Ferrugem no aço: Por que ela ocorre e maneiras eficazes de eliminá-la

O aço é parte integrante de nossa vida cotidiana e de nossa produção, mas a quantidade de aço perdida em todo o mundo devido à ferrugem a cada ano é imensa. Portanto, a proteção do aço contra a corrosão tem uma importância significativa.

Qual é o princípio por trás da oxidação do aço?

Podemos explorar isso por meio de um pequeno experimento, conforme mostrado na 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 de secagem) e inserimos um prego, fechando bem o tubo de ensaio.

No segundo tubo de ensaio, inserimos um prego, submergimos em água destilada que foi fervida e rapidamente resfriada e, em seguida, despejamos óleo vegetal para formar uma camada de óleo na superfície da água.

No terceiro tubo de ensaio, inserimos um prego e adicionamos uma pequena quantidade de água destilada para que parte do prego fique submersa. Observamos e registramos os fenômenos nos três tubos de ensaio regularmente durante uma semana.

Com base nos resultados do experimento, 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 uma ferrugem marrom-avermelhada apareceu na superfície do prego. Isso mostra que a oxidação do ferro requer o envolvimento de água e oxigênio.

O processo de corrosão de produtos de ferro e aço é uma reação química complexa. A ferrugem, normalmente de cor marrom-avermelhada, assume diferentes formas sob várias condições. Ela consiste principalmente de 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 oxigênio e ao vapor de água, o que acaba levando ao enferrujamento completo do ferro.

Você sabe como remover a ferrugem de uma superfície de ferro?

Os métodos comuns de remoção de ferrugem se enquadram em duas categorias: físicos e químicos. Os métodos físicos geralmente envolvem técnicas abrasivas, usando lixas, rebolos, escovas 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 remover a ferrugem.

Na verdade, manter os produtos de aço isolados da água e do oxigênio pode evitar a ferrugem. Portanto, o método mais simples de evitar a ferrugem é manter uma superfície limpa e seca nos produtos de aço. A prevenção da ferrugem também pode ser obtida com a formação de uma camada protetora na superfície, usando óleo, tinta, esmalte ou revestimento plástico.

Na vida cotidiana, medidas como a pintura são frequentemente aplicadas em objetos como carrocerias de carros e baldes, enquanto as máquinas exigem um revestimento de óleo mineral.

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

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

Os removedores de ferrugem comuns na vida cotidiana 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 por meio de rachaduras nas camadas de ferrugem e impureza, fazendo com que essas camadas se dissolvam e se desprendam, removendo assim a ferrugem, as impurezas e a camada de óxido da superfície do aço. Entretanto, os ácidos têm propriedades corrosivas, portanto, é necessário usar roupas de proteção durante a remoção da ferrugem.

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

Tanto o ácido clorídrico quanto o ácido sulfúrico diluído podem 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 de ferrugem, o custo de produção do ácido, o transporte e o armazenamento do ácido, além da segurança e da proteção ambiental.

Qual é mais eficiente na remoção de ferrugem, o ácido clorídrico ou o ácido sulfúrico? Ao colocar pregos enferrujados em volumes e concentrações de íons de hidrogênio iguais de ácido clorídrico e sulfúrico, descobrimos que o ácido clorídrico é mais eficaz na remoção da ferrugem. Os experimentos também mostram que, se todo o resto for igual, a taxa de reação do ácido sulfúrico diluído com óxidos metálicos é mais lenta do que a do ácido clorídrico.

Então, em termos de produção, transporte e uso seguro, qual é a vantagem: o ácido clorídrico ou o ácido sulfúrico? A preparação industrial do ácido clorídrico envolve a eletrólise de salmoura saturada para produzir gases de hidrogênio e cloro. Os gases reagem para formar cloreto de hidrogênio, que é absorvido pela água para formar o ácido clorídrico.

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

Portanto, 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 lacrados e transportado em caminhões-tanque de aço especialmente fabricados e revestidos com borracha.

O ácido sulfúrico concentrado pode ter uma fração de massa de até 98%, e seu armazenamento e transporte podem ser facilitados com o uso de contêineres de aço ou alumínio. Nesse aspecto, o ácido sulfúrico é mais forte do que o ácido clorídrico.

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

O ácido sulfúrico concentrado precisa ser diluído antes do uso. Essa 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. A partir disso, pode-se deduzir que o uso do ácido clorídrico é mais seguro.

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

Além disso, também podemos fazer um removedor de ferrugem relativamente ecológico em um laboratório de química. A primeira etapa é colocar 18 g de ácido cítrico, 0,8 g de dextrina, 3 g de molibdato de sódio, 1,1 g de ácido fosfórico e 60 g de água em um tanque de mistura e mexer uniformemente em temperatura ambiente por 30 minutos.

Na segunda etapa, 8 g de glicerina são adicionados à solução mista e agitados uniformemente em temperatura ambiente por 10 minutos a uma velocidade de agitação de 25r/min. Na terceira etapa, 0,06 g de iodeto de sódio é adicionado à solução mista e agitado uniformemente em temperatura ambiente por 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 meio ambiente. A glicerina pode aumentar a adesão do removedor de ferrugem à superfície do metal. Além disso, esse removedor de ferrugem não apenas remove a ferrugem, mas também tem propriedades antiferrugem.

Embora a oxidação do aço leve à perda de recursos metálicos, esse processo também tem suas vantagens. Por exemplo, o pó de ferro, um ingrediente fundamental dos absorvedores de oxigênio frequentemente encontrados em embalagens de doces, aproveita o princípio da oxidação para consumir oxigênio, evitando assim a deterioração dos alimentos.

Além disso, a oxidação do ferro é uma reação exotérmica. Esse fenômeno foi aproveitado para produzir "adesivos de aquecimento". Os principais componentes de um adesivo de aquecimento incluem pó de ferro, vermiculita, carvão ativado, sais inorgânicos (como o sal de cozinha) e água. Em condições naturais, a taxa da reação de oxidação do ferro é lenta.

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

Em um laboratório de química, nós mesmos podemos fazer esses adesivos de aquecimento. Misturando pó de ferro, carvão ativado, sal de cozinha e vermiculita em uma proporção de massa de 5:2:2:2. Essa mistura (a vermiculita é opcional) é despejada em um béquer, são adicionadas algumas gotas de água e ela é bem misturada com um bastão de vidro.

Em seguida, é embalado em um saco de tecido não tecido e selado em um saco autovedante (ou usando um selador de plástico). Quando necessário, ele pode ser retirado para uso. Observe que quanto mais finas forem as partículas de pó de ferro e carvão ativado (idealmente 100 mesh para pó de ferro e 150 mesh para carvão ativado), mais rápida será a reação e mais perceptível será o aumento da temperatura.