Ferrugem - Rust

A ferrugem é um óxido de ferro , geralmente um óxido marrom-avermelhado formado pela reação de ferro e oxigênio na presença catalítica de água ou umidade do ar . A ferrugem consiste em óxidos de ferro (III) hidratado (Fe 2 O 3 · nH 2 O) e óxido-hidróxido de ferro (III) (FeO (OH), Fe (OH) 3 ) e está tipicamente associada à corrosão do ferro refinado .

Com tempo suficiente, qualquer massa de ferro, na presença de água e oxigênio, poderia eventualmente se converter inteiramente em ferrugem. A ferrugem da superfície é comumente escamosa e friável , e não fornece proteção passivacional ao ferro subjacente, ao contrário da formação de pátina nas superfícies de cobre. Ferrugem é o termo comum para a corrosão do ferro elementar e suas ligas , como o aço . Muitos outros metais sofrem corrosão semelhante, mas os óxidos resultantes não são comumente chamados de "ferrugem".

Diversas formas de ferrugem são distinguíveis tanto visualmente quanto por espectroscopia e se formam em diferentes circunstâncias. Outras formas de ferrugem incluem o resultado de reações entre o ferro e o cloreto em um ambiente privado de oxigênio. O vergalhão usado em pilares de concreto subaquáticos , que gera ferrugem verde , é um exemplo. Embora a ferrugem seja geralmente um aspecto negativo do ferro, uma forma particular de ferrugem, conhecida como ferrugem estável , faz com que o objeto tenha uma fina camada de ferrugem na parte superior e, se mantido em baixa umidade relativa, torna a camada "estável" protetora para o ferro abaixo, mas não na extensão de outros óxidos, como óxido de alumínio no alumínio .

Reações químicas

Forte ferrugem nos elos de uma corrente perto da Ponte Golden Gate em São Francisco ; foi continuamente exposto à umidade e spray de sal , causando quebra da superfície, rachaduras e descamação do metal
A exibição externa do Rust Wedge no Exploratorium mostra a enorme força expansiva do ferro enferrujado após 3 anos e 4 meses de exposição
Creme de ferrugem se formando e descamando a partir de uma barra de aço aquecida até sua temperatura de forjamento de 1200 ° C. A oxidação rápida ocorre quando o aço aquecido é exposto ao ar

Ferrugem é um nome geral para um complexo de óxidos e hidróxidos de ferro, que ocorre quando o ferro ou algumas ligas que contêm ferro são expostos ao oxigênio e à umidade por um longo período de tempo. Com o tempo, o oxigênio se combina com o metal formando novos compostos chamados coletivamente de ferrugem. Embora a ferrugem possa geralmente ser denominada "oxidação", esse termo é muito mais geral e descreve um grande número de processos envolvendo a perda de elétrons ou o aumento do estado de oxidação, como parte de uma reação . A mais conhecida dessas reações envolve o oxigênio , daí o nome "oxidação". Os termos "ferrugem" e "ferrugem" significam apenas a oxidação do ferro e seus produtos resultantes. Existem muitas outras reações de oxidação que não envolvem ferro nem produzem ferrugem. Mas apenas o ferro ou ligas que contêm ferro podem enferrujar. No entanto, outros metais podem corroer de maneiras semelhantes.

O principal catalisador do processo de oxidação é a água. As estruturas de ferro ou aço podem parecer sólidas, mas as moléculas de água podem penetrar nas cavidades microscópicas e rachaduras em qualquer metal exposto. Os átomos de hidrogênio presentes nas moléculas de água podem se combinar com outros elementos para formar ácidos, o que eventualmente fará com que mais metal seja exposto. Se os íons cloreto estiverem presentes, como é o caso da água salgada, a corrosão provavelmente ocorrerá mais rapidamente. Enquanto isso, os átomos de oxigênio se combinam com átomos metálicos para formar o composto de óxido destrutivo. À medida que os átomos se combinam, eles enfraquecem o metal, tornando a estrutura frágil e quebradiça.

Oxidação de ferro

Quando o ferro está em contato com a água e o oxigênio, enferruja. Se houver sal , por exemplo na água do mar ou na névoa salina , o ferro tende a enferrujar mais rapidamente, como resultado de reações eletroquímicas . O metal de ferro é relativamente afetado pela água pura ou pelo oxigênio seco. Tal como acontece com outros metais, como o alumínio, um revestimento de óxido fortemente aderente, uma camada de passivação , protege o ferro a granel de oxidação posterior. A conversão da camada passivadora de óxido ferroso em ferrugem resulta da ação combinada de dois agentes, geralmente oxigênio e água.

