Química dos ensinos fundamental e médio · Grades 1–12

19Os metais: reações com os ácidos e corrosão

Num porto, o casco de aço de um velho barco de pesca está riscado de ferrugem alaranjada. No cais, um portão revestido de zinco está há trinta anos na chuva e continua com um brilho cinza fosco. Num museu, um anel de ouro enterrado durante três mil anos brilha como no dia em que foi feito. Os metais não enfrentam o mundo todos do mesmo jeito: alguns são atacados pela água, pelo ar e pelos ácidos, outros quase nada.

O que você já sabe

Os íons são átomos com carga; os metais dão cátions como $\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Zn^{2+}}$ , $\ce{Al^{3+}}$ , identificados por testes de precipitação (Capítulo 17). Uma solução ácida contém muitos íons $\ce{H+(aq)}$ (Capítulo 18). O hidrogênio queima com um estalo agudo na boca de um tubo de ensaio (Capítulo 10).

O casco de um barco velho: o aço está enferrujando.

19.1 Os metais no ácido clorídrico

No laboratório — Três metais no ácido

O professor coloca um pedacinho de ferro, um de zinco e um de cobre em três tubos de ensaio com ácido clorídrico diluído. Sobem bolhas do ferro e do zinco, devagar no ferro, depressa no zinco, e os metais vão desaparecendo; com o cobre não acontece nada. O gás, recolhido num tubo pequeno, dá um estalo agudo: é o hidrogênio. Com o hidróxido de sódio, o líquido do primeiro tubo dá um precipitado verde (íons $\ce{Fe^{2+}}$ ), e o do segundo, um branco (íons $\ce{Zn^{2+}}$ ).

Ferro, zinco e cobre em ácido clorídrico diluído: o ferro e o zinco liberam hidrogênio; o cobre não reage.

Proposição 19.1 (Metal mais ácido)

Muitos metais — ferro, zinco, alumínio, magnésio — reagem com os íons $\ce{H+}$ de um ácido: o metal desaparece na forma de íons metálicos, que ficam dissolvidos, e gás hidrogênio é liberado. O cobre, a prata e o ouro não reagem com o ácido clorídrico.

19.2 Escrever a equação com íons

Definição 19.2 (Íon espectador)

Um íon que está presente numa solução durante uma reação mas não participa dela, e é encontrado sem mudança no fim, é um íon espectador. Ele é deixado de fora da equação.

Exemplo 19.3 (O ferro e o zinco no ácido clorídrico)

O ácido clorídrico contém íons $\ce{H+(aq)}$ e $\ce{Cl-(aq)}$ . Os íons cloreto são encontrados sem mudança no fim: eles são espectadores. As equações são

\ce{Fe(s) + 2H+(aq) -> Fe^{2+}(aq) + H2(g)}, \qquad \ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}.

Elas balanceiam ao mesmo tempo os átomos e as cargas: $+2$ de cada lado.

Método 19.4 (Escrever a equação de um metal com um ácido)

Reagentes: o metal (s) e os íons $\ce{H+(aq)}$ .
Produtos: o íon metálico (aq), com a sua carga habitual, e o hidrogênio $\ce{H2(g)}$ .
Balanceie os átomos, depois verifique que a carga total é a mesma dos dois lados.

Para o alumínio: $\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ ; carga $+6$ de cada lado.

Segurança

O hidrogênio liberado é extremamente inflamável. A reação é feita em tubos de ensaio pequenos, pelo professor, longe de qualquer chama, a não ser a usada no teste do estalo.

19.3 A corrosão

Definição 19.5 (Corrosão e ferrugem)

A corrosão é o ataque lento de um metal pelas substâncias à sua volta — oxigênio, água, ácidos, sais —, que transforma o metal em íons ou em compostos como os óxidos. A corrosão do ferro e do aço produz a ferrugem, um óxido de ferro hidratado, marrom e quebradiço, que se solta em lascas e deixa o ataque continuar mais fundo.

Proposição 19.6 (Do que o ferro precisa para enferrujar)

O ferro só enferruja quando o oxigênio e a água chegam até ele ao mesmo tempo. O sal dissolvido na água, como nas estradas salgadas no inverno ou à beira-mar, acelera a ferrugem.

