QUÍMICA - Camada de Passivação

Por Alexandre Lima

>Camada de passivação: conceito e aplicações.

"Por quê, para os objetos de Alumínio, a corrosão não se constitui um problema?" (Olimpíada Norte/Nordeste de Química 2004)
Confira, aqui, a prova original.

1) Entendendo o problema.
Como um braço da Termodinâmica, o estudo de Eletroquímica permite que diversas previsões sejam feitas quanto à ocorrência de reações químicas e de determinados fenômenos físicos. O potencial padrão de redução nos permite qualificar comparativamente os metais quanto à sua reatividade - isto é, sua suscetibilidade à oxidação - e prever a espontaneidade de algumas reações de oxirredução.

É a partir dos potenciais padrão de redução dos metais que ordenamo-nos segundo a chamada Fila de Reatividade.

A partir da fila de reatividade dos metais, conclui-se que a reação entre determinado agente oxidante e o Alumínio deve ter uma maior constante de equilíbrio do que a reação entre a mesma espécie e o Ferro - o que significa que a reação com o Alumínio teria maior rendimento. Portanto, se uma peça de Alumínio e uma peça de Ferro estiverem expostas ao ar atmosférico úmido, a fila de reatividade nos leva a concluir que a peça de Alumínio sofrerá mais acentuadamente os efeitos da oxidação.
Contudo, isso não acontece. Não existe um fenômeno equivalente à ferrugem para as peças de Alumínio e é esse fato que a questão trabalha.

Na questão da ONNeQ de 2004, não bastava que o aluno explicasse a reatividade dos metais através de seus potenciais eletroquímicos: sabendo que o Alumínio é termodinamicamente suscetível à oxidação, ele deveria apontar a situação que impede que o metal seja fortemente oxidado na prática.

2) A camada de passivação

Quando um metal reativo é exposto ao ar atmosférico úmido, podem ocorrer várias reações de oxirredução nas quais o $O_2$ é o agente oxidante.
Tais reações podem ocorrer de forma complexa, mas, de um modo geral, é esperado que o seu produto seja uma camada de óxidos e hidróxidos do metal em um elevado estado de oxidação. Para que a peça metálica seja corroída, então, o Oxigênio deve ser capaz de penetrar essa camada de óxidos e hidróxidos, reagindo com o restante do metal.

É dessa maneira que as peças de ferro são vagarosamente danificadas quando expostas ao ar atmosférico úmido, cujo $O_2$ principia por oxidar sua superfície e logo reage também com o interior da peça metálica.
O Alumínio, a princípio, reage com o gás Oxigênio quando exposto a ar atmosférico úmido - uma reação muito espontânea.

$4Al_{(s)}$ + $3O_{2(g)}$ $\longrightarrow$ $2Al_2O_{3(s)}$

Ocorre que a camada de óxido de alumínio produzida é suficientemente compacta para que o Oxigênio não a atravesse significativamente. Isto é, logo que uma camada de $Al_2O_3$ é formada sobre determinada superfície de Alumínio, a própria bloqueia a passagem de $O_2$ e, assim, o Alumínio presente no interior da peça permanece intacto.

Em outras palavras, pode-se afirmar que a camada de $Al_2O_3$ produzida pela reação de Alumínio com Oxigênio impede que o restante do Alumínio seja oxidado, cessando a reação por impedir o contato entre a espécie a ser oxidada e o agente oxidante.

É interessante que se destaque o fato de que amostras de Alumínio já apresentam, naturalmente, uma camada de $Al_2O_3$ sobre sua superfície.
Essa densa e compacta camada protetora pode ser chamada camada de passivação e também cabe em outros contextos nos quais uma camada protetora inviabiliza a reação de determinada espécie química.

Neste caso, a passivação do Alumínio é um fenômeno particularmente desejável às produtoras de refrigerante, que frequentemente vendem seus produtos nas duráveis latinhas de Alumínio.
O fenômeno pode ser indesejável, contudo, quando se deseja induzir uma reação que requer especificamente a presença de Alumínio metálico. Nesse caso, pode ser útil derramar sobre a amostra de Alumínio uma solução ácida, que consumirá a camada de óxido, e prontamente estabelecer contato entre Alumínio e o reagente de interesse - antes que o ar atmosférico regenere a camada de passivação.

$Al_2O_{3(s)}$ + $6HCl{(aq)}$ $\longrightarrow$ $2AlCl_{3(aq)}$ + $3H_2O_{(l)}$

3) Um pouco mais sobre o assunto...

Outros metais que produzem camadas de passivação em condições ambiente são $Pb$, $Cr$, $Zn$, $Ni$, $Ti$. Um semimetal cuja camada de passivação é amplamente utilizada pela indústria de nanotecnologia é o Silício, $Si$.

Vale a atenção do aluno olímpico o fato de que algumas condições podem favorecer a formação de uma camada de passivação sobre determinado metal. Quando uma peça de Ferro reage com $HNO_{3(conc)}$, uma camada de passivação - que contém ácido férrico - se estabelece sobre a superfície do metal.

No aço inoxidável, a presença de uma camada de passivação de $Cr2O_3$ é essencial para que o material resista, de fato, à corrosão.

Em provas de Química, o exemplo da camada de passivação do Alumínio é significativamente mais comum do que os demais. Se, por acaso, o enunciado de uma questão fornecer as densidades do metal e do produto de sua oxidação - possivelmente um óxido -, é razoável concluir que haverá uma camada de passivação se a densidade deste for maior do que a daquele.

Bons estudos!