Outras soluções degradantes são o dióxido de enxofre na água e o dióxido de carbono na água. Sob essas condições corrosivas, espécies de hidróxido de ferro são formadas. Ao contrário dos óxidos ferrosos, os hidróxidos não aderem ao metal a granel. À medida que se formam e se desprendem da superfície, o ferro fresco é exposto e o processo de corrosão continua até que todo o ferro seja consumido ou todo o oxigênio, água, dióxido de carbono ou dióxido de enxofre do sistema seja removido ou consumido.

Quando o ferro enferruja, os óxidos ocupam mais volume do que o metal original; essa expansão pode gerar forças enormes, danificando estruturas feitas de ferro. Veja o efeito econômico para mais detalhes.

Reações associadas

A ferrugem do ferro é um processo eletroquímico que começa com a transferência de elétrons do ferro para o oxigênio. O ferro é o agente redutor (libera elétrons), enquanto o oxigênio é o agente oxidante (ganha elétrons). A taxa de corrosão é afetada pela água e acelerada por eletrólitos , conforme ilustrado pelos efeitos do sal da estrada na corrosão dos automóveis. A principal reação é a redução do oxigênio:

O 2 + 4  e - + 2  H
2
O
→ 4  OH -

Por formar íons hidróxido , esse processo é fortemente afetado pela presença de ácido. Da mesma forma, a corrosão da maioria dos metais pelo oxigênio é acelerada em pH baixo . Fornecer os elétrons para a reação acima é a oxidação do ferro, que pode ser descrita como segue:

Fe → Fe 2+ + 2  e -

A seguinte reação redox também ocorre na presença de água e é crucial para a formação de ferrugem:

4 Fe 2+ + O 2 → 4 Fe 3+ + 2 O 2−

Além disso, as seguintes reações ácido-base de várias etapas afetam o curso da formação de ferrugem:

Fe 2+ + 2 H 2 O ⇌ Fe (OH) 2 + 2  H +
Fe 3+ + 3 H 2 O ⇌ Fe (OH) 3 + 3  H +

assim como os seguintes equilíbrios de desidratação :

Fe (OH) 2 ⇌ FeO + H
2
O
Fe (OH) 3 ⇌ FeO (OH) + H
2
O
2 FeO (OH) ⇌ Fe 2 O 3 + H
2
O

A partir das equações acima, também é visto que os produtos de corrosão são ditados pela disponibilidade de água e oxigênio. Com oxigênio dissolvido limitado, materiais contendo ferro (II) são favorecidos, incluindo FeO e magnetita preta ou magnetita (Fe 3 O 4 ). Altas concentrações de oxigênio favorecem materiais férricos com as fórmulas nominais Fe (OH) 3− x O x2 . A natureza da ferrugem muda com o tempo, refletindo as taxas lentas das reações dos sólidos.

Além disso, esses processos complexos são afetados pela presença de outros íons, como Ca 2+ , que servem como eletrólitos que aceleram a formação de ferrugem, ou se combinam com os hidróxidos e óxidos de ferro para precipitar uma variedade de Ca, Fe, O, OH espécies.

O aparecimento de ferrugem também pode ser detectado em laboratório com o uso de solução indicadora de ferroxil . A solução detecta íons Fe 2+ e íons hidroxila. A formação de íons Fe 2+ e íons hidroxila são indicados por manchas azuis e rosa, respectivamente.

Prevenção

Cor-Ten é um grupo de ligas de aço que foi desenvolvido para eliminar a necessidade de pintura e formar uma aparência de ferrugem estável após vários anos de exposição ao clima.

Devido ao uso difundido e à importância dos produtos de ferro e aço, a prevenção ou redução da ferrugem é a base das principais atividades econômicas em uma série de tecnologias especializadas. Uma breve visão geral dos métodos é apresentada aqui; para uma cobertura detalhada, consulte os artigos com referências cruzadas.

A ferrugem é permeável ao ar e à água, portanto, o ferro metálico interno sob uma camada de ferrugem continua a corroer. A prevenção da ferrugem, portanto, requer revestimentos que evitem a formação de ferrugem.

Ligas resistentes à ferrugem

O aço inoxidável forma uma camada de passivação de óxido de cromo (III) . Comportamento de passivação semelhante ocorre com magnésio , titânio , zinco , óxidos de zinco , alumínio , polianilina e outros polímeros condutores eletroativos.

