Teoria envolvida no projeto

A técnica de anodização é uma das inúmeras aplicações para o processo eletrolítico. Visando isso, para o projeto de anodização de uma peça de alumínio é necessário o entendimento da teoria químico-física sobre eletrólise aquosa, que será exposta a seguir.

A eletrólise ( mostrada na figura 1) é um processo não espontâneo que converte a energia elétrica (bateria) em energia química. Essa é uma reação de oxi-redução, que acontece em um meio eletrolítico e é provocada por uma corrente elétrica. A partir de uma fonte de tensão ou bateria, montado em forma de circuito elétrico, é fornecida energia a um meio eletrolítico. No meio aquoso encontram-se imersos um cátodo (polo negativo), onde ocorre a redução e um ânodo (polo positivo), que ocorre a oxidação. (FELTRE, 2004)
A oxidação é quando um elemento sofre a perda de elétrons. Ao mesmo passo que a redução é quando há o ganho de elétrons em um elemento. Tais reações de transferência de elétrons acontecem simultaneamente, constituindo a reação de oxirredução (ou redox).
O número de elétrons ganhados ou perdidos dos átomos chama-se número de oxidação (NOX). Em compostos iônicos é a própria carga elétrica do íon. Já em compostos covalentes, onde não há a real transferência de elétrons, este número é o correspondente à transferência que aconteceria caso a ligação covalente entre os átomos fosse quebrada.
No projeto de anodização do alumínio em questão, o cátodo utilizado é o grafite (carbono), enquanto que o ânodo é o próprio alumínio (em seu estado natural, com NOX 0).

Figura 1: Eletrólise em meio aquoso

Fonte: https://manualdaquimica.uol.com.br/fisico-quimica/eletrolise-meio-aquoso.htm
Acessado: 10 abr. 2018

A eletrólise utilizada para esse processo de anodização é a eletrólise aquosa, ou seja