: 2 NO2(g) + 1F2(g) 2 NO2F(g) Se fosse considerada como uma reação elementar, a expressão para cálculo das velocidades seria: V=K[NO2]².[F2]¹ (velocidade direta) V=K[NO2F]² (velocidade inversa) Mas, como essa reação não é elementar, não seria correto utilizar direto o valor do balanceamentopara verificar a ordem da reação (que são os expoentes utilizados nas expressões de cálculo de velocidades). Para essa reação, deveremos usar os seguintes dados, que foram coletados experimentalmente. 17 Concentração molar (mol/L) Velocidade (mol/L) NO2 F2 1º linha 1.10-2 1.10-2 1.10-2 2º linha 2.10-2 1.10-2 4.10-2 3º linha 1.10-2 2.10-2 8.10-2 Iremos usar o coeficiente “a” para a substância NO2 e “b” para F2. Para analisar o valor de “a”, devemos escolher duas linhas em que a concentração de NO2 seja variável e a de “b” fique fixa, que no caso seriam a 1º e 2º linhas. NO2 F2 velocidade 1º linha 1.10-2 1.10-2 1.10-2 2º linha 2.10-2 1.10-2 4.10-2 Varia fixo Então, agora basta analisar o fator de modificação de “a” (para NO2) e o fator de modificação da velocidade. Após analisar o fator de modificação das linhas (multiplicação ou divisão), realizamos a seguinte igualdade, utilizando esses fatores como expoentes. a²=4 Então, é fácil identificar pela igualdade encontrada que a= 2. Realizando o mesmo procedimento para analisar “b”, devemos escolher duas linhas em que “b” fique variável e agora “a” fique fixo, que seria no caso a 1º e 3º linhas de dados. NO2 F2 Velocidade 1º linha 1.10-2 1.10-2 1.10-2 2º linha 2.10-2 1.10-2 4.10-2 3º linha 1.10-2 2.10-2 8.10-2 NO2 velocidade 1.10-2 1.10-2 2.10-2 4.10-2 x4 x2 18 Analisando o fator de modificação de “b” para essas linhas, teríamos: Após analisar o fator de modificação das linhas (multiplicação ou divisão), realizamos a seguinte igualdade, utilizando esses fatores como expoentes. b²= 8 Então, é fácil identificar pela igualdade encontrada que b= 3. Então, a expressão para cálculo da velocidade direta dessa reação seria: V= K[NO2]²[F2]³ Então, a ordem das substâncias e da reação pode ser vista no quadro a seguir. ORDEM NO2 2 F2 3 Reação 2+3=5 O aumento de temperatura acelera, de modo geral, as reações químicas, ou seja, com a elevação da temperatura, diminui-se a resistividade do eletrólito e, consequentemente, aumenta-se a velocidade de corrosão. NA PRÁTICA Agora, é sua vez: resolva os exercícios a seguir: 1. Conhecendo as semi-reações de descritas a seguir, responda os itens: Ni+2(aq)+2eNi(s) -0,25V Cr+3(aq)+3eCr(s) -0,74V a) monte a equação da reação espontânea; b) monte a equação da reação não espontânea; c) Calcule a ddp quando [Ni+2]=1.10-4mol/L e [Cr+3]=2.10-3mol/L. 2. Em um determinado experimento sobre corrosão de um metal A na presença de um ácido B, foram levantados os seguintes dados, conforme tabela a seguir. F2 velocidade 1.10-2 1.10-2 2.10-2 8.10-2 X8 X2 19 EXPERIMENTO [A] (mol/L) [B] (mol/) VELOCIDADE REAÇÃO 1 1 1 2 2 2 1 4 3 2 2 16 Calcule a ordem global da reação de corrosão desse metal A na presença do ácido B. FINALIZANDO O estudo da corrosão está diretamente ligado aos processos envolvidos na eletroquímica, que tem por divisão o estudo de pilhas e eletrólise, ou seja, entender as reações redox é de grande importância para melhor compreensão desses processos. Outro fator, é sobre velocidade das reações, que submete ao estudo do equilíbrio químico. Nesta aula, foram discutidas essas relações, de forma introdutória, sendo que posteriormente terá um maior aprofundamento sobre o estudo da eletroquímica. 20 REFERÊNCIAS LEE, J. D. Química inorgânica não tão concisa. Tradução da 4. ed. inglesa. São Paulo: Edgard Blücher, 1996. PETER W.; ATKINS, J. de P. Físico-Química. V. 1. Livros Técnicos e Científicos. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. PETER A.; PAULA, J. de. Físico-Química: Fundamentos. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. RUSSEL, J. B. Química geral. São Paulo: Makron Books, 2004. SHRIVER, D.; ATKINS, P. Química inorgânica. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2008.