O cromo e o carbono presentes em aço inoxidável formam Cr 3 C 2 (carbeto de cromo) a 1600^{\circ} \mathrm{C}. Quais dos metais, dentre Si , Ti, e V, deveriam ser ligados ao aço para prevenir a formação de carbeto de cromo?

Passo 1

O enunciado diz que, a 1600^\circ\mathrm{C}, o cromo e o carbono no aço formam o carbeto
3\,\mathrm{Cr} + 2\,C \;\longrightarrow\;\mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2.
Para evitar que o C “roube” o Cr para esse carbeto, queremos adicionar um metal M (Si, Ti ou V) tal que o C prefira formar o carbeto de M em vez de \mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2. O conteúdo envolvido é termodinâmica de formação de carbetos (diagramas de Ellingham para carbetos).

Passo 2

O critério termodinâmico é: se a reação
x\,M + y\,C \;\longrightarrow\; M_xC_y
tiver energia livre standard de formação \Delta G_f^\circ mais negativa (em módulo maior) que a de \mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2, então o C preferirá se ligar a M antes de “ligar” com o Cr. Logo, comparamos os valores de \Delta G_f^\circ de cada carbeto a 1600^\circ\mathrm{C}.

Passo 3

Reações e valores aproximados de \Delta G_f^\circ a 1873\,\mathrm{K} ( 1600\circC):
3\,\mathrm{Cr} + 2\,C \;\longrightarrow\;\mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2,\quad \Delta G_f^\circ\approx -200\;\mathrm{kJ/mol\,(carbeto)}
\mathrm{Si} + C \;\longrightarrow\;\mathrm{SiC},\quad \Delta G_f^\circ\approx -150\;\mathrm{kJ/mol}
\mathrm{V} + C \;\longrightarrow\;\mathrm{VC},\quad \Delta G_f^\circ\approx -250\;\mathrm{kJ/mol}
\mathrm{Ti} + C \;\longrightarrow\;\mathrm{TiC},\quad \Delta G_f^\circ\approx -300\;\mathrm{kJ/mol}

Passo 4

Comparando as energias livres:
\Delta G_f^\circ(\mathrm{SiC}) é menos negativo que \Delta G_f^\circ(\mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2), logo o Si não captura carbono tão facilmente quanto o Cr.
\Delta G_f^\circ(\mathrm{VC}) e \Delta G_f^\circ(\mathrm{TiC}) são muito mais negativas que \Delta G_f^\circ(\mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2). Isso faz com que o C se ligue preferencialmente ao V ou ao Ti, “prendendo” o carbono e impedindo a formação de \mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2.

Resposta

Os metais que devem ser ligados ao aço para prevenir a formação de \mathrm{Cr}_3\mathrm{C}_2 são Ti e V.

Exercícios relacionados