Ligas especiais de " aço para intemperismo ", como Cor-Ten, enferrujam em uma taxa muito mais lenta do que o normal, porque a ferrugem adere à superfície do metal em uma camada protetora. Os projetos que usam este material devem incluir medidas que evitem exposições no pior caso, uma vez que o material ainda continua enferrujando lentamente, mesmo sob condições quase ideais.

Galvanização

A ferrugem interna em canos de água de ferro galvanizado pode resultar em água marrom e preta

A galvanização consiste na aplicação sobre o objeto a ser protegido de uma camada de zinco metálico por galvanização por imersão a quente ou galvanoplastia . O zinco é tradicionalmente usado porque é barato, tem boa aderência ao aço e fornece proteção catódica à superfície do aço em caso de danos à camada de zinco. Em ambientes mais corrosivos (como água salgada), o revestimento de cádmio é o preferido. A galvanização geralmente falha em costuras, orifícios e juntas onde há lacunas no revestimento. Nesses casos, o revestimento ainda fornece alguma proteção catódica parcial ao ferro, agindo como um ânodo galvânico e corroendo-se em vez do metal protegido subjacente. A camada protetora de zinco é consumida por esta ação e, portanto, a galvanização fornece proteção apenas por um período limitado de tempo.

Os revestimentos mais modernos adicionam alumínio ao revestimento como alume de zinco ; o alumínio migrará para cobrir arranhões e, assim, fornecer proteção por um período mais longo. Essas abordagens baseiam-se nos óxidos de alumínio e zinco para reproteger uma superfície uma vez arranhada, em vez de oxidar como um ânodo de sacrifício, como nos revestimentos galvanizados tradicionais. Em alguns casos, como em ambientes muito agressivos ou longa vida útil, tanto o zinco quanto um revestimento são aplicados para fornecer proteção aprimorada contra corrosão.

A galvanização típica de produtos de aço que devem ser submetidos ao desgaste normal do dia-a-dia em um ambiente externo consiste em um revestimento de zinco de 85 µm por imersão a quente  . Em condições meteorológicas normais, isso se deteriorará a uma taxa de 1 µm por ano, proporcionando aproximadamente 85 anos de proteção.

Proteção catódica

A proteção catódica é uma técnica usada para inibir a corrosão em estruturas enterradas ou imersas, fornecendo uma carga elétrica que suprime a reação eletroquímica. Se aplicado corretamente, a corrosão pode ser interrompida completamente. Em sua forma mais simples, isso é conseguido anexando um ânodo de sacrifício, tornando assim o ferro ou aço o cátodo na célula formada. O ânodo de sacrifício deve ser feito de algo com um potencial de eletrodo mais negativo do que o ferro ou aço, normalmente zinco, alumínio ou magnésio. O ânodo de sacrifício irá eventualmente corroer, cessando sua ação protetora, a menos que seja substituído em tempo hábil.

A proteção catódica também pode ser fornecida usando uma corrente elétrica aplicada. Isso seria então conhecido como Proteção Catódica por Corrente Impressa ICCP.

Revestimentos e pintura

Descamação da tinta, expondo uma mancha de ferrugem na superfície da folha de metal

A formação de ferrugem pode ser controlada com revestimentos, como tinta , laca , verniz ou fitas de cera que isolam o ferro do ambiente. Grandes estruturas com seções de caixa fechadas, como navios e automóveis modernos, muitas vezes têm um produto à base de cera (tecnicamente um "óleo derretido") injetado nessas seções. Esses tratamentos geralmente também contêm inibidores de ferrugem. Cobrir aço com concreto pode fornecer alguma proteção ao aço por causa do ambiente de pH alcalino na interface aço-concreto. No entanto, a ferrugem do aço no concreto ainda pode ser um problema, pois a ferrugem em expansão pode fraturar o concreto por dentro.

Como um exemplo intimamente relacionado, grampos de ferro foram usados ​​para unir blocos de mármore durante uma tentativa de restauração do Partenon em Atenas, Grécia , em 1898, mas causou danos extensos ao mármore devido à ferrugem e inchaço do ferro desprotegido. Os antigos construtores gregos usaram um sistema de fixação semelhante para os blocos de mármore durante a construção, no entanto, eles também derramaram chumbo derretido sobre as juntas de ferro para proteção contra choques sísmicos e também contra corrosão. Esse método foi bem-sucedido para a estrutura de 2.500 anos, mas em menos de um século os reparos grosseiros corriam o risco iminente de colapso.

