Ferrugem no aço: Porque é que ocorre e formas eficazes de a eliminar

O aço é uma parte integrante da nossa vida quotidiana e da nossa produção, mas a quantidade de aço que se perde anualmente em todo o mundo devido à ferrugem é imensa. Por conseguinte, a proteção do aço contra a corrosão reveste-se de grande importância.

Qual é o princípio subjacente à oxidação do aço?

Podemos explorar este facto através de uma pequena experiência, como mostra a figura abaixo: No primeiro tubo de ensaio, adicionamos uma pequena quantidade de cloreto de cálcio (que absorve o vapor de água do ar, desempenhando um papel secante) e inserimos um prego, fechando bem o tubo de ensaio.

No segundo tubo de ensaio, introduzimos um prego, submergimo-lo em água destilada, fervida e rapidamente arrefecida, e depois deitamos óleo vegetal para formar uma camada de óleo na superfície da água.

No terceiro tubo de ensaio, colocamos um prego e adicionamos uma pequena quantidade de água destilada de modo a que parte do prego fique submerso. Observamos e registamos os fenómenos nos três tubos de ensaio regularmente durante uma semana.

A partir dos resultados da experiência, podemos ver que os pregos do primeiro e do segundo tubos de ensaio não enferrujaram, mas o prego do terceiro tubo de ensaio enferrujou e apareceu uma ferrugem castanha-avermelhada na superfície do prego. Isto mostra que a oxidação do ferro requer a participação de água e oxigénio.

O processo de corrosão dos produtos de ferro e aço é uma reação química complexa. A ferrugem, tipicamente de cor castanho-avermelhada, assume diferentes formas sob várias condições. É constituída principalmente por óxido de ferro (III) hidratado (Fe2O3-nH2O) e hidróxido de ferro (III) [Fe(OH)3]. A estrutura solta da ferrugem na superfície do aço não consegue impedir que o ferro interno seja exposto ao oxigénio e ao vapor de água, o que acaba por conduzir à oxidação completa do ferro.

Sabe como remover a ferrugem de uma superfície de ferro?

Os métodos comuns de remoção de ferrugem dividem-se em duas categorias: físicos e químicos. Os métodos físicos envolvem geralmente técnicas abrasivas, utilizando lixa, mós, escovas de arame de aço e palha de aço para remover a ferrugem. Os métodos químicos envolvem uma reação entre um ácido e a ferrugem, com o objetivo de a remover.

De facto, manter os produtos de aço isolados da água e do oxigénio pode evitar a ferrugem. Por conseguinte, o método mais simples para evitar a ferrugem consiste em manter uma superfície limpa e seca nos produtos de aço. A prevenção da ferrugem também pode ser conseguida através da formação de uma camada protetora na superfície, utilizando óleo, tinta, esmalte ou revestimento de plástico.

Na vida quotidiana, medidas como a pintura são frequentemente aplicadas em objectos como carroçarias de automóveis e baldes, enquanto as máquinas requerem um revestimento de óleo mineral.

Além disso, podem ser utilizados métodos como a galvanoplastia ou o revestimento por imersão a quente para aplicar uma camada de metal resistente à ferrugem, como o zinco, o estanho, o crómio ou o níquel, na superfície do aço. Estes metais criam uma camada densa de película de óxido, impedindo a oxidação do ferro, isolando-o da água e do ar.

Além disso, o aço pode ser ligado para alterar a sua estrutura interna, por exemplo, adicionando crómio ou níquel ao aço normal para produzir aço inoxidável, aumentando efetivamente a resistência à ferrugem dos produtos de aço.

Os removedores de ferrugem comuns na vida quotidiana contêm principalmente ácido clorídrico e ácido sulfúrico diluído, que podem reagir com o óxido de ferro. As equações de reação são:

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

Os removedores de ferrugem penetram na superfície do aço através de fissuras nas camadas de ferrugem e de impurezas, fazendo com que estas camadas se dissolvam e se desprendam, removendo assim a ferrugem, as impurezas e a pele de óxido da superfície do aço. No entanto, os ácidos têm propriedades corrosivas, pelo que é necessário vestuário de proteção durante a remoção da ferrugem.

Além disso, a reação entre o ácido e o ferro produz hidrogénio, que pode explodir quando exposto a chamas abertas, pelo que é estritamente proibido fumar durante as operações de remoção de ferrugem.

O ácido clorídrico e o ácido sulfúrico diluído podem ambos reagir com o óxido de ferro, mas qual é o melhor para a remoção de ferrugem industrial?

As principais considerações são a eficiência da remoção da ferrugem, o custo de produção do ácido, o transporte e o armazenamento do ácido, bem como a segurança e a proteção do ambiente.

Qual é mais eficiente na remoção de ferrugem, o ácido clorídrico ou o ácido sulfúrico? Colocando pregos ferrugentos em volumes e concentrações de iões de hidrogénio iguais de ácido clorídrico e ácido sulfúrico, descobrimos que o ácido clorídrico é mais eficaz na remoção da ferrugem. As experiências também mostram que, se tudo o resto for igual, a taxa de reação do ácido sulfúrico diluído com óxidos metálicos é mais lenta do que a do ácido clorídrico.

