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As pilhas voltaicas estão baseada em reações redox espontâneas e produzem energia elétrica à custa destas reações. É possível operar no sentido inverso e aproveitar energia elétrica para provocar reações redox não espontâneas. Por exemplo, nos elementos de cloreto de sódio fundido:
2NaCl( l ) → 2Na( l ) + Cl2( l )
Estes processos, impulsionados por fontes de energia elétrica, são reações de eletrólise e se realizam em cubas ou células eletrolíticas.
Esquema de uma célula de eletrólise.
Uma cuba eletrolítica tem dois eletrodos que ficam imersas num sal fundido ou numa solução. A reação é impelida por uma bateria externa, ou qualquer outra fonte de corrente contínua. Esta fonte atua como uma bomba de elétrons, impelindo os elétrons para um eletrodo e retirando os do outro. O eletrodo que perde elétrons é positivo e o que recebe é o negativo. Na eletrólise do NaCl esquematizado os íons Na+ recebem elétrons no eletrodo negativo e são reduzidos. Á medida que os íons Na+ nas proximidades deste eletrodo são consumidos, outros íons Na+ migram para o eletrodo. De modo semelhante, há um movimento de íons Cl- para o eletrodo positivo, onde são oxidados. Tal e qual nas pilhas voltaicas, o eletrodo sede da redução é o catodo, e o eletrodo onde há oxidação é o anodo. Veja atentamente que a conversão de sinais dos eletrodos na cuba eletrolítica é exatamente oposta à convenção dos sinais na pilha voltaica. O catodo na cuba eletrolítica é negativo, pois recebe os elétrons que são impulsionados pela fonte externa de voltagem. O anodo é positivo, pois perde elétrons pela ação dessa fonte externa. A eletrolise dos sais fundidos e de soluções de sais fundidos, para a preparação de metais ativos, como o sódio e o alumínio, é processo industrial muito importante.
- Eletrólise de Solução Aquosas
Quando se faz a eletrólise de uma solução aquosa é preciso investigar se a oxidação ou a redução ocorre com a água ou com o soluto. A água pode ser oxidada (dando O2) ou reduzida (dando H 2). Por exemplo, não se pode preparar sódio metálico pela eletrólise de solução de NaCl em água. De fato, a água se reduz com mais facilidade do que os íons Na +( aq ), como se pode perceber pelos potenciais padrão de redução:
2H2O( l ) + e- → H 2( g ) + 2OH-( aq ) Ered = - 0,83V Na +( aq ) + e- → Na( s ) Ered = - 2,71V
Os potencias associados a estas duas meias reações são da mesma ordem de grandeza, mas sugerem que a H2O seja oxidada com maior facilidade do que o Cl-. Na prática, a voltagem de operação na eletrólise é muito maior do que a voltagem teórica baseada nos potenciais dos eletrodos. A voltagem extra indispensável para provocar a eletrolise é a sobretensão. Acredita se que a sobretensão seja fruto de reações de baixa velocidade um efeito cinético, e não termodinâmico. A sobretensão para o desprendimento do O 2 é suficientemente alta para favorecer a oxidação do Cl- diante da oxidação da H2O. Por isso, a menos que aconcentração do Cl- seja muito baixa,a eletrolise de solução aquosas de NaCl leva ao desprendimento de H 2 gasoso no catodo e de Cl2( g) no anodo. Calculo da fem mínima necessária para provocar a eletrólise:
Epilha = Ered (catodo) – E red (anodo) = = (-0,83V ) – ( 1,36 V ) = - 2,19 V
A fem calculada é negativa, o que assinala que o processo não é espontâneo e tem que ser provocado por uma fonte de energia externa.
