Encanamentos de ferro mergulhados em meio ácido não-aerado sofrem corrosão devido, principalmente, à reação:
\mathrm{Fe}+2 \mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H}_{2}
Para proteger encanamentos nessas condições, costuma-se ligá-los a barras de outros metais, que são corroídos ao invés dos canos de ferro. Conhecendo os potenciais padrões de redução:
\begin{array}{ll} \mathrm{Cu}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Cu} & \mathrm{E}^{\circ}=+0,34 \mathrm{~V} \\\ \mathrm{Fe}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Fe} & \mathrm{E}^{\circ}=-0,44 \mathrm{~V} \\\ \mathrm{Zn}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Zn} & \mathrm{E}^{\circ}=-0,76 \mathrm{~V} \\\\ 2 \mathrm{H}^{1+}+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{H}_{2} & \mathrm{E}^{\circ}=0,00 \mathrm{~V} \\\ \mathrm{Sn}^{2+}+2 \mathrm{e}^{-} \rightleftharpoons \mathrm{Sn} & \mathrm{E}^{\circ}=-0,14 \mathrm{~V} \end{array}
Dispondo-se de barras de cobre, zinco e estanho, pede-se:
a) Qual metal deve ser utilizado para proteger o encanamento? Justifique.
b) Escreva as reações que ocorrem na associação do cano de ferro com a barra metálica escolhida, indicando o agente oxidante e o agente redutor.

Passo 1

Vou listar claramente o que o enunciado nos dá e o que pede.
  • Reação de corrosão do ferro em meio ácido não-aerado (fornecida):
\mathrm{Fe}+2\mathrm{H}^{+}\rightarrow\mathrm{Fe}^{2+}+\mathrm{H}_{2}
  • Potenciais padrão de redução fornecidos (peguei estes valores do enunciado):
\begin{array}{ll} \mathrm{Cu}^{2+}+2\mathrm{e}^{-}\rightleftharpoons\mathrm{Cu}, & E^{\circ}=+0,34\\ \mathrm{V}\\[4pt] \mathrm{Fe}^{2+}+2\mathrm{e}^{-}\rightleftharpoons\mathrm{Fe}, & E^{\circ}=-0,44\\ \mathrm{V}\\[4pt] \mathrm{Zn}^{2+}+2\mathrm{e}^{-}\rightleftharpoons\mathrm{Zn}, & E^{\circ}=-0,76\\ \mathrm{V}\\[4pt] 2\mathrm{H}^{+}+2\mathrm{e}^{-}\rightleftharpoons\mathrm{H}_{2}, & E^{\circ}=0,00\\ \mathrm{V}\\[4pt] \mathrm{Sn}^{2+}+2\mathrm{e}^{-}\rightleftharpoons\mathrm{Sn}, & E^{\circ}=-0,14\\ \mathrm{V} \end{array}
  • Barras disponíveis: cobre ( \mathrm{Cu}), zinco ( \mathrm{Zn}) e estanho ( \mathrm{Sn}).
O enunciado pede:
a) Qual metal usar para proteger o encanamento (ou seja, qual metal vai corroer no lugar do ferro).
b) Escrever as reações que ocorrem na associação do cano de ferro com a barra escolhida, indicando agente oxidante e agente redutor.]

Passo 2

Conceito-chave (explicado passo a passo, sem pressa):
  • O potencial padrão de redução E^{\circ} mede a tendência de uma espécie ganhar elétrons (ser reduzida) em condições padrão. Mais positivo \Rightarrow maior tendência a ser reduzida (mais nobre). Mais negativo \Rightarrow menor tendência a ser reduzida e, portanto, maior facilidade para ser oxidada (doar elétrons).
  • Quando dois metais são ligados em contato elétrico num eletrólito, o metal com o potencial de redução mais negativo tende a oxidar (ser o ânodo, corroer) e o metal com potencial mais positivo tende a reduzir (ser o cátodo, protegido).
  • Para decidir qual metal é sacrificial (ou seja, que vai corroer em vez do ferro), comparamos os E^{\circ} padrões: o metal escolhido deve ter um E^{\circ} de redução mais negativo (menor) do que o do ferro, para que ele oxide preferencialmente.

