Uma amostra de ferro foi colocada em uma solução aquosa de
. Qual deverá ser o potencial de eletrodo máximo do ferro para que este esteja imune à corrosão, conforme o diagrama de Pourbaix para o sistema
?
Passo 1
O enunciado diz que uma amostra de ferro foi colocada em uma solução aquosa de
e pede: qual deverá ser o potencial de eletrodo máximo do ferro para que este esteja imune à corrosão, conforme o diagrama de Pourbaix para o sistema
. Informações relevantes que temos/assumimos, explicadas claramente:
- Condição do meio:
. - Devemos usar o diagrama de Pourbaix para
. Nos diagramas de Pourbaix convencionais assume-se uma concentração (atividade) dos íons metálicos tipicamente igual a ) (isto é padrão para traçar o diagrama). - Temperatura padrão assumida:
(porque o valor numérico da constante de Nernst que usaremos vale para ). - O que se pede: o potencial máximo do eletrodo (em volts) para que o ferro esteja imunizado — isto é, o potencial tal que o ferro sólido é estável e não se oxida para o íon solúvel nem para óxidos/hidróxidos. A resolução usará a fronteira metal/íon mais relevante do diagrama (explico o porquê adiante).
Passo 2
O que significa “imune” no diagrama de Pourbaix (explicação didática):
- O diagrama de Pourbaix mostra regiões de estabilidade das espécies em função do potencial
e do . - “Imune” significa que, para aquele par
, o ferro metálico sólido é termodinamicamente estável — ou seja, não sofre oxidação para formar , nem se transforma em óxidos/hidróxidos. - Na prática, as fronteiras importantes que limitam a imunidade são: a fronteira entre
e (dissolução para catiões) e as fronteiras entre e óxidos/hidróxidos (formação de filmes passivos). Para soluções ácidas ( baixo, como ) a fronteira metal → costuma ser a mais restritiva para a imunidade; por isso vamos calcular o potencial de equilíbrio da meia-reação . Isto segue a estratégia de escolher o método mais direto e com menos pressupostos.
Passo 3
Escrevendo a meia-reação e a equação de Nernst (aula rápida sobre a fórmula):
- Meia-reação relevante (redução):
- A equação geral de Nernst para uma meia-reação de redução
é
onde:
-
é o potencial da eletrodo (V), -
é o potencial padrão da meia-reação (V), -
é a constante dos gases ( ), -
é a temperatura em Kelvin, -
é a constante de Faraday ( ), -
é o número de elétrons trocados, -
é o quociente de reação (razão das atividades dos produtos pelos reagentes). - Para a reação
temos , a atividade do metal sólido é , e . - Simplificando e trocando para logaritmo decimal (para
) obtemos a forma prática:
- Explicando os termos:
é o potencial padrão da meia-reação ; é a atividade (aproximada pela concentração molar quando a solução é diluída).
Passo 4
Valor do potencial padrão e escolha da atividade do íon:
- Valor padrão (tabela de potenciais): para a meia-reação
toma-se
- Conforme explicado no Passo 1, usaremos a atividade típica dos diagramas de Pourbaix:
Passo 5
Substituição na equação de Nernst e contas passo a passo:
- Primeiro calcule o logaritmo:
- Agora substitua em
- Fazendo as contas:
- Arredondando de forma prática para duas casas decimais:
Passo 6
Interpretação final e observações práticas (como usar isso na prova):
- Significado: para
e assumindo , o potencial máximo que mantém o ferro imunizado (não oxidado termodinamicamente a ) é aproximadamente versus . Se o potencial do eletrodo subir (ficar menos negativo) além desse valor, termodinamicamente o ferro pode oxidar e entrar na região de corrosão (formação de ). - Observações importantes que podem aparecer na prova:
- Se a concentração efetiva de
na sua situação for diferente de , use a fórmula geral
e substitua o valor correto de . - Em alguns casos a fronteira com óxidos/hidróxidos pode impor outro limite; para
normalmente a fronteira metal/ é a que determina a imunidade, mas se o enunciado der dados sobre espécies de óxido ou concentrações, verifique também essas fronteiras usando as respetivas reações e Nernst.
- Se a concentração efetiva de
- Força extra: se quiser um exemplo rápido, para
o potencial limite seria
Isto mostra como a concentração de íon altera o limite de imunidade.