Corrosão galvânica - Galvanic corrosion

Corrosão de um prego de ferro envolto em fio de cobre brilhante, mostrando proteção catódica de cobre; uma solução de indicador de ferroxil mostra indicações químicas coloridas de dois tipos de íons se difundindo através de um meio de ágar úmido

A corrosão galvânica (também chamada de corrosão bimetálica ou corrosão de metais dissimilares ) é um processo eletroquímico no qual um metal corrói preferencialmente quando está em contato elétrico com outro, na presença de um eletrólito . Uma reação galvânica semelhante é explorada em células primárias para gerar uma voltagem elétrica útil para alimentar dispositivos portáteis.

Visão geral

Metais e ligas diferentes têm potenciais de eletrodo diferentes e, quando dois ou mais entram em contato em um eletrólito, um metal (que é mais reativo ) atua como ânodo e o outro (que é menos reativo ) como cátodo . A diferença eletropotencial entre as reações nos dois eletrodos é a força motriz para um ataque acelerado ao metal anódico, que se dissolve no eletrólito. Isso faz com que o metal no ânodo seja corroído mais rapidamente do que faria de outra forma e a corrosão no cátodo seja inibida. A presença de um eletrólito e de um caminho de condução elétrica entre os metais é essencial para que a corrosão galvânica ocorra. O eletrólito fornece um meio para a migração de íons por meio do qual os íons se movem para evitar o acúmulo de carga que, de outra forma, interromperia a reação. Se o eletrólito contiver apenas íons de metal que não são facilmente reduzidos (como Na ⁺ , Ca ²⁺ , K ⁺ , Mg ²⁺ ou Zn ²⁺ ), a reação catódica é a redução de H ⁺ dissolvido em H ₂ ou O ₂ a OH ^- .

Em alguns casos, esse tipo de reação é encorajado intencionalmente. Por exemplo, baterias domésticas de baixo custo geralmente contêm células de carbono-zinco . Como parte de um circuito fechado (a via do elétron), o zinco dentro da célula irá corroer preferencialmente (a via do íon) como uma parte essencial da bateria, produzindo eletricidade. Outro exemplo é a proteção catódica de estruturas enterradas ou submersas, bem como tanques de armazenamento de água quente . Nesse caso, os ânodos de sacrifício funcionam como parte de um par galvânico, promovendo a corrosão do ânodo, enquanto protegem o metal do cátodo.

Em outros casos, como metais mistos em tubulações (por exemplo, cobre, ferro fundido e outros metais fundidos), a corrosão galvânica contribuirá para a corrosão acelerada de peças do sistema. Inibidores de corrosão , como nitrito de sódio ou molibdato de sódio, podem ser injetados nesses sistemas para reduzir o potencial galvânico. No entanto, a aplicação desses inibidores de corrosão deve ser monitorada de perto. Se a aplicação de inibidores de corrosão aumentar a condutividade da água dentro do sistema, o potencial de corrosão galvânica pode ser bastante aumentado.

A acidez ou alcalinidade ( pH ) também é uma consideração importante em relação aos sistemas de circulação bimetálica de circuito fechado. Se o pH e as doses de inibição de corrosão estiverem incorretos, a corrosão galvânica será acelerada. Na maioria dos sistemas HVAC , o uso de ânodos e cátodos de sacrifício não é uma opção, pois eles precisariam ser aplicados dentro do encanamento do sistema e, ao longo do tempo, corroeriam e liberariam partículas que poderiam causar danos mecânicos potenciais às bombas circulantes, trocadores de calor, etc.

Exemplos de corrosão

Um exemplo comum de corrosão galvânica ocorre no ferro galvanizado , uma folha de ferro ou aço coberta com um revestimento de zinco. Mesmo quando o revestimento protetor de zinco é quebrado, o aço subjacente não é atacado. Em vez disso, o zinco é corroído porque é menos "nobre"; só depois de consumido pode ocorrer a ferrugem do metal base. Em contraste, com uma lata convencional , ocorre o oposto de um efeito protetor: porque o estanho é mais nobre do que o aço subjacente, quando o revestimento de estanho é quebrado, o aço abaixo é imediatamente atacado preferencialmente.