Passo 3

Compare os potenciais fornecidos (ordem crescente de E^{\circ}, mais negativo primeiro — mais fácil de oxidar):
\mathrm{Zn}:\\ E^{\circ}=-0,76\\ \mathrm{V}\quad<\quad\mathrm{Fe}:\\ E^{\circ}=-0,44\\ \mathrm{V}\quad<\quad\mathrm{Sn}:\\ E^{\circ}=-0,14\\ \mathrm{V}\quad<\quad\mathrm{Cu}:\\ E^{\circ}=+0,34\\ \mathrm{V}.
Interpretação:
  • \mathrm{Zn} tem potencial de redução mais negativo que \mathrm{Fe}. Logo \mathrm{Zn} se oxida mais facilmente que o ferro e, se conectado ao ferro, será o que vai corroer (sacrificar-se).
  • \mathrm{Sn} tem E^{\circ} menos negativo que \mathrm{Fe} (ou seja, mais nobre que o ferro). Isso significa que, se ligar estanho ao ferro, o ferro continuaria a oxidar preferencialmente — então o estanho não protege o ferro (ele não é um anodo sagrado).
  • \mathrm{Cu} é ainda mais nobre e, portanto, também não serve como metal sacrificial.
Conclusão preliminar: o zinco é o candidato correto porque é mais “ativo” (mais fácil de oxidar) que o ferro.

Passo 4

Agora escrevemos explicitamente as semi-reações envolvidas quando se usa a barra de zinco ligada ao cano de ferro, em meio ácido não-aerado (a reação catódica é a redução dos íons hidrogênio, já que não há oxigênio dissolvido):
  • meia-reação de oxidação do zinco (inverso do dado para redução):
\mathrm{Zn}\rightarrow\mathrm{Zn}^{2+}+2\mathrm{e}^{-}
(esta é a reação que ocorre no ânodo: o zinco perde elétrons e se dissolve como \mathrm{Zn}^{2+}.)
  • meia-reação de redução dos íons hidrogênio (cátodo):
2\mathrm{H}^{+}+2\mathrm{e}^{-}\rightarrow\mathrm{H}_{2}
(os prótons aceitam elétrons e formam gás hidrogênio.)

Passo 5

Obtendo a reação global somando as semi-reações (os elétrons se cancelam):
\mathrm{Zn}+2\mathrm{H}^{+}\rightarrow\mathrm{Zn}^{2+}+\mathrm{H}_{2}.
Significado termodinâmico (rápido cálculo de espontaneidade):
  • Potencial padrão da célula:
E^{\circ}_{\text{cél}}=E^{\circ}_{\text{cátodo}}-E^{\circ}_{\text{ânodo}}=0{,}00-(-0{,}76)=+0{,}76\\ \mathrm{V},éáâ
positivo, o que indica que a oxidação do zinco e a redução de \mathrm{H}^{+} é um processo espontâneo nas condições padrões — portanto o zinco se consumirá preferencialmente, protegendo o ferro.

Passo 6

Identificação dos agentes:
  • Agente redutor (doa elétrons, é oxidado): a barra de zinco, \mathrm{Zn}.
  • Agente oxidante (recebe elétrons, é reduzido): os íons \mathrm{H}^{+} do meio ácido (formam \mathrm{H}_{2}).

Passo 7

Comentário final de interpretação prática e incentivo: na prática, por isso usa-se zinco como anodo de sacrifício (galvanização ou ânodos de sacrifício) — o zinco corrói em vez do ferro. Se tivesse usado estanho ou cobre, o ferro continuaria a corroer. Força aí — memoriza a regra: “quem tem potencial mais negativo se oxida” e relaciona isso à escolha do sacrificial anode.

Resposta

a) Zinco ( \mathrm{Zn}).
b) Semi-reações e reação global:
\mathrm{Zn}\rightarrow\mathrm{Zn}^{2+}+2\mathrm{e}^{-}
2\mathrm{H}^{+}+2\mathrm{e}^{-}\rightarrow\mathrm{H}_{2}
\mathrm{Zn}+2\mathrm{H}^{+}\rightarrow\mathrm{Zn}^{2+}+\mathrm{H}_{2}
Agente oxidante: \mathrm{H}^{+}.
Agente redutor: \mathrm{Zn}.

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