A corrosão, a oxidação e a ferrugem são processos relacionados mas distintos. A corrosão é a deterioração gradual de materiais, especialmente metais, causada por interações químicas com o ambiente circundante. A oxidação, a corrosão e outras reacções químicas levam à descoloração, deformação ou metamorfose do material componente. Por isso, as diferenças e relações entre corrosão, oxidação e ferrugem são essenciais.

It aids in determining the preservation of the lifespan of materials, minimizing adverse economic effects, and increasing safety in various fields. Such an understanding provides industries with measures and strategies to reduce the degradation rate of the materials, thus enhancing the durability of critical components. This, in turn, decreases the costs of repair and replacement. Implementing corrosion prevention best practices globally could yield significant savings, estimated between 15-35% of the cost of damage, translating to US$375 billion to US$875 billion annually^[1]. It is essential to regulate these phenomena to prevent catastrophic failures that can endanger lives in necessary fields such as construction and transport. Additionally, this knowledge creates innovations, such as developing new materials that do not corrode easily. It assists in making better and more sustainable product formations, as it is an enabler of change.

Definição de corrosão

A corrosão é um tipo de degradação que afecta materiais como os metais devido à reação química entre o material e o seu ambiente, resultando em produtos não económicos, inseguros e insalubres. Esta degradação pode ocorrer através de várias etapas. Geralmente leva à formação de óxido, hidróxido ou compostos semelhantes dentro da substância e que amolgaram/destruíram a construção original desse material.

Tipos de corrosão

A corrosão pode ocorrer de várias formas, consoante os ambientes e os materiais em contacto com os agentes de corrosão. Os tipos mais comuns incluem:

1. Corrosão galvânica

Ocorre quando dois metais diferentes se ligam eletricamente num ambiente húmido. O metal anódico deteriora-se a um ritmo mais rápido do que quando existe de forma independente, enquanto o metal catódico se deteriora a um ritmo mais lento. A diferença de potencial entre dois metais é crítica na corrosão galvânica e envolve a equação de Nernst:

E_Célula=E⁰_cátodo-E⁰_ânodo-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_Célula=potencial celular, E⁰=potenciais de elétrodo padrão, R= Constante de gás, T=temperatura, n=número de electrões transferidos, e F é a constante de Faraday.

2. Corrosão por picadas

A corrosão por pite é um tipo de corrosão localizada que cria buracos pequenos e profundos no material. É particularmente perigosa porque pode levar a uma falha rápida do material, mesmo com uma perda global mínima de material. O fator de corrosão por pite é aplicável na avaliação do impacto da corrosão por pite. Quando o fator de corrosão por pites é mais elevado, isso indica que a corrosão por pites é grave.

Fator de corrosão=(Profundidade do fosso mais profundo)/Perda de espessura média devido à corrosão

3. Corrosão em fendas

Este tipo de corrosão envolve células de concentração de oxigénio que se desenvolvem em poços, fendas ou subdepósitos. Consequentemente, a solução local pode estagnar, causando corrosão localizada. A corrosão em fendas ocorre, por exemplo, à volta da costura de uma placa de metal onde o metal se junta a uma junta ou quando se utilizam parafusos e porcas. A taxa de corrosão em fendas depende de factores como a concentração de iões cloreto ([Cl^-] e o pH da solução no interior da fenda:

Taxa de corrosão ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

Nesta equação, ΔG é a variação da energia livre de Gibbs, R é a constante dos gases, e T é a temperatura.

Materiais susceptíveis de corrosão

A resistência à corrosão depende da composição do material, da estrutura e do ambiente em que o material metálico ou não metálico se encontra. O ferro e o aço são particularmente propensos a enferrujar porque oxidam rapidamente, especialmente quando entram em contacto com a humidade e o oxigénio. Embora o alumínio desenvolva uma camada de óxido passiva, também sofre corrosão por picadas e fendas em condições que contêm cloreto. Cobre e suas ligas são susceptíveis à corrosão galvânica. Isto é especialmente verdade quando estão em contacto com metais como o alumínio ou o aço e estão expostos a um ambiente aquático. Como membro do grupo de ânodos úteis na proteção catódica, o zinco actua como um ânodo nos modelos de proteção galvânica para corroer enquanto preserva o metal real.

