Para proteger navios, encanamentos ou tanques subterrâneos de armazenamento de combustível, é comum a utilização da proteção catódica. Qual, dentre as reações abaixo, representa uma proteção catódica viável para uma tubulação de ferro enterrada no solo?
Dados de \mathrm{E}_{\text {redução }}^{0}çã :
\begin{aligned} & \mathrm{Zn}{ }^{+2} / \mathrm{Zn}=-0,76 \mathrm{~V} \\\ & \mathrm{Sn}^{+2} / \mathrm{Sn}=-0,14 \mathrm{~V} \\\ & \mathrm{Na}^{+1} / \mathrm{Na}=-2,71 \mathrm{~V} \\\ & \mathrm{Cu}^{+2} / \mathrm{Cu}=+0,34 \mathrm{~V} \\\ & \mathrm{I}_{2} / 2 \mathrm{l}^{-1}=+0,54 \mathrm{~V} \\\ & \mathrm{Fe}^{+2} / \mathrm{Fe}=-0,44 \mathrm{~V} \end{aligned}
(A) \mathrm{I}_{2}+\mathrm{Fe}^{+2} \rightarrow 2 \mathrm{I}^{-1}+\mathrm{Fe}
(B) \mathrm{Zn}+\mathrm{Fe}^{+2} \rightarrow \mathrm{Zn}^{+2}+\mathrm{Fe}
(C) \mathrm{Sn}+\mathrm{Fe}^{+2} \rightarrow \mathrm{Sn}^{+2}+\mathrm{Fe}
(D) 2 \mathrm{Na}+\mathrm{Fe}^{+2} \rightarrow 2 \mathrm{Na}^{+1}+\mathrm{Fe}
(E) \mathrm{Cu}+\mathrm{Fe}^{+2} \rightarrow \mathrm{Cu}^{+2}+\mathrm{Fe}

Passo 1

O enunciado pede: escolher, entre as reações (A) a (E), qual representa uma proteção catódica viável para uma tubulação de ferro enterrada no solo.
Dados relevantes fornecidos (potenciais-padrão de redução, peguei esses valores do enunciado):
\begin{aligned} &\mathrm{Zn}^{+2}/\mathrm{Zn} = -0,76\\ \mathrm{V}\\\ &\mathrm{Sn}^{+2}/\mathrm{Sn} = -0,14\\ \mathrm{V}\\\ &\mathrm{Na}^{+1}/\mathrm{Na} = -2,71\\ \mathrm{V}\\\ &\mathrm{Cu}^{+2}/\mathrm{Cu} = +0,34\\ \mathrm{V}\\\ &\mathrm{I}_{2}/2\mathrm{I}^{-} = +0,54\\ \mathrm{V}\\\ &\mathrm{Fe}^{+2}/\mathrm{Fe} = -0,44\\ \mathrm{V} \end{aligned}
As opções de reação são (copiadas do enunciado):
(A) \mathrm{I}_{2}+\mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow 2\mathrm{I}^{-}+\mathrm{Fe}
(B) \mathrm{Zn}+\mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow \mathrm{Zn}^{+2}+\mathrm{Fe}
(C) \mathrm{Sn}+\mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow \mathrm{Sn}^{+2}+\mathrm{Fe}
(D) 2\mathrm{Na}+\mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow 2\mathrm{Na}^{+}+\mathrm{Fe}
(E) \mathrm{Cu}+\mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow \mathrm{Cu}^{+2}+\mathrm{Fe}
O objetivo: identificar qual reação descreve uma proteção catódica viável (isto é, um metal que se oxida preferencialmente, ficando o ferro protegido como cátodo).

Passo 2

Conceito-fácil e prático (a “aula” rápida e amigável):
  • Proteção catódica por anodo sacrificial funciona assim: colocamos um metal que se oxida mais facilmente do que o ferro. Esse metal (anodo) dá elétrons e vira íons; o ferro fica no papel de cátodo e não se oxida. Em linguagem de potenciais: o metal sacrificial deve ter potencial de redução padrão mais negativo (ou seja, ser menos nobre) que o do ferro.
  • Para decidir se uma reação do tipo
\text{M (metal)} + \mathrm{Fe}^{+2} \rightarrow \mathrm{M}^{+2} + \mathrm{Fe}
é espontânea, calcule o potencial padrão da célula:
E^\circ_{\text{cel}} = E^\circ_{\text{cátodo}} - E^\circ_{\text{ânodo (redução)}}.áâçã
Aqui o cátodo é a meia-reação que reduz (no nosso caso a redução desejada é \mathrm{Fe}^{+2}+\;2e^-\rightarrow\mathrm{Fe} com E^\circ = -0,44\\ \mathrm{V}). O ânodo (na expressão) é a meia-reação de redução do metal sacrificial \mathrm{M}^{+2}+\;2e^-\rightarrow\mathrm{M} com seu E^\circ vindo da tabela.
  • Se E^\circ_{\text{cel}}>0, a reação escrita (metal oxidando + \mathrm{Fe}^{+2} reduzindo) é espontânea, ou seja, o metal se oxida e protege o ferro. Se E^\circ_{\text{cel}}<0, a reação não ocorre espontaneamente nesse sentido (o ferro tenderia a oxidar).
  • Importante: além da espontaneidade, praticidade importa. Metais extremamente reativos (ex.: sódio metálico) reagem violentamente com água/solo e raramente são usados como anodos sacrificiais reais.