Ferrugem, o exemplo mais familiar de corrosão

Quando apenas proteção temporária é necessária para armazenamento ou transporte, uma fina camada de óleo, graxa ou uma mistura especial como Cosmoline pode ser aplicada sobre uma superfície de ferro. Esses tratamentos são amplamente usados ​​quando " naftalina " um navio de aço, automóvel ou outro equipamento para armazenamento de longo prazo.

Misturas especiais de lubrificantes antigripantes estão disponíveis e são aplicadas a roscas metálicas e outras superfícies usinadas com precisão para protegê-las da ferrugem. Esses compostos geralmente contêm graxa misturada com pó de cobre, zinco ou alumínio e outros ingredientes patenteados.

Bluing

Bluing é uma técnica que pode fornecer resistência limitada à ferrugem para pequenos itens de aço, como armas de fogo; para ter sucesso, um óleo de deslocamento de água é esfregado no aço azulado e em outros tipos de aço.

Inibidores

Inibidores de corrosão, como inibidores de fase gasosa ou voláteis, podem ser usados ​​para prevenir a corrosão dentro de sistemas vedados. Eles não são eficazes quando a circulação de ar os dispersa e traz oxigênio fresco e umidade.

Controle de umidade

A ferrugem pode ser evitada controlando a umidade da atmosfera. Um exemplo disso é o uso de pacotes de sílica gel para controle de umidade em equipamentos embarcados por via marítima.

Tratamento

A remoção de ferrugem de pequenos objetos de ferro ou aço por eletrólise pode ser feita em uma oficina doméstica usando materiais simples, como um balde de plástico cheio de um eletrólito que consiste em carbonato de sódio dissolvido em água da torneira , um pedaço de vergalhão suspenso verticalmente na solução para atuar como um ânodo , outro colocado na parte superior do balde para atuar como um suporte para suspender o objeto, arame de enfardamento para suspender o objeto na solução do vergalhão horizontal e um carregador de bateria como fonte de energia em que o terminal positivo é preso ao ânodo e o terminal negativo é preso ao objeto a ser tratado que se torna o cátodo .

A ferrugem pode ser tratada com produtos comerciais conhecidos como conversor de ferrugem, que contêm ácido tânico ou ácido fosfórico que se combina com a ferrugem; removido com ácidos orgânicos como ácido cítrico e vinagre ou o ácido clorídrico mais forte ; ou removido com agentes quelantes como em algumas formulações comerciais ou mesmo uma solução de melaço .

Efeito econômico

O vergalhão enferrujado expandiu e lascou o concreto da superfície deste suporte de concreto armado

A ferrugem está associada à degradação de ferramentas e estruturas à base de ferro. Como a ferrugem tem um volume muito maior do que a massa de ferro originária, seu acúmulo também pode causar falha ao forçar as partes adjacentes - um fenômeno às vezes conhecido como "embalagem de ferrugem". Foi a causa do colapso da ponte do rio Mianus em 1983, quando os rolamentos enferrujaram internamente e empurraram um canto da laje da estrada para fora de seu suporte.

A ferrugem foi um fator importante no desastre da Silver Bridge em 1967 na Virgínia Ocidental , quando uma ponte pênsil de aço desabou em menos de um minuto, matando 46 motoristas e passageiros na ponte na época. A ponte Kinzua, na Pensilvânia, foi destruída por um tornado em 2003, principalmente porque os parafusos da base central que prendiam a estrutura ao solo enferrujaram, deixando a ponte ancorada apenas pela gravidade.

O concreto armado também é vulnerável a danos por ferrugem. A pressão interna causada pela expansão da corrosão do aço e do ferro revestidos de concreto pode causar a fragmentação do concreto , criando graves problemas estruturais. É um dos modos de falha mais comuns de pontes e edifícios de concreto armado .

Simbolismo cultural

A ferrugem é uma metáfora comumente usada para decadência lenta devido à negligência, uma vez que converte gradualmente o ferro robusto e o metal de aço em um pó macio que se desintegra. Uma grande parte do meio-oeste americano industrializado e do nordeste americano , antes dominado por fundições de aço , indústria automotiva e outros fabricantes, passou por severos cortes econômicos que fizeram com que a região fosse apelidada de " Cinturão da Ferrugem ".

Na música, literatura e arte, a ferrugem está associada a imagens de glória desbotada, abandono, decadência e ruína.

Galeria

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos