Para diminuir a velocidade da corrosão das placas de aço (uma liga de ferro) do casco de navios, grossas placas de zinco são rebitadas no lado externo do casco, abaixo da superfície da água. Essa técnica é conhecida como proteção catódica.
Supondo que o aço possa ser representado por Fe (s), considere as seguintes forças eletromotrizes de redução:
Supondo que o aço possa ser representado por Fe (s), considere as seguintes forças eletromotrizes de redução:
Passo 1
O enunciado dá quatro semireações de redução com seus potenciais padrão e pede, de forma implícita, para entender por que placas de zinco protegem placas de aço (Fe) submersas — ou seja:
- Quais informações temos (copiadas do enunciado):
- Perguntas que vamos responder nesta resolução (sem assumir nada mais do enunciado):
- Qual metal (Zn ou Fe) tende a se oxidar quando estão em contato na água?
- Por que o zinco “protege” o ferro (explicação passo a passo e reações)?
- O que aconteceria se uma placa de cobre fosse fixada no aço (efeito da presença do cobre)?
Passo 2
Conceitos fundamentais (aulas rápidas e necessárias para entender os cálculos):
- Potencial padrão de redução
: é a tendência de uma espécie química ganhar elétrons (ser reduzida) quando comparada com o eletrodo padrão de hidrogénio. Um mais positivo significa que a meia-reaçao é mais fácil de ocorrer como redução; um mais negativo significa que a meia-reaçao é menos favorável como redução. - Para saber qual reação ocorre como oxidação em um par de metais ligados eletroquimicamente, olhamos os
: a espécie com mais negativo tem menor tendência a ser reduzida e, portanto, tende a ser oxidada (perde elétrons). A outra — com mais positivo — tende a ser o cátodo (reduz). - Potencial de célula padrão: quando juntamos duas semi-reações, o potencial padrão da célula é
Aqui, é o potencial de redução do par que é reduzido, e é o potencial de redução do par que é oxidado (atenção: usamos potenciais de redução na fórmula, por isso o sinal “-” aparece). Se , a reação global é espontânea no sentido assumido (ânodo se oxida, cátodo se reduz).
Passo 3
Aplicação direta a
vs
(descobrir quem se oxida):
- Temos
de redução de igual a e de igual a . Comparando: é mais negativo que . Portanto, o zinco tem menor tendência a ser reduzido e maior tendência a ser oxidado. - Vamos calcular explicitamente o potencial padrão da célula se assumirmos que o zinco se oxida (ânodo) e o ferro se reduz (cátodo):
Calcule: Como , a combinação “ oxida / reduz” é espontânea. Conclusão: em contacto, o zinco se oxida (atua como ânodo) e o ferro fica como cátodo (é protegido).
Passo 4
Escrevendo as semi-reações e a reação global (explicação prática do que acontece):
- Oxidação do zinco (invertemos a semirreação de redução dada):
- A redução que ocorre no lado do ferro, na prática, normalmente não é a redução de
(porque o ferro já está no estado metálico): as elétrons liberados pelo zinco são consumidos por uma reação de redução presente no ambiente aquoso — o agente aceitador de elétrons mais comum é o oxigénio dissolvido. A semirreação de redução do oxigénio (em meio neutro/ácido conforme enunciado) é: - Para combinar com a oxidação do zinco precisamos igualar elétrons. Multiplicamos a oxidação do zinco por 2 (para ter 4 elétrons) e somamos:
Somando:
(Em água neutra ou ligeiramente alcalina, a forma equivalente da redução do oxigénio envolve
; o raciocínio é o mesmo: elétrons liberados pelo Zn são consumidos reduzindo oxigénio no entorno do aço.)
- Interpretação prática e intuitiva: o zinco “cede” elétrons (é corroído, formando
) e esses elétrons fluem para a superfície do aço, onde o oxigénio dissolvido é reduzido; como o aço recebe elétrons, ele não perde ferro para formar , ou seja, a corrosão do ferro fica inibida enquanto houver zinco disponível para se oxidar.
Passo 5
Efeito se houver cobre conectado ao aço (por que cobre é ruim para proteção do ferro):
- Compare
e : temos e . Se o cobre estiver em contato elétrico com o ferro na água, calcule o potencial padrão da célula assumindo que o ferro se oxida (ânodo) e o cobre se reduz (cátodo):
Como
, a reação “
oxida /
reduz” é espontânea. Conclusão: o cobre atua como cátodo e força o ferro a ser o ânodo — o ferro se corroerá mais rapidamente. Por isso não se deve fixar cobre (ou metais mais nobres) diretamente em estruturas de ferro quando se quer proteção catódica.
Passo 6
Resumo prático e dicas para prova (como usar isso rapidamente na hora da avaliação):
- Regra rápida para a prova: o metal com potencial de redução mais negativo é o que se oxida (ânodo de sacrifício).
- Para checar espontaneidade, calcule
. Se for positivo, a direção assumida é espontânea. - Em problemas, sempre escreva as semi-reações (redução/oxidação), iguale elétrons e some para obter a reação global — isso dá segurança na resposta e costuma garantir pontos.
- Observação prática: o zinco se desgasta com o tempo (consome-se como ânodo de sacrifício) e precisa ser substituído periodicamente.
Resposta
Se uma placa de cobre for fixada ao aço, o cobre age como cátodo e o ferro como ânodo — o ferro sofrerá corrosão acelerada; o potencial padrão da célula