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REPRODUÇÃO DO EXPERIMENTO DA GOTA SALINA COM
CARACTERIZAÇÃO DE MATERIAIS: UMA VISÃO INTERDISCIPLINAR
C. V. C. Moreira1, J. A. Cirino1, J. V. S. L. Beltrão1, J. V. S. Pereira1, L. H. G. da
Silva1, L. M. C. da Silva, R. A. Galvão1,2, R. R. M. Silva1, R. F. A. Sarinho1,2, T. M. F.
dos Anjos1, T. V. C. Silva1, M. R. S. Vieira1,§
1 Departamento de Engenharia Mecânica (DEMEC), Centro de Tecnologia e
Geociências (CTG), Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, Recife-PE,
Brasil.
2 Centro de Tecnologias Estratégicas do Nordeste (CETENE), Recife-PE, Brasil.
Resumo
A natureza do processo de corrosão foi comprovada pela primeira vez, em 1926,
por Evans, que desenvolveu um experimento conhecido como Gota Salina,
permitindo ilustrar a ocorrência de uma pilha de ação local, por meio de um
experimento de baixo custo. O presente trabalho teve por objetivo reproduzir o
experimento da gota salina em chapas de aço estrutural (ASTM 572 Gr50) e tampas
metálicas de refrigerante, visando identificar e comprovar a natureza eletroquímica
do processo corrosivo e realizar a caracterização desses materiais com estudantes
do curso de engenharia de materiais da UFPE, visando uma abordagem
interdisciplinar. Para a obtenção da gota salina utilizou-se uma solução de NaCl
(3,5%), contendo os indicadores ferricianeto de potássio e fenolftaleína. As técnicas
usadas para analisar a morfologia e a composição dos produtos de corrosão foram:
microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura e Espectroscopia de Energia
Dispersiva.
Palavras-Chave: Corrosão, Gota Salina, Experimento de Evans, Engenharia de
Materiais, Interdisciplinaridade.
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INTRODUÇÃO
Em nosso dia a dia damos pouca atenção a fenômenos que parecem
corriqueiros, como grades e maçanetas enferrujadas, e não nos perguntamos o que
leva àquela situação. A ferrugem nada mais é do que óxido de ferro hidratado
(Fe2O3.H2O), formado pela interação entre um material ferroso e o meio ambiente ao
qual está exposto, que em nosso cotidiano está representado pela atmosfera, a qual
é rica em oxigênio e, dependendo da localização geográfica, possui maior ou menor
quantidade de vapor d’água.
Para que o processo corrosivo ocorra é necessária a presença de quatro
componentes básicos: eletrólito - meio condutor, responsável pela transferência
eletrônica; anodo - eletrodo que sofre corrosão; catodo - eletrodo no qual ocorre a
reação de redução; contato metálico - ligação entre os eletrodos. Esses são os
elementos que compõem as pilhas de corrosão, entretanto dizer que é necessária a
presença de catodo, anodo e contato metálico não é o mesmo que dizer que são
necessários três diferentes materiais, pois eles podem estar presentes em uma
mesma peça metálica pela presença de heterogeneidades na estrutura, as quais
levam à formação de áreas anódicas e catódicas em um mesmo metal - o contato
metálico, neste caso, é a própria peça(1).
O eletrólito, por outro lado, é sempre representado por uma fase a parte,
contendo espécies iônicas, as quais estão presentes como um líquido depositado
sobre o metal ou na forma de vapor. Dentre as espécies iônicas mais discutidas em
relação a meios corrosivos estão os íons cloretos (Cl-), pois estes possuem elevado
poder corrosivo, em especial nos aços, além de estarem presentes em atmosferas
comuns - litorâneas, industriais, próximas a piscinas, etc. -, constituindo-se como
potenciais agentes corrosivos.
Devido ao grande impacto do processo corrosivo no meio industrial, agravado
quando em ambientes litorâneos devido à presença dos íons cloreto, sendo esta
uma realidade do Complexo Industrial e Portuário de SUAPE (Ipojuca – PE), o qual
está situado em local próximo à Universidade onde esse estudo foi desenvolvido,
uma formação diferenciada nesta área é relevante para uma boa formação dos
estudantes de engenharia. Neste contexto, alinhar conhecimentos teóricos e práticos
atua como uma maneira de solidificar a base do estudante para desafios que irão
surgir em sua vida profissional.