- Eletrólise com Eletrodos Ativos
Nas considerações sobre a eletrolise do Na Cl( I ) e do NaCl( aq ) adimitimos que os eletrodos fossem inertes, isto é, que não participassem da reação mas servissem, simplismente como sítios para a transferência de elétrons na oxidação e na redução. È possível, porem, que os eletrodos participem da eletrólise. Quando se eletrolisam, entre eletrodos metálicos, soluções aquosas, é possível que um dele s seja oxidado se o seu potencial de redução for menos positivo que o de redução da água. Por exemplo, imaginaremos um eletrodo de níquel que pode sofrer oxidação a íon Ni²:
Ni( s ) → Ni²( aq ) + 2e- Ered = - 0,28V 2H2O( l ) → 4H + ( aq ) + O 2( g ) + 4e- Ered = 1,23V
O potencial padrão de redução do Ni² a Ni é menos positivo do que o potencial padrão de redução do O 2 a H2O. Então a redução do Ni²é menos favorecida do que a redução do O 2. Alem disso, o potencial padão de redução do Ni²+ ( aq ) isto é (-0,28V) é mais positivo é maior do que a redução da H2O(l) a H 2(g) isto é, (- 0,83V). Assim, se o Ni²( aq ) estiver presente na solução, será reduzido com mais facilidade do que a água. Os processos eletrolíticos que envolvem eletrodos metálicos ativos nos quais os metais dos eletrodos paticipam da reação de eletrólise tem muitas explicações importantes. A eletrólise oferece procedimento de purificação de metais como cobre, zinco, cobalto e níquel. Uma outra aplicação importante é a galvanoplastia, na qual se deposita um metal sobre outro. Exemplo na prateação de utensílios.
- Aspectos Quantitativos da Eletrólise
A reação de eletrolise também difere de quaisquer outra reação química por que metade dela ocorre em um eletrodo e a outra metade ocorre no segundo eletrodo, que pode estar espacialmente distante do primeiro. A eletrolise da água.
H2O → H 2 + 1/2O 2
Pode ser divididas em duas meias reações
No cátodo: 2H+ + 2 e- → H 2 No ânodo: H 2 → 1/2O 2 + 2H+ + e-.
Sendo a área Ac e a do ânodo A a , então a reação catódica por centímetros quadrado
de cátodo é ic = I/A c e a do ânodo é ia = I/A a x i c e i a são as densidades de corrente
catódica e anódica. A densidade de corrente depende do potencial do eletrodo, alem do mais, a densidade de corrente depende do potencial do eletrodo.
Consideramos um elétrodo de hidrogênio em equilíbrio com íons H + e p a pressãode hidrogênio gasoso. Aumentando se o potencial do elétrodo, tornando o mais positivo, perturbaremos este equilíbrio. A reação da direita para a esquerda predominará, H 2 será oxidado e uma corrente positiva fluirá para a solução. Se diminuirmos o potencial do eletrodo tornando o mais negativo, o equilíbrio será perturbado. A reação da esquerda para a direita predominará, libertando se H 2 e uma corrente positiva fluirá ao elétrodo ou uma corrente positiva fluirá para a solução. Esta diferença entre o potencial V e o potencial de equilíbrio V 0 chama se sobretensão do elétrodo, n:
n = v – v 0
Se a sobretensão for pequena, a densidade de corrente no elétrodo será proporcional a n :
i = i 0fn
RT
A proteção catódica é uma técnica que está sendo aplicada com sucesso no mundo inteiro, e cada vez mais no Brasil, para combater a corrosão das instalações metálicas enterradas, submersas e em contato com eletrólitos. Seu conhecimento torna se cada vez mais necessário aos engenheiros e técnicos, de um modo geral, devido à construção cada vez maior de oleodultos, gasodultos, tubulações que transportam derivados de petróleos e produtos químicos, adutoras, minerodutos, redes de água para combate a incêndio, emissonários submarinos, estacas de píeres de atração de navios, cortinas metálicas para portos, plataformas submarinas de prospecção e produção de petróleo, camisas para poços de água e de petróleo, navios e embarcações, equipamentos industriais, tanques de armazenamento de água, de óleo, de derivados de petróleo e de produtos químicos, cabos telefônicos com revestimentos metálicos, estacas metálicas de fundação e muitas outras instalações importantes.
Com a utilização da proteção catódica consegue se manter essas instalações metálicas completamente livres da corrosão. A grande virtude dessa técnica é permitir o controle seguro da corosão em instalações que, por estarem enterradas ou imersas, não podem ser inspecionadas ou revestidas periodicamente, como acontece com as estruturas metálicas aéreas.sua aplicação torna se extremamente econômica e mais simples quando as superfícies a proteger são previamente revestidas. Sua finalidade, nesses casos, consiste em complementar a ação protetora de revestimento que, por melhores e mais bem aplicados que sejam, sempre contêm poros, falhas e se tornam deficientes com o passar do tempo.
O mecanismo de funcionamento da proteção catódica é extremamente simples, embora a sua aplicação, na prática, exija bastante experiência por parte do projetista e do instalador do sistema O processo corrosivo de uma estrutura metálica enterrada ou submersa se caracteriza sempre pelo aparecimento de áreas anódicas e catódicas na superfície do material metálico. A ocorrência dessas áreas de potencias diferentes ao longo de uma tubulação de aço ou de uma chapa metálica mergulhada em um eletrólito. As heterogeneidades do solo, em conjunto com as heterogeneidades existentes no material metálico, agravam os problemas de corrosão, uma vez que tais variações resistivas elétricas, grau de aeração, composição química, grau de umidade e outras, dão origem também, a pilhas de corrosão severas nas superfícies dos materiais metálicos enterrados. Pela natureza eletroquímica da corrosão verifica se que há um fluxo de corrente através do eletrólito e do metal, de tal maneira que os cátions saem do anodo para a solução ao mesmo tempo em que os elétrons se dirigem do anodo para o catodo seguindo circuito metálico. A taxa de corrosão depende, então, da intensidade da corrente que flui no sistema. Proteger catodicamente uma estrutura significa eliminar, por processo artificial, as áreas anódicas da superfície do metal fazendo com que a estrutura adquira comportamento catódico.
- Sistemas de Proteção Catódica
Para a obtenção da proteção catódica, dois sistemas são utilizados, ambos baseados no mesmo princípio de funcionamento, que é o de injeção de corrente elétrica na estrutura através do eletrólito.São eles a proteção catódica galvânica ou por anodos galvânicos ou de sacrifício, e a proteção catódica por corrente impressa ou forçada.
Proteção Catódica Galvânica
O critério mais seguro e adotado no mundo inteiro para saber se uma estrutura metálica encontra se protegida catodicamente consiste nas medições dos potenciais estrutura/eletrólito: tubo/solo, estaca/água, tanque/solo etc. Com o auxilio de um eletrodo de referência e a utilização no campo de meia células ou eletrodos de Cu/ CuSO 4 para solo, e de Ag/AgCl para água do mar ou eletrólitos líquidos. Assim, uma estrutura de aço encontra se protegida com o funcionamento do sistema de proteção catódica. Nos últimos anos houve muita discussão entre os cientistas do mundo inteiro no estabelecimento dos critérios de proteção catódica, especialmente no que diz respeito à necessidade de se eliminar a queda ôhmica nas medições dos potenciais tubo/solo. A queda ôhmica é causada pela a circulação de corrente solo ou na água, que são meios resistivos. Hoje o consenso geral, depois de muitos estudos e discussões.é que a maneira mais correta para a aplicação dos critérios de proteção acima descrito consiste na medição dos potenciais com a eliminação da queda ôhmica. Esses potenciais são chamados de potenciais off e os potenciais medidos com queda ôhmica são chamados de potenciais on. Uma das técnicas utilizadas para as medições dos potenciais off consiste em desligar se todas as fontes de corrente de proteção catódica e de interferência durante as medições. Esse procedimento não é fácil de ser executado e exige, muitas vezes, a utilização de equipamentos especiais, como as chaves de interrupção de corrente sincronizadas por satélite. A desvantagem dessa técnica é que pode ser utilizada em sistemas galvânicos distribuídos e possui limitação quando utilizada em locais em correntes de interferência. Outra técnica muito utilizada para medir os potenciais off consiste em utilizar se corpos de prova conectados à tubulação ou à estrutura a ser protegida, simulando falhas no revestimento, com a instalação de um eletrodo de referência permanente junto a cada corpo de prova. Os mais conhecidos são os eletrodos permanentes da BORIN ( Borin Manufacturing LLC ), que fabrica eletrodos de referencia permanentes de Cu/CuSO 4 e Ag/AgCl.
- Aplicação dos Sistemas de Proteção Catódica no Brasil
Para ilustrar a importância da proteção catódica na operação segura das instalações metálicas enterradas e submersas, são citadas suas principais aplicações no Brasil. Oleodutos = Todos os oleodutos existentes em operação no Brasil são protegidos catodicamente, a maioria deles por corrente impressa. Gasoduto = Assim como os oleodutos, também todos os gasodutos existentes no Brasil possuem sistemas de proteção catódica, incluindo as redes de distribuição de gás domiciliar e industrial de várias cidades. O sistema de corrente impressa também é o mais utilizado nesses gasodutos. Minerodutos = As minerodutos em operação no Brasil, constituídos em aço, estão todos protegidos com o sistema por corrente impressa. Adutoras = A grande maioria das adutoras de aço das companhias de Saneamento de todo o Brasil está também protegida catodicamente com o sistema por corrente impressa. Emissários Submarinos = Os emissários submarinos de esgotos, construídos em aço, estão protegidos com anodos galvânicos ou com sistema por corrente impressa. Plataforma de Petróleo = Todas as plataformas de prospecção e produção de petróleo no mar, atualmente em operação no Brasil, são protegidas catodicamente.
Para essas instalações os sistemas galvânicos, com anodo de alumínio, são os mais utilizados. Tanques de Armazenamento = A maioria dos parques de tanque de armazenamento de petróleo, álcool e derivados de petróleo existentes no Brasil está protegida com o sistema de proteção catódica por corrente impressa. A proteção catódica nesses casos, destina se a combater a corrosão nas superfícies externas, em contato com o solo ou base de concreto, das chapas dos fundos dos tanques. As tanques que operam com lastro de água salgada possuem também proteção internas com anodos galvânicos. Píeres de Atracação de Navios = Todos os píeres de atracação de navios no Brasil, constituídos com estacas de aço cravadas no mar, estão protegidos catodicamente. O sistema por corrente impressa tem sido o mais utilizado. Navios = Os navios e embarcações constituída em aço em operação no Brasil estão protegidos com sistema galvânicos ou por corrente impressa, dependendo das características de cada um.
FACULDADE DE TECNOLOGIA ÍTALO BOLOGNA
( FATEC IB )
CURSO SUPERIOR EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
O objetivo desse trabalho é relatar os processos da eletrólise e proteção catódica, e também a sua importância. Abordaremos também novas técnicas do processo de proteção catódica e o entendimento do significado da eletrólise, elementos e tabelas.
A eletrólise refere se à reação química ou reações que acompanha a passagem de uma corrente através de uma solução eletrolítica, por exemplos as pilhas voltaicas. Elas podem ser por meio de soluções aquosa que é preciso investigar se a oxidação ou redução ocorre com a água ou com soluto. A proteção catódica pode ser realizada através de dois processo: Pelo processo galvânico e pelo processo de corrente impressa. O processo de galvanização é o mais comum entre eles.
- (^) Sumário
- Eletrólise
- Eletrólise de Solução Aquosas
- Eletrólise com Eletrodos Ativos
- Aspectos Quantitativos da Eletrólise
- Eletrolise e Polarização.
- Polarização num Elétrodo
- Proteção Catódica
- Mecanismo
- Sistemas de Proteção Catódica
- Proteção Catódica Galvânica
- Proteção Catódica por Corrente Impressa
- Critérios de Proteção Catódica
- Aplicação dos Sistemas de Proteção Catódica no Brasil