Impacto industrial da corrosão

The effects of corrosion are shared across the industrial value chain, across most, if not all, industries that use metals. The impact of this menace on economies is that industries lose several billion dollars every year due to corrosion. The global cost of corrosion is estimated at US$2.5 trillion, equivalent to 3.4% of the global Gross Domestic Product (GDP) in 2013, with some estimates suggesting it now exceeds US$3 trillion annually^[1]. The loss includes the cost of maintenance and replacement of structures experiencing corrosion, production loss due to corrosion, and other related effects. Deteriorated safety, reliability, and durability are some of the impacts of corrosion. Corrosion can cause sudden failure of structures, transport, and utilities like bridges, pipelines, and aircraft. Structural integrity diminishes under corrosion owing to the high risk of sudden failure.

Regarding the physical environment, corrosion leads to hazards such as releasing hazardous material from corroded pipelines and storage tanks and reinforcement concrete structures in civil engineering structures. This effect has subsequent dangers to the physical and human environment. To address these challenges, engineers use various methods of corrosion control. Such methods include a selection of anti-corrosive materials and coatings, cathodic protection applications, and corrosion inhibitors, all requiring corrosion knowledge. The market for corrosion protective coatings, a key mitigation strategy, was valued at USD 20.59 billion in 2023 and is projected to grow to USD 33.28 billion by 2030 at a CAGR of 7.4% ^[2].

Compreender a oxidação

A oxidação é uma reação química primária crucial em muitos processos na natureza e na indústria. Fundamentalmente, a oxidação implica a doação ou partilha de electrões com outras espécies, havendo uma tendência geral para a perda de electrões por parte de uma substância, frequentemente um metal, e para o ganho de electrões por parte de outras substâncias, normalmente o oxigénio.

A oxidação é um processo químico geral que pode ocorrer independentemente da corrosão. Embora possa levar à corrosão nos metais, a oxidação nem sempre é prejudicial e pode ser benéfica, como na formação de camadas protectoras de óxido em metais como o alumínio.

Processo de Reação Química de Oxidação

A oxidação é um processo químico em que um átomo ou molécula perde um ou vários electrões. Este processo envolve normalmente a redução, em que outra substância absorve os electrões libertados ou perdidos pelo material oxidado. Ambos os processos são reacções redox (redução-oxidação). A equação seguinte pode representar a forma geral de uma reação de oxidação:

M→Mⁿ⁺+ne^–

Onde M é o metal ou substância que está a sofrer oxidação. Mⁿ⁺ é a forma oxidada da substância (um catião no caso dos metais).n representa o número de electrões perdidos. Por exemplo, na oxidação do ferro, a reação é:

Fe→Fe²⁺+2e^–

O oxigénio é normalmente o agente oxidante na maioria dos processos de oxidação. Isto implica que é ele que ganha os electrões que o metal ou qualquer outra substância perde. Isto pode levar à formação de óxidos, tais como

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃

Nesta equação, o ferro (Fe) reage com o oxigénio (O₂) para formar óxido de ferro (Fe₂O₃), que é a ferrugem.

Exemplos comuns de oxidação na vida quotidiana

A oxidação é um processo omnipresente que ocorre em muitas situações quotidianas, muitas vezes com efeitos visíveis:

Ferrugem do ferro e do aço:

Quando o ferro ou o aço são expostos ao oxigénio e à humidade, reagem para formar uma substância castanho-avermelhada chamada ferrugem, que é composta principalmente por óxido de ferro. Este é um caso típico de oxidação que leva à destruição de objectos metálicos, como ferramentas, veículos e estruturas.