Estátua da Liberdade

Corrosão galvânica na Estátua da Liberdade

As verificações de manutenção regulares descobriram que a Estátua da Liberdade sofria de corrosão galvânica

Um exemplo espetacular de corrosão galvânica ocorreu na Estátua da Liberdade quando verificações regulares de manutenção na década de 1980 revelaram que a corrosão havia ocorrido entre a camada externa de cobre e a estrutura de suporte de ferro forjado . Embora o problema tivesse sido antecipado quando a estrutura foi construída por Gustave Eiffel segundo o projeto de Frédéric Bartholdi na década de 1880, a camada de isolamento de goma laca entre os dois metais quebrou com o tempo e resultou na ferrugem dos suportes de ferro. Uma extensa renovação foi realizada exigindo a desmontagem completa da estátua e substituição do isolamento original com PTFE . A estrutura estava longe de ser insegura devido ao grande número de conexões não afetadas, mas foi considerada uma medida de precaução para preservar um símbolo nacional dos Estados Unidos.

Royal Navy e HMS Alarm

No século 17, Samuel Pepys (então servindo como Secretário do Almirantado ) concordou com a remoção do revestimento de chumbo dos navios da Marinha Real Inglesa para evitar a misteriosa desintegração de seus leme e cabeças de parafuso, embora ele confessasse estar perplexo quanto ao motivo o chumbo causou a corrosão.

O problema voltou a ocorrer quando os navios foram revestidos com cobre para reduzir o acúmulo de ervas daninhas marinhas e proteger contra os vermes do navio . Em um experimento, a Marinha Real em 1761 tentou encaixar o casco da fragata HMS Alarm com revestimento de cobre de 12 onças. Após seu retorno de uma viagem às Índias Ocidentais, descobriu-se que embora o cobre permanecesse em boas condições e realmente dissuadisse o caruncho, ele também se destacou do casco de madeira em muitos lugares porque os pregos de ferro usados ​​durante sua instalação "foram encontrado dissolvido em uma espécie de pasta enferrujada ". Para surpresa das equipes de inspeção, no entanto, alguns dos pregos de ferro estavam virtualmente intactos. Uma inspeção mais detalhada revelou que um papel pardo resistente à água preso sob a cabeça do prego havia inadvertidamente protegido algumas das unhas: "Onde esta cobertura era perfeita, o ferro foi preservado de ferimentos". O revestimento de cobre foi entregue no estaleiro embrulhado no papel que nem sempre era retirado antes de as chapas serem pregadas ao casco. A conclusão, portanto, relatada ao Almirantado em 1763, era que o ferro não deveria ter contato direto com o cobre na água do mar.

Independência do navio de combate do litoral da Marinha dos EUA

A corrosão galvânica séria foi relatada no último ataque da Marinha dos EUA, o navio de combate litoral, o USS Independence, causado por sistemas de propulsão a jato de água de aço presos a um casco de alumínio. Sem isolamento elétrico entre o aço e o alumínio, o casco de alumínio atua como um ânodo para o aço inoxidável, resultando em corrosão galvânica agressiva.

Acessórios de iluminação corrosivos

A queda inesperada em 2011 de uma luminária pesada do teto do túnel veicular Big Dig em Boston revelou que a corrosão havia enfraquecido seu suporte. O uso impróprio de alumínio em contato com aço inoxidável causou corrosão rápida na presença de água salgada. A diferença de potencial eletroquímico entre o aço inoxidável e o alumínio está na faixa de 0,5 a 1,0  V, dependendo das ligas exatas envolvidas, e pode causar corrosão considerável em meses sob condições desfavoráveis. Milhares de lâmpadas com defeito teriam que ser substituídas, a um custo estimado de US $ 54 milhões.