Passo 3

Calcular E^\circ_{\text{cel}} para cada opção válida do tipo metal + \mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow metal ^{+2}+\mathrm{Fe}.
Fórmula que vamos usar (novamente):
E^\circ_{\text{cel}} = E^\circ(\mathrm{Fe}^{+2}/\mathrm{Fe}) - E^\circ(\mathrm{M}^{+2}/\mathrm{M}).
Substituindo E^\circ(\mathrm{Fe}^{+2}/\mathrm{Fe}) = -0,44\\ \mathrm{V}:
  • Opção (B), \mathrm{M}=\mathrm{Zn}:
E^\circ_{\text{cel}} = -0,44 - (-0,76) = -0,44 + 0,76 = +0,32\\ \mathrm{V}.
Resultado: E^\circ_{\text{cel}}>0 → espontânea no sentido escrito (o zinco se oxida, ferro reduzido) — bom para proteção.
  • Opção (C), \mathrm{M}=\mathrm{Sn}:
E^\circ_{\text{cel}} = -0,44 - (-0,14) = -0,44 + 0,14 = -0,30\\ \mathrm{V}.
Resultado: E^\circ_{\text{cel}}<0 → não espontânea no sentido escrito; estanho não serve como anodo sacrificial frente ao ferro.
  • Opção (D), \mathrm{M}=\mathrm{Na}:
E^\circ_{\text{cel}} = -0,44 - (-2,71) = -0,44 + 2,71 = +2,27\\ \mathrm{V}.
Resultado: E^\circ_{\text{cel}}>0 → espontânea termodinamicamente (o sódio metálico se oxida facilmente). Porém, sódio metálico é extremamente reativo com água e solo, portanto impraticável como proteção catódica real.
  • Opção (E), \mathrm{M}=\mathrm{Cu}:
E^\circ_{\text{cel}} = -0,44 - (0,34) = -0,44 - 0,34 = -0,78\\ \mathrm{V}.
Resultado: E^\circ_{\text{cel}}<0 → não espontânea no sentido escrito; na prática o cobre é mais nobre e faria o ferro oxidar (o contrário do desejado), portanto cobre não protege ferro.

Passo 4

Análise da opção (A) (porque ela é escrita de modo diferente):
\mathrm{I}_{2}+\mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow 2\mathrm{I}^{-}+\mathrm{Fe}.
Note que \mathrm{I}_{2}/2\mathrm{I}^{-} tem E^\circ = +0,54\\ \mathrm{V} (redução) e \mathrm{Fe}^{+2}/\mathrm{Fe}=-0,44\\ \mathrm{V} (redução). A reação escrita mostra as duas espécies no lado reagente como se ambas fossem reduzidas — isso não faz sentido como combinação direta de duas reduções. A forma espontânea envolvendo iodo e ferro seria na verdade:
\mathrm{Fe} + \mathrm{I}_2 \rightarrow \mathrm{Fe}^{+2} + 2\mathrm{I}^-,
ou seja, o ferro oxida e o iodo reduz; o potencial padrão para essa reação (no sentido mostrado agora) é
E^\circ = E^\circ(\mathrm{I}_2/2\mathrm{I}^-) - E^\circ(\mathrm{Fe}^{+2}/\mathrm{Fe}) = 0,54 - (-0,44) = +0,98\\ \mathrm{V},
positivo — isso indica que o ferro seria corroído (oxida) na presença de iodo, exatamente o contrário do que se quer para proteção. Portanto (A) não descreve proteção catódica do ferro.

Passo 5

Resumo dos resultados práticos:
  • Reações termodinamicamente espontâneas no sentido escrito (metal se oxida e ferro se reduz): opções envolvendo \mathrm{Zn} e \mathrm{Na} (B e D) têm E^\circ_{\text{cel}}>0.
  • Dentre essas duas, sodium metálico é impraticável como anodo sacrificial em solo (reage violentamente com água/umidade, difícil de manejar). Zinco, por outro lado, é um anodo sacrificial clássico e amplamente usado para proteção catódica de ferro/ aço enterrado ou submerso.
  • As opções com \mathrm{Sn} e \mathrm{Cu} (C e E) não são espontâneas no sentido de proteger o ferro; cobre inclusive é mais nobre e favorece a corrosão do ferro.

Passo 6

Conclusão lógica: a reação com zinco é eletroquimicamente espontânea no sentido de proteger o ferro e, além disso, é prática para uso como anodo sacrificial em proteção catódica.

Resposta

(B) \mathrm{Zn}+\mathrm{Fe}^{+2}\rightarrow \mathrm{Zn}^{+2}+\mathrm{Fe}

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