Manchamento da prata:

Os talheres e os objectos de adorno em prata são outros produtos que podem enferrujar devido à oxidação. Isto porque, quando exposta ao ar, a prata reage com compostos de enxofre, levando à formação de sulfureto de prata, que é preto e adere à superfície do metal.

2Ag+H₂S→Ag₂S+H₂

Diferença entre oxidação e corrosão

É crucial diferenciar entre oxidação e corrosão, embora sejam comummente confundidas. A oxidação é um tipo de reação química em que um composto perde electrões, frequentemente na presença de oxigénio. Pode ocorrer tanto em compostos orgânicos como inorgânicos. É um processo mais amplo que pode ser útil, por exemplo, no processo de combustão que conduz à energia ou na formação de camadas de óxido em alguns metais como o alumínio.

Por outro lado, a corrosão é a degradação de um material, especialmente dos metais, através da ação química com o ambiente circundante. É importante notar que, embora a oxidação seja um tipo de corrosão, por exemplo, a ferrugem do ferro, existem outros tipos de corrosão, incluindo os efeitos de ácidos, bases, humidade e sais. Além disso, a corrosão está relacionada com implicações indesejáveis, tais como falhas de materiais, perdas e riscos potenciais. O conhecimento da oxidação e da corrosão é crucial em várias áreas de aplicação, uma vez que ajuda a encontrar formas de atenuar a deterioração dos materiais.

Principais diferenças e efeitos da oxidação e corrosão

Embora a oxidação e a corrosão estejam relacionadas, são dois processos diferentes com efeitos diferentes nos materiais. A oxidação é um processo químico em que uma substância perde electrões, normalmente envolvendo o oxigénio, e pode ocorrer tanto em materiais orgânicos como inorgânicos. É um processo mais extenso que pode ser construtivo, como nos processos de ignição durante a combustão ou na formação de uma camada de óxido em metais como o alumínio.

No entanto, é diferente da corrosão. A corrosão é a deterioração de materiais, especialmente metais, através da interação química com o meio envolvente. Sendo a oxidação uma das formas de corrosão, como o enferrujamento do ferro, a corrosão engloba outros tipos de reacções, incluindo as que ocorrem devido à ação de ácidos, bases, humidade e sais. A corrosão tem geralmente efeitos adversos que resultam na deterioração de materiais, perdas financeiras e riscos para a segurança e a saúde. É crucial compreender a diferença entre oxidação e corrosão em muitas áreas de estudo, uma vez que contribui para a formulação de métodos eficientes para ultrapassar a deterioração dos materiais.

O que é a ferrugem?

A ferrugem é um tipo de corrosão que afecta o ferro e as ligas relacionadas, como o aço. É um material escamoso castanho-avermelhado que se deposita na superfície do ferro devido a uma reação química entre o ferro, o oxigénio e a humidade. A ferrugem é comum em muitas utilizações industriais e quotidianas porque prejudica a resistência e a estética dos produtos à base de ferro.

O processo de formação de ferrugem

A formação da ferrugem é um processo químico que requer várias etapas para ser concluído. A primeira etapa inclui a formação de óxidos de ferro com a ajuda de água e oxigénio e a oxidação do ferro. O processo geral é o seguinte:

Reação de oxidação

O ferro (Fe) perde electrões e reage com o oxigénio (O₂) na presença de água (H₂O) para formar iões de ferro (II) (Fe²⁺).

Fe→Fe²⁺+2e^–

Formação de hidróxido de ferro: Os iões Fe²⁺ reagem com água e oxigénio para formar hidróxido de ferro(II) (Fe(OH)₂).

Fe²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

Oxidação do hidróxido de ferro: O hidróxido de ferro(II) oxida-se ainda mais para formar hidróxido de ferro(III) (Fe(OH)₃).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃

Formação de ferrugem: O hidróxido de ferro (III) desidrata-se para formar óxido-hidróxido de ferro (III) (FeO(OH)), vulgarmente conhecido como ferrugem. A ferrugem é uma mistura complexa de óxidos e hidróxidos de ferro.

4Fe(OH)₂→Fe₂O₃ .3H₂O

Condições que conduzem à ferrugem

A formação de ferrugem e outros factores dependem de alguns factores subjacentes. Estes factores incluem a disponibilidade de humidade, a exposição ao oxigénio e aos electrólitos, as condições ambientais, a temperatura e os contaminantes na superfície.

A água é essencial para a formação de ferrugem, uma vez que é um eletrólito. A água proporciona um ambiente para as reacções de oxidação-redução necessárias para a ferrugem, sendo a humidade elevada ou a chuva direta mais perigosas.

O oxigénio é também um requisito essencial para a formação de ferrugem. As áreas com bom arejamento ou muito oxigénio, como as estruturas metálicas, os automóveis e as máquinas, são propensas a enferrujar. A taxa de ferrugem pode aumentar com a utilização de sais e ácidos que aumentam a atividade eletroquímica do metal. Este problema surge da utilização de água do mar para melhorar a condutividade.

Por exemplo, um ambiente altamente ácido acelera a formação de ferrugem, uma vez que a oxidação é mais rápida em condições ácidas (pH baixo). As condições alcalinas também promovem a ferrugem, mas com menos vigor do que as condições ácidas.

A temperatura desempenha um papel importante, uma vez que as temperaturas elevadas aumentam as taxas de ferrugem através do aumento das taxas de reacções químicas. No entanto, a ferrugem pode ocorrer a baixas temperaturas se a humidade e o oxigénio estiverem presentes.

Por último, no sentido químico, a contaminação da superfície com materiais como sujidade ou óleo dificulta a remoção da humidade do metal, expondo assim áreas localizadas à ferrugem.

Materiais normalmente afectados

O ferro, o ferro fundido e as ligas de aço são os materiais mais comuns afectados pela ferrugem. O ferro é o mais vulnerável à ferrugem, uma vez que forma uma reação química com o oxigénio e a humidade quando está aberto. O aço-carbono é constituído principalmente por ferro, com uma pequena percentagem de carbono e outros elementos. Embora também possa enferrujar facilmente, o carbono e os elementos de liga podem aumentar a taxa de enferrujamento ou alterar as propriedades da ferrugem. Cada tipo de material de ferro é suscetível de enferrujar. No entanto, o ferro forjado enferruja mais rapidamente do que o aço ou o ferro fundido, uma vez que este último contém uma maior percentagem de carbono e forma uma ferrugem mais porosa e escamosa.

Os aços de liga de baixo carbono e de médio carbono oferecem algum nível de proteção contra a ferrugem, mas são susceptíveis de enferrujar em determinadas circunstâncias. Materiais como o crómio e o aço inoxidável são mais resistentes devido à película passiva de óxido formada na sua superfície, que impede a formação de ferrugem.

Principais diferenças entre corrosão, oxidação e ferrugem

Conclusão

O conhecimento das diferenças entre corrosão, oxidação e ferrugem é fundamental para proteger as infra-estruturas e as máquinas do desgaste prematuro. Os materiais inovadores, que incluem o aço inoxidável, o alumínio e as ligas de titânio, os revestimentos protectores, os sensores inteligentes e os materiais auto-regenerativos, desempenham um papel fundamental na resolução destes problemas.

Outros estudos para o avanço da ciência da corrosão incluem o desenvolvimento da nanotecnologia, a inteligência artificial na previsão da corrosão e inibidores ecológicos. Estes materiais são vitais para a melhoria das propriedades dos materiais. Se estas indústrias continuarem a patrocinar e a apoiar estas inovações, podem melhorar a proteção da propriedade, minimizar as perdas e garantir a segurança e a fiabilidade em várias aplicações.

Referências

[1] NACE International – International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies (IMPACT) study http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Corrosion Protective Coatings Market Size Report, 2030; [3] Grand View Research – Corrosion Inhibitors Market Size, Share | Industry Report 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market