Célula de lasanha

Uma " célula de lasanha " é produzida acidentalmente quando alimentos úmidos e salgados, como lasanhas, são armazenados em uma assadeira de aço e cobertos com papel alumínio. Depois de algumas horas, a folha desenvolve pequenos orifícios onde toca a lasanha, e a superfície do alimento fica coberta com pequenas manchas compostas de alumínio corroído. Neste exemplo, o alimento salgado (lasanha) é o eletrólito, a folha de alumínio é o ânodo e a panela de aço é o cátodo. Se a folha de alumínio tocar o eletrólito apenas em pequenas áreas, a corrosão galvânica é concentrada e a corrosão pode ocorrer rapidamente. Se a folha de alumínio não foi usada com um recipiente de metal diferente, a reação provavelmente foi química. É possível que grandes concentrações de sal, vinagre ou alguns outros compostos ácidos façam com que a folha se desintegre. O produto de qualquer uma dessas reações é um sal de alumínio. Não agride os alimentos, mas qualquer depósito pode conferir sabor e cor indesejáveis.

Limpeza eletrolítica

A técnica comum de limpeza de talheres por imersão da prata ou prata esterlina (ou mesmo apenas objetos folheados a prata) e um pedaço de alumínio (a folha é preferida por causa de sua área de superfície muito maior do que a dos lingotes, embora se a folha tiver um " face antiaderente, esta deve ser removida com lã de aço primeiro) em um banho eletrolítico quente (geralmente composto de água e bicarbonato de sódio , ou seja, bicarbonato de sódio doméstico) é um exemplo de corrosão galvânica. A prata escurece e corrói na presença de moléculas de enxofre transportadas pelo ar, e o cobre na prata esterlina corrói em uma variedade de condições. Essas camadas de corrosão podem ser amplamente removidas por meio da redução eletroquímica das moléculas de sulfeto de prata: a presença de alumínio (que é menos nobre do que a prata ou o cobre) no banho de bicarbonato de sódio separa os átomos de enxofre do sulfeto de prata e os transfere para e, assim, corrói o pedaço de folha de alumínio (um metal muito mais reativo), deixando para trás a prata elementar. Nenhuma prata é perdida no processo.

Prevenindo a corrosão galvânica

Ânodos de alumínio montados em uma estrutura revestida de aço

Painel elétrico para um sistema de proteção catódica

Existem várias maneiras de reduzir e prevenir esta forma de corrosão.

• Isole eletricamente os dois metais um do outro. Se eles não estiverem em contato elétrico, nenhum acoplamento galvânico ocorrerá. Isso pode ser alcançado usando materiais não condutores entre metais de diferentes eletropotenciais. A tubulação pode ser isolada com um carretel de tubo feito de materiais plásticos, ou feitos de material metálico revestido internamente ou forrado. É importante que a bobina tenha um comprimento suficiente para ser eficaz. Por razões de segurança, isso não deve ser tentado quando um sistema de aterramento elétrico usa a tubulação para seu aterramento ou possui ligação equipotencial .
• Os barcos de metal conectados a uma linha de alimentação elétrica em terra normalmente precisam ter o casco conectado à terra por razões de segurança. No entanto, o fim dessa conexão de terra provavelmente será uma haste de cobre enterrada dentro da marina, resultando em uma "bateria" de aço-cobre de cerca de 0,5 V. Para tais casos, o uso de um isolador galvânico é essencial, normalmente dois diodos semicondutores em série, em paralelo com dois diodos conduzindo na direção oposta (antiparalelo). Isso evita qualquer corrente enquanto a tensão aplicada for inferior a 1,4 V (ou seja, 0,7 V por diodo), mas permite uma corrente total no caso de uma falha elétrica. Ainda haverá um pequeno vazamento de corrente através dos diodos, o que pode resultar em uma corrosão um pouco mais rápida do que o normal.
• Certifique-se de que não haja contato com um eletrólito. Isso pode ser feito usando compostos repelentes de água, como graxas, ou revestindo os metais com uma camada protetora impermeável, como uma tinta, verniz ou plástico adequado. Caso não seja possível revestir os dois, o revestimento deve ser aplicado no mais nobre, no material de maior potencial. Isso é aconselhável porque se o revestimento for aplicado apenas no material mais ativo, em caso de dano ao revestimento, haverá uma grande área de cátodo e uma área de ânodo muito pequena, e para a área anódica exposta a taxa de corrosão será correspondentemente alta .
• O uso de pasta antioxidante é benéfico para prevenir a corrosão entre as conexões elétricas de cobre e alumínio. A pasta consiste em um metal de nobreza inferior do que o alumínio ou o cobre.
• Escolha metais que tenham eletropotenciais semelhantes. Quanto mais próximos forem os potenciais individuais, menor será a diferença de potencial e, portanto, menor será a corrente galvânica. Usar o mesmo metal para todas as construções é a maneira mais fácil de combinar potenciais.
• Galvanoplastia ou outra galvanização também podem ajudar. Isso tende a usar metais mais nobres que resistem melhor à corrosão. Cromo , níquel , prata e ouro podem ser usados. A galvanização com zinco protege o metal base do aço por ação anódica sacrificial.
• A proteção catódica usa um ou mais ânodos de sacrifício feitos de um metal que é mais ativo do que o metal protegido. Ligas de metais comumente usadas para ânodos de sacrifício incluem zinco, magnésio e alumínio . Essa abordagem é comum em aquecedores de água e muitas estruturas metálicas enterradas ou imersas.
• A proteção catódica também pode ser aplicada conectando uma fonte de alimentação elétrica de corrente contínua (DC) para se opor à corrente galvânica corrosiva. (Veja proteção catódica § CP de corrente impressa .)