Assim, em termos de produção, transporte e utilização segura, qual é a vantagem do ácido clorídrico ou do ácido sulfúrico? A preparação industrial do ácido clorídrico envolve a eletrólise de salmoura saturada para produzir gases de hidrogénio e cloro. Os gases reagem para formar cloreto de hidrogénio, que é absorvido pela água para formar ácido clorídrico.

O cloreto de hidrogénio não se pode dissolver na água indefinidamente, pelo que o ácido clorídrico concentrado tem uma fração de massa de soluto de cerca de 37%, no máximo. O ácido sulfúrico, por outro lado, é produzido pela torrefação da pirite a altas temperaturas para produzir dióxido de enxofre, que reage com o oxigénio para formar trióxido de enxofre. O trióxido é absorvido pelo ácido sulfúrico concentrado para formar oleum, que é depois convertido em ácido sulfúrico por adição de água.

Por conseguinte, em termos de matérias-primas, processo de preparação e impacto ambiental, o ácido clorídrico é superior ao ácido sulfúrico. O ácido clorídrico concentrado deve ser armazenado em garrafas de vidro ou barris de plástico selados e transportado em camiões-cisterna de aço especialmente fabricados e revestidos de borracha.

O ácido sulfúrico concentrado pode ter uma fração mássica de até 98%, e o seu armazenamento e transporte podem ser facilitados utilizando recipientes de aço ou alumínio. Neste aspeto, o ácido sulfúrico é mais forte do que o ácido clorídrico.

O ácido clorídrico com uma maior fração de massa de soluto é volátil, e o gás de cloreto de hidrogénio evaporado tem um forte efeito irritante e corrosivo no corpo humano, enquanto o ácido clorídrico com uma menor fração de massa de soluto é relativamente estável.

O ácido sulfúrico concentrado tem de ser diluído antes de ser utilizado. Esta diluição produz uma quantidade significativa de calor, que pode facilmente causar queimaduras. Além disso, a corrosividade do ácido sulfúrico concentrado é muito maior do que a do ácido clorídrico concentrado. Por conseguinte, pode concluir-se que a utilização do ácido clorídrico é mais segura.

Com base nas informações acima, é evidente que o ácido clorídrico oferece melhores efeitos de remoção de ferrugem, custos mais baixos e uma utilização mais segura.

Adicionalmente, também podemos fazer um removedor de ferrugem relativamente amigo do ambiente num laboratório de química. O primeiro passo é colocar 18g de ácido cítrico, 0,8g de dextrina, 3g de molibdato de sódio, 1,1g de ácido fosfórico e 60g de água num tanque de mistura e mexer uniformemente à temperatura ambiente durante 30 minutos.

Na segunda fase, adicionam-se 8 g de glicerina à solução mista e agita-se uniformemente à temperatura ambiente durante 10 minutos a uma velocidade de agitação de 25 r/min. Na terceira etapa, adiciona-se 0,06 g de iodeto de sódio à solução mista e agita-se uniformemente à temperatura ambiente durante 30 minutos a uma velocidade de agitação de 25r/min.

A substituição do ácido clorídrico e do ácido sulfúrico diluído por ácido cítrico pode resolver o problema atual do removedor de ferrugem que polui o ambiente. A glicerina pode melhorar a adesão do removedor de ferrugem à superfície do metal. Além disso, este removedor de ferrugem não só remove a ferrugem, mas também tem propriedades anti-ferrugem.

Embora a oxidação do aço conduza a uma perda de recursos metálicos, este processo também tem as suas vantagens. Por exemplo, o pó de ferro, um ingrediente-chave nos absorvedores de oxigénio frequentemente encontrados nas embalagens de produtos de pastelaria, aproveita o princípio da ferrugem para consumir oxigénio, evitando assim a deterioração dos alimentos.

Além disso, a oxidação do ferro é uma reação exotérmica. Este fenómeno tem sido aproveitado para produzir "manchas de aquecimento". Os componentes primários de uma mancha de aquecimento incluem pó de ferro, vermiculite, carvão ativado, sais inorgânicos (como o sal de mesa) e água. Em condições naturais, a velocidade da reação de oxidação do ferro é lenta.

Para acelerar esta reação, é utilizado um pó de ferro fino com uma grande área de superfície. O papel do carvão ativado é formar uma célula primária para promover a reação, enquanto a sua forte capacidade de adsorção armazena a água na sua estrutura solta. Os sais inorgânicos trabalham com o carvão ativado para formar uma célula primária e promover a reação. A vermiculite, um mineral de aluminossilicato de ferro e magnésio, serve como meio de armazenamento térmico.

Num laboratório de química, podemos fazer nós próprios estes pensos de aquecimento. Misturando pó de ferro, carvão ativado, sal de mesa e vermiculite numa proporção em massa de 5:2:2:2. Deita-se esta mistura (a vermiculite é opcional) num copo, juntam-se algumas gotas de água e mistura-se bem com uma vareta de vidro.

Em seguida, é embalado num saco de tecido não tecido e selado dentro de um saco auto-vedante (ou utilizando um selador de plástico). Quando necessário, pode ser retirado para ser utilizado. É de notar que quanto mais finas forem as partículas de pó de ferro e de carvão ativado (idealmente 100 malhas para o pó de ferro e 150 malhas para o carvão ativado), mais rápida é a reação e mais percetível é o aumento da temperatura.