Exercícios: Corrosão, pilhas de combustível e aplicações

A corrosão atmosférica do ferro na presença de ar úmido ocorre pela formação de microcélulas ou pares galvânicos locais sobre a superfície do metal. Considerando que o meio aquoso sobre o metal tem pH neutro:

1. a) Escreva as semirreações correspondentes à zona anódica e à zona catódica, identificando a espécie química que atua como oxidante e a que atua como redutora.
2. b) Deduza a equação química global do processo inicial de corrosão e calcule a força eletromotriz ideal, nas condições indicadas, da célula galvânica formada. Dados a $298\,\mathrm{K}$: $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0{,}44\,\mathrm{V}$; $E(\mathrm{O}_2/\mathrm{OH}^-,\,\mathrm{pH}=7) = +0{,}81\,\mathrm{V}$. Use o potencial do ferro com atividade unitária de seus íons e o potencial condicional do oxigênio dado a pH 7; este último não é um potencial padrão da semirreação escrita com hidróxido. Desconsidere polarização e precipitação ao estimar a tensão inicial.

Para proteger lâminas de ferro contra a corrosão ambiental empregam-se revestimentos metálicos como a galvanização com zinco ou os revestimentos de cobre. Considere uma lâmina de ferro galvanizada e outra revestida com cobre submetidas a um arranhão acidental que expõe o ferro-base ao ar úmido:

1. a) Justifique qual dos dois metais em contato se oxidará preferencialmente na zona riscada de cada peça a partir dos potenciais padrão: $E^\circ(\mathrm{Zn}^{2+}/\mathrm{Zn}) = -0{,}76\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0{,}44\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\,\mathrm{V}$.
2. b) Indique o mecanismo de proteção que atua em cada caso (proteção por barreira ou proteção catódica de sacrifício).

Para proteger da corrosão uma tubulação de aço enterrada num solo úmido que atua como eletrólito, projeta-se conectar por meio de um cabo condutor um bloco metálico enterrado ao seu lado. No esquema seguinte ilustram-se as duas opções consideradas: conectar um bloco de magnésio ou um bloco de cobre.

Dados de potenciais padrão de redução a $298\,\mathrm{K}$: $E^\circ(\mathrm{Mg}^{2+}/\mathrm{Mg}) = -2{,}37\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Fe}^{2+}/\mathrm{Fe}) = -0{,}44\,\mathrm{V}$; $E^\circ(\mathrm{Cu}^{2+}/\mathrm{Cu}) = +0{,}34\,\mathrm{V}$. Constante de Faraday: $F = 96\,485\,\mathrm{C}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$. Massa molar: $M(\mathrm{Mg}) = 24{,}31\,\mathrm{g}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$.

1. a) Selecione de forma fundamentada qual dos dois blocos metálicos funcionará eficazmente como ânodo de sacrifício para proteger a tubulação de ferro e escreva a semirreação de oxidação que ocorre nele.
2. b) Se a corrente média de proteção galvânica fornecida de forma contínua por esse ânodo é de $0{,}050\,\mathrm{A}$, calcule a massa em gramas do metal protetor que se consome ao fim de $1{,}0\,\mathrm{año}$ de serviço ($365\,\mathrm{días}$). Suponha que toda a corrente provém da oxidação do metal protetor, sem autocorrosão adicional.

Analisa-se a pegada de carbono associada ao uso de hidrogênio como vetor energético para alimentar um ônibus com célula a combustível que gera $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ de energia elétrica. A célula opera com um rendimento elétrico de $60{,}0\%$ em relação ao poder calorífico superior do hidrogênio ($\Delta H^\circ = -285{,}8\,\mathrm{kJ}\cdot\mathrm{mol}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$, equivalente a $39{,}7\,\mathrm{kWh}\cdot\mathrm{kg}^{-1}$ de $\mathrm{H}_2$):

1. a) Calcule a massa de $\mathrm{H}_2$ em gramas consumida pela célula para produzir $1{,}00\,\mathrm{kWh}$ elétrico útil.
2. b) Se o hidrogênio é "cinza", obtido por reforma a vapor de gás natural ($\mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CO}_2 + 4\,\mathrm{H}_2$) com uma emissão de $10{,}0\,\mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO}_2$ para cada quilograma de $\mathrm{H}_2$ produzido na planta, determine a massa de $\mathrm{CO}_2$ em gramas emitida para cada $\mathrm{kWh}$ elétrico gerado. Compare qualitativamente este valor com o uso de hidrogênio "verde" obtido por eletrólise alimentada com energia solar fotovoltaica. Distinga emissões diretas de operação e emissões do ciclo de vida; sem um fator de emissões de fabricação e fornecimento não se pode atribuir ao hidrogênio verde uma pegada total numérica nem afirmar que seja nula.