No laboratório — Três pregos, uma semana

Três pregos de ferro limpos são colocados em três tubos de ensaio: o primeiro com ar seco e um agente secante que retira o vapor de água; o segundo em água fervida para retirar o ar dissolvido, coberta com uma camada de óleo; o terceiro metade na água da torneira, metade no ar. Depois de uma semana, só o terceiro prego está enferrujado.

O experimento dos três pregos: o ferro só enferruja onde a água e o oxigênio chegam juntos até ele, aqui na superfície da água.

Exemplo 19.7 (O alumínio e o cobre se protegem sozinhos)

O alumínio é atacado na hora pelo oxigênio do ar, mas a fina camada de óxido formada gruda no metal e o isola do ar: as esquadrias de alumínio duram décadas. O cobre, atacado devagar pelo ar, pela água e pelo dióxido de carbono, fica coberto por uma crosta verde, a pátina, que também gruda e protege o metal de baixo. Já a ferrugem se solta em lascas.

A Estátua da Liberdade: a sua pele de cobre está coberta por uma pátina verde. Foto: Elcobbola, domínio público.

19.4 Proteger os metais

Definição 19.8 (Galvanização)

A galvanização consiste em revestir o aço com uma camada de zinco, mergulhando-o no zinco derretido. O zinco é atacado pelo ar e pela água no lugar do aço de baixo: mesmo onde o revestimento está arranhado, o zinco vizinho sofre a corrosão primeiro e o aço é poupado.

Proposição 19.9 (Jeitos de proteger o ferro e o aço)

manter a água e o ar longe: tinta, óleo, graxa, um revestimento de plástico;
galvanizar: uma camada de zinco que sofre a corrosão no lugar do aço;
usar aço inoxidável, uma liga de ferro com cromo, que se protege sozinha com uma fina camada de óxido isolante;
fixar blocos de zinco nos cascos dos navios: o zinco é corroído devagar no lugar do aço, e é substituído de tempos em tempos (como isso funciona é explicado num volume universitário).

19.5 Exercícios

Exercício 19.1 ★

Que gás é liberado quando o zinco reage com o ácido clorídrico? Como ele é identificado?

Solução

Solução de Exercício 19.1.

O hidrogênio: uma tala acesa na boca do tubo dá um estalo agudo.

Exercício 19.2 ★

Quais destes metais reagem com o ácido clorídrico diluído: ferro, cobre, zinco, ouro, alumínio?

Solução

Solução de Exercício 19.2.

O ferro, o zinco e o alumínio reagem; o cobre e o ouro não.

Exercício 19.3 ★

Do que o ferro precisa para enferrujar?

Solução

Solução de Exercício 19.3.

O oxigênio e a água, ao mesmo tempo.

Exercício 19.4 ★

O que é um íon espectador? Dê o nome do íon espectador quando o ferro reage com o ácido clorídrico.

Solução

Solução de Exercício 19.4.

Um íon presente durante uma reação, que não participa dela. Com o ácido clorídrico: o íon cloreto $\ce{Cl-}$ .

Exercício 19.5 ★★

Escreva a equação da reação do magnésio com os íons $\ce{H+}$ de um ácido (o íon magnésio é $\ce{Mg^{2+}}$ ). Verifique as cargas.

Solução

Solução de Exercício 19.5.

$\ce{Mg(s) + 2H+(aq) -> Mg^{2+}(aq) + H2(g)}$ ; carga $+2$ de cada lado.

Exercício 19.6 ★★

Depois que o ferro reagiu com o ácido clorídrico, como você pode mostrar que a solução contém íons ferro(II)?

Solução

Solução de Exercício 19.6.

Acrescentar hidróxido de sódio: um precipitado verde de $\ce{Fe(OH)2}$ mostra os íons ferro(II).

Exercício 19.7 ★★

Olhe a figura dos três pregos. Por que a água do segundo tubo é fervida e coberta com óleo?

Solução

Solução de Exercício 19.7.

A fervura retira o ar dissolvido na água, e o óleo impede que o ar se dissolva de novo: o prego tem água, mas não tem oxigênio.

Exercício 19.8 ★★

Por que um carro enferruja mais depressa numa cidade onde as ruas são salgadas no inverno?

Solução

Solução de Exercício 19.8.

O sal dissolvido na água que respinga no carro acelera a ferrugem.

Exercício 19.9 ★★

Por que as esquadrias de alumínio não são destruídas pela corrosão, embora o alumínio reaja com o oxigênio do ar?

Solução

Solução de Exercício 19.9.

A camada de óxido formada gruda no metal e o isola do ar: o ataque para na superfície.

Exercício 19.10 ★★

Dê três jeitos de proteger da ferrugem o quadro de aço de uma bicicleta.

Solução

Solução de Exercício 19.10.

Pintá-lo, lubrificá-lo com óleo ou graxa, galvanizá-lo (ou fabricá-lo de aço inoxidável).

Exercício 19.11 ★★★

Escreva e verifique a equação da reação do alumínio com os íons $\ce{H+}$ de um ácido. Quantas moléculas de hidrogênio são formadas para 200 átomos de alumínio?

Solução

Solução de Exercício 19.11.

$\ce{2Al(s) + 6H+(aq) -> 2Al^{3+}(aq) + 3H2(g)}$ : 2 Al e 6 H de cada lado, carga $+6$ de cada lado. Para 200 átomos de Al: $200 \times \frac{3}{2} = 300$ moléculas de hidrogênio.

Exercício 19.12 ★★★

Um balde de aço galvanizado é arranhado até o aço. Explique por que o aço no fundo do arranhão não enferruja durante muito tempo.

Solução

Solução de Exercício 19.12.

O zinco em volta do arranhão é corroído no lugar do aço: enquanto houver zinco perto, o aço é poupado.

19.6 Problema: qual é a espessura do zinco?

Problema 19.1

Problema de fim de semana — dissolver o revestimento de zinco de uma chapa galvanizada para descobrir a espessura dele

Uma chapa de aço galvanizado, um quadrado de $10.0\,\mathrm{cm}$ de lado, é revestida de zinco nas duas faces (as bordas são desprezadas). Num laboratório, o professor a pesa, $125.6\,\mathrm{g}$ , e depois a mergulha em ácido clorídrico com um aditivo que impede o ácido de atacar o aço. Quando o borbulhamento para, a chapa é enxaguada, secada e pesada de novo: $113.5\,\mathrm{g}$ . A massa de $1\,\mathrm{cm}^{3}$ de zinco é $7.13\,\mathrm{g}$ .

Parte I — A reação.

Escreva a equação da reação do zinco com os íons $\ce{H+}$ do ácido.
Que gás provoca o borbulhamento? Descreva o teste dele.
Que teste mostraria, depois, os íons zinco na solução?
Dê o nome dos íons espectadores.

Parte II — O zinco.

Que massa de zinco se dissolveu?
Por que o borbulhamento é um sinal de que o zinco ainda não se dissolveu todo?
O que aconteceria com o aço se o ácido não tivesse o aditivo? Que teste mostraria isso?
Por que o zinco protege o aço da chapa enquanto ele estiver lá?

Parte III — A espessura.

Qual é a área total revestida da chapa, em $\mathrm{cm}^{2}$ ?
Que volume o zinco ocupava?
Deduza a espessura da camada de zinco, em centímetros.
Expresse essa espessura em micrômetros ( $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,000\,\text{µ}\mathrm{m}$ ).

Solução

Solução de Problema 19.1.

1. $\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^{2+}(aq) + H2(g)}$ .

2. O hidrogênio: um estalo agudo com uma tala acesa.

3. O hidróxido de sódio dá um precipitado branco de $\ce{Zn(OH)2}$ .

4. Os íons cloreto $\ce{Cl-}$ .

5. $125.6 - 113.5 = 12.1\,\mathrm{g}$ .

6. O hidrogênio é liberado enquanto o zinco reage com o ácido; quando não sobra mais zinco, o borbulhamento para.

7. O ferro do aço também reagiria, dando hidrogênio e íons $\ce{Fe^{2+}}$ ; o hidróxido de sódio daria então um precipitado verde.

8. O zinco é atacado no lugar do aço e mantém a água e o ar longe dele.

9. $2 \times 10.0 \times 10.0 = 200\,\mathrm{cm}^{2}$ .

10. $12.1 \div 7.13 \approx 1.70\,\mathrm{cm}^{3}$ .

11. $1.70 \div 200 = 0.0085\,\mathrm{cm}$ .

12. $0.0085 \times 10\,000 = 85\,\text{µ}\mathrm{m}$ : a camada de zinco tinha cerca de $85\,\text{µ}\mathrm{m}$ de espessura.

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