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Um modo prático de acompanhar interações que ocorrem em ambientes
marítimos e que exercem influência no processo corrosivo é através do experimento
de Evans, que consiste em depositar uma gota de solução salina (NaCl) contendo
indicadores de íons ferrosos e de pH (composto por fenolftaleína e ferricianeto de
potássio) a superfície de uma chapa de aço previamente limpa. Apesar de
relativamente simples, o experimento traz a possibilidade de abordar de maneira
prática conceitos relacionados à eletroquímica e à química, como transferência de
elétrons, movimento de íons, reações redox, catodo, anodo, célula eletroquímica,
agente oxidante, agente redutor, solubilidade, indicadores ácido-base, pH, cinética
de uma reação e equilíbrio químico(2). Com isso, a experiência se torna um
importante parceiro na prática pedagógica do ensino de corrosão, permitindo aliar os
conhecimentos teóricos aos práticos.
O presente trabalho teve como objetivo reproduzir o experimento da gota salina
em chapas de aço estrutural (ASTM 572 Gr50) e tampas metálicas de refrigerante,
visando acompanhar o efeito dos íons cloreto no processo corrosivo a partir da
formação de micropilhas de concentração diferencial, realizando a caracterização
desses materiais com estudantes do curso de engenharia de materiais da UFPE,
visando uma abordagem interdisciplinar da temática corrosão.
METODOLOGIA
Na presente prática foi adotado o procedimento experimental proposto pela
professora orientadora, o qual está descrito a seguir. Foi solicitado à turma a entrega
de relatório técnico acerca das atividades realizadas.
Preparo dos Corpos de Prova
Foram utilizados como corpos de prova barras de aço carbono estrutural ASTM
572 Gr50 e tampinhas metálicas de refrigerante. Todos os corpos de prova foram
lixados em uma politriz para lixamento mecânico utilizando diferentes granulometrias
(220, 320 e 600, 800 e 1200#) como tratamento superficial.
Após lixamento, as amostras foram lavadas com água destilada, e submetidas
à lavagem em banho ultrassônico em isopropanol (5 minutos) e acetona (5 minutos)
de forma a remover oleosidades e outras sujidades presentes na superfície do
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material. Por último, os corpos de prova foram secos com jato de ar quente durante
3 minutos.
Preparo de Solução Utilizada no Experimento da Gota Salina
Para preparo da solução utilizada no experimento a gota salina, fez-se uso de
solução aquosa a 3,5% m/v (solução I) de NaCl e como indicadores foram utilizadas
uma solução de ferricianeto de potássio 1% m/V em meio aquoso e solução
etanólica de fenolftaleína 1% m/v. A solução da gota salina (solução IV) foi obtida
misturando-se 100 mL da solução I com 3,0 mL da solução II e 0,5 mL da solução III.
Ensaio da Gota Salina
Sobre a superfície dos corpos de prova previamente lixados e limpos, verteu-se
gota (cerca de 0,5 mL) da solução IV. Paralelamente uma amostra foi levada para o
microscópio ótico para registro, onde teve uma gota de aproximadamente 10 uL
vertida em sua superfície. As alterações superficiais observadas nas amostras
submetidas à gota de 1 mL foram registradas por meio de câmera fotográfica digital
e foi utilizada lupa para que pudessem ser melhor observadas durante a realização
do experimento.
Caracterização das amostras submetidas ao ensaio da gota salina
A microestrutura foi analisada por meio de microscopia óptica (MO) e
microscopia eletrônica de varredura (MEV) com Espectrômetro por Energia
Dispersiva (EDS) acoplado, em três regiões da gota (centro, borda e intermediária).
Após análise inicial, as amostras foram lixadas suavemente com lixa 1200# para
remoção dos produtos de corrosão, lavadas com etanol e secas ao ar quente, para
então serem novamente analisadas por MO e MEV. Uma amostra do metal base foi
preparada para análise comparativa aos corpos de prova ensaiados.
Elaboração e Aplicação de Questionário Avaliativo
Após entrega dos relatórios a turma foi convidada a avaliar a atividade por meio
de um questionário baseado na escala Likert (1932)(3), onde foram propostas as
categorias: discordo plenamente(1); discordo parcialmente(2); indiferente (3);
concordo parcialmente (4) e concordo plenamente(5). O questionário utilizado nessa
pesquisa é apresentado no Quadro 1.
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Quadro 1: Questionário aplicado à turma para avaliação da aceitação da atividade
proposta.
N Proposições 1 2 3 4 5
1 O experimento proposto possibilitou a consolidação da temática corrosão.
2 Os procedimentos experimentais foram de fácil execução.
3 O experimento proporcionou uma abordagem interdisciplinar com outros conteúdos do curso de engenharia de materiais.
4 A prática da gota salina é capaz de abordar a temática corrosão de forma contextualizada.
5 A associação do experimento da gota salina com técnicas de caracterização microscópicas permitiu uma melhor compreensão sobre o fenômeno de corrosão.
6 A execução da atividade em grupos proporcionou uma efetiva interatividade para discussão das observações experimentais efetuadas.
7 A proposta de execução de um relatório sobre o experimento promoveu integração entre a teoria e a prática.
8 Atividades desta natureza despertam um maior interesse pela disciplina.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Acompanhamento do experimento
Imediatamente após a deposição da gota foi observada a formação de regiões
de coloração azulada e de regiões de coloração rosada distribuídas de forma
aleatória, conforme Figura 1a. As regiões de cor azulada se devem à alteração de
cor do indicador ferricianeto de potássio em presença de íons ferrosos, enquanto as
regiões rosadas, ao indicador fenolftaleína em presença de OH-. Essa distribuição
aleatória está relacionada a uma não-uniformidade da quantidade de oxigênio no
interior da solução. Nessa etapa, o oxigênio que participa da reação redox é apenas
aquele contido na gota. O metal terá a função de redutor, cedendo elétrons para o
meio corrosivo, e o receptor de elétrons estará no mesmo ponto da superfície do
metal.
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Figura 1. Modificações na superfície observadas ao longo do ensaio da gota salina em função do tempo: (a) imediatamente após deposição da gota; (b) após 2 minutos; (c) após 5 minutos;
(d) após 8 minutos, (e) após 13 minutos e (f) após 30minutos.
Observações das superfícies nos tempos seguintes mostram a alteração de
uma distribuição primária aleatória para uma distribuição ordenada (figuras 1b-1e),
ficando a área rósea na periferia da gota e a área azul no centro (distribuição
secundária), com a formação de um anel incolor e um precipitado de coloração
marrom entre as duas áreas (Figura 1f).
A mudança do tipo de distribuição iônica, observada no experimento, ocorre
devido ao consumo de todo o oxigênio no interior da solução nos primeiros minutos
após a deposição da gota; como as regiões mais externas da gota estão em contato
direto com o meio, o qual é aerado, irá ocorrer difusão do oxigênio da superfície para
o interior da gota, levando à existência de oxigênio disponível nesta região para que
ocorra a formação de íons OH-, responsáveis pela coloração rosa observada nos
tempos posteriores, após o consumo do oxigênio dissolvido na solução. Nessa
etapa, o oxigênio atmosférico é responsável por repor o oxigênio consumido na
semirreação de redução.
Conforme dito anteriormente, o indicador ferricianeto de potássio adquire
coloração azulada pela presença de íons ferrosos, os quais seguem a reação
descrita na equação (1). Como neste caso há elétrons como produtos da reação,
temos que esta se trata de uma reação de oxidação e, consequentemente, esta será
a região anódica da pilha de corrosão formada.
Fe → Fe2+ + 2e- Eq. (1)
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Já o indicador fenolftaleína adquire coloração rósea pela formação de íons
hidroxila ocasionada pelo consumo do oxigênio dissolvido na solução, de acordo
com a reação da equação (2). Aqui há consumo de elétrons para que a reação
ocorra, logo se trata de uma reação de redução. Portanto, as regiões da solução que
adquirem esta coloração se encontram na região catódica da pilha de corrosão.
O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- Eq. (2)
A equação 2 é conhecida também como reação de redução do oxigênio em
água. Esta reação ocorre graças aos elétrons que são gerados pela reação anódica
e que se deslocam através do metal da região azul para a região rosa, isto é, da
região anódica para a região catódica.
Assim, as duas reações acima ocorrem simultaneamente graças à passagem
de corrente elétrica através do metal, seguindo o fluxo da região em que ocorre
dissolução do metal (região anódica) para a região em que ocorre a redução do
oxigênio (região catódica). Estas reações, de natureza eletroquímica, constituem-se
em reações básicas do processo corrosivo que tem lugar dentro da gota salina.
A interação entre as espécies geradas nos eletrodos (regiões anódica e
catódica) e o oxigênio do meio leva à formação de um composto intermetálico
insolúvel (Equação 3), responsável pela formação do anel esbranquiçado visto na
Figura 1f, bem como do produto de corrosão (Equação 4), de cor marrom, melhor
observado na Figura 2.
2Fe2+ + 4OH- + ½ O2 → 2FeOOH + H2O Eq. (3)
8FeOOH + Fe2+ + 2e- → 3Fe3O4 + 4H2O Eq. (4)
Comparando as imagens da Figura 1f com a Figura 2 vemos que esse modelo
é válido, pois a região da superfície metálica que se encontrava abaixo da região da
gota que possuía coloração rósea não sofreu corrosão.
A partir da análise das imagens obtidas por MEV (Figura 3) é possível ver o
efeito corrosivo da solução salina na superfície do aço, bem como as diferenças
estruturais das regiões do centro e da borda da gota. A região central (Figura 3a) é
claramente mais porosa do que as regiões intermediárias e, em especial, periféricas
(Figuras 3b e 3c). Isso é esperado, pois a formação do óxido se dá
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preferencialmente nessa região, conforme descrito pelas equações anteriores, sendo
limitada pela região intermediária, onde a porosidade observada é uma média das
porosidades das outras regiões. A porosidade da região mais interna é maior pois
ela é a região anódica da pilha de corrosão, onde há o maior consumo de metal. As
porosidades observadas nas outras regiões podem ser devidas às micropilhas de
corrosão formadas imediatamente após a deposição da gota, visto que tanto o
diâmetro quanto a profundidade aparente da corrosão nessas regiões são menores
que os observados na região central.
Figura 2. Superfície das amostras decorridas 22 horas da realização do ensaio.
Figura 3: Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura – (a) região central; (b) intermediária
e (c) borda da gota salina.
Por meio da análise de EDS (Figura 4) foi possível comprovar a presença do
NaCl e a formação do óxido de ferro (ferrugem), mostrando que ocorreram as
reações descritas anteriormente. O NaCl pode ser detectado pois a gota secou na
superfície da amostra e não foi removido o reagente restante antes da realização da
análise, o que também retiraria o óxido formado(4). As diferenças nas quantidades de
NaCl observadas podem ser devidas a heterogeneidades na solubilização do sal em
solução ocorridas no processo de secagem, não estando relacionadas diretamente
com o processo corrosivo que ocorre na gota. A presença do oxigênio é devida à
adsorção deste na solução.
a) b) c)
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Figura 4: Resultados de EDS das amostras após deposição da gota na – (a) região da interface
gota meio; (b) borda; (c) intermediária e (d) centro. Os elementos estão identificados no inset
da figura (a).
As imagens de microscopia óptica (Figura 5) permitem avaliar as mudanças
que ocorreram no metal em nível microestrutural. Na Figura 5a vemos a presença de
nódulos de perlita nos contornos de grão da ferrita, microestrutura típica esperada
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para o aço utilizado(5). Já na Figura 5b não é possível identificar as fases presentes
com tanta clareza, pois o meio corrosivo no qual a peça ficou imersa provocou a
deterioração da superfície do aço, o que é demonstrado pelos diferentes perfis de
profundidade observados na imagem.
Figura 5: Imagens de Microscopia Óptica - (a) do metal base e (b) amostra após remoção
do produto de corrosão (b).
Questionário avaliativo
A Figura 6 apresenta os resultados obtidos no questionário apresentado
anteriormente na Tabela 1. Fica claro que a avaliação do experimento foi positiva
para todos os quesitos propostos, evidenciando a aceitação e o caráter motivador do
experimento pelos alunos.
Figura 6: Histograma das proposições pela quantidade de respostas.
Ressalta-se que a reprodução do experimento da gota salina associado às
técnicas de caracterização de materiais, possibilitou uma abordagem interdisciplinar
valorizando conteúdos previamente trabalhados pelos estudantes em outras
disciplinas, como por exemplo, as técnicas de caracterização, preparação
a) b)
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metalográfica e microestrutura dos materiais. Além disso, o experimento também
permitiu uma abordagem contextualizada trazendo para sala de aula, situações reais
de problemas de corrosão que o estudante poderá se deparar em sua atuação
profissional, exemplificando-se, o processo de corrosão de estruturas metálicas
expostas a atmosferas marinhas, que corresponde ao fenômeno estudado na prática
realizada nesse trabalho.
CONCLUSÕES
A associação de aspectos teóricos e práticos através de atividades
experimentais possibilita a consolidação da construção do conhecimento. O
experimento de Evans realizado em sala foi reproduzido com sucesso, permitindo-se
abordar a natureza eletroquímica do processo de corrosão por meio da realização de
um experimento simples.
A proposta do experimento da gota salina integrada a métodos de
caracterização de materiais foi importante, pois permitiu correlacionar diferentes
saberes já vivenciados pelos estudantes em outras disciplinas, ressaltando-se aqui a
importância de temáticas e intervenções de caráter interdisciplinar para o ensino de
engenharia.
Através da avaliação de aceitação da intervenção pedagógica por meio de
questionário identificou-se que a prática desenvolvida atuou como instrumento
educacional motivador e facilitador no processo ensino-aprendizagem de corrosão,
colaborando para a construção do conhecimento de forma contextualizada,
interdisciplinar, e integradora entre os aspectos teóricos e práticos.
REFERÊNCIAS
(1) GENTIL, V. Corrosão. 5.ed. Rio de Janeiro: Livros técnicos e científicos, 2011.
(2) Wartha, E.J.; Guzzi Filho, N.J.; Jesus, R.M. O experimento da gota salina e os
níveis de representação em química. Educ. quím., 23(1), 55-61, 2012. ©
Universidad Nacional Autónoma de México, ISSN 0187-893-X.
(3) Brandalise, L. T. Modelos De Medição De Percepção e Comportamento –
Uma Revisão. Disponível online em:
<http://www.academia.edu/8531931/MODELOS_DE_MEDI%C3%87%C3%83
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O_DE_PERCEP%C3%87%C3%83O_E_COMPORTAMENTO_UMA_REVIS
%C3%83O>. Acesso em Agosto de 2016.
(4) WOLYNEE, S. Técnicas Eletroquímicas em Corrosão. São Paulo: Editora da
Universidade de São Paulo, 2003.
(5) REIS, E.G. "Modelo Matemático para Previsão das Propriedades Mecânicas
na Laminação a Quente de Perfis Estruturais”. Dissertação de Mestrado
apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de
Minas da Universidade Federal de Minas Gerais. Disponível online em
<http://www.ppgem.eng.ufmg.br/defesas/1093M.PDF>, acesso em Julho de
2016.
SALINE DROP EXPERIMENT REPRODUCTION WITH MATERIALS
CHARACTERIZATIONS: AN INTERDISCIPLINARY VISION.
Abstract
The corrosion process nature was proved the first time by Evans in 1926, that
developed an experiment known as Saline Drop, it allowing to illustrate the
occurrence of a local action cell by using a low-cost experiment. This work had as
objective to reproduce this experience on structural steel plates (ASTM 572 Gr50)
and refrigerant metal caps, aiming to identify and prove the electrochemical nature of
corrosion process and characterize these materials with materials engineering
students of UFPE, trying and interdisciplinary approach. To obtain de saline drop it
was used a NaCl (3,5%) solution with potassium ferricyanide and phenolphthalein
indicators. To analyze the morphology and corrosion products composition, there
were used Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive
Spectroscopy.
Key-words: Corrosion, Saline Drop, Evans Experience, Materials Engineering,
Interdisciplinary.
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