Série galvânica

Escada de cabos de aço carbono galvanizado com corrosão em torno dos parafusos de aço inoxidável

Todos os metais podem ser classificados em uma série galvânica que representa o potencial elétrico que desenvolvem em um determinado eletrólito contra um eletrodo de referência padrão. A posição relativa de dois metais em tal série dá uma boa indicação de qual metal tem maior probabilidade de corroer mais rapidamente. No entanto, outros fatores, como aeração da água e taxa de fluxo, podem influenciar a taxa do processo de forma marcante.

Índice anódico

Ânodo de sacrifício para proteger um barco

A compatibilidade de dois metais diferentes pode ser prevista considerando seu índice anódico. Este parâmetro é uma medida da voltagem eletroquímica que será desenvolvida entre o metal e o ouro. Para encontrar a voltagem relativa de um par de metais, basta subtrair seus índices anódicos.

Para reduzir a corrosão galvânica para metais armazenados em ambientes normais, como armazenamento em depósitos ou ambientes sem temperatura e umidade controladas, não deve haver mais de 0,25  V de diferença no índice anódico dos dois metais em contato. Para ambientes controlados nos quais a temperatura e a umidade são controladas, 0,50  V pode ser tolerado. Para ambientes agressivos, como exteriores, alta umidade e ambientes salgados, não deve haver mais de 0,15  V de diferença no índice anódico. Por exemplo: ouro e prata têm uma diferença de 0,15  V, portanto, os dois metais não sofrerão corrosão significativa, mesmo em um ambiente hostil.

Quando as considerações de projeto exigem que metais diferentes entrem em contato, a diferença no índice anódico é geralmente gerenciada por acabamentos e chapeamento. O acabamento e chapeamento selecionados permitem que os materiais diferentes entrem em contato, enquanto protegem os materiais mais básicos da corrosão pelos mais nobres. Será sempre o metal com o índice anódico mais negativo que acabará por sofrer corrosão quando a incompatibilidade galvânica estiver em jogo. É por isso que talheres de prata esterlina e aço inoxidável nunca devem ser colocados juntos em uma máquina de lavar louça ao mesmo tempo, já que os itens de aço provavelmente sofrerão corrosão no final do ciclo (sabão e água servindo como eletrólito químico, e calor tendo acelerou o processo).

Veja também

• Corrosão
• Ânodo galvânico
• Série galvânica
• Galvanização

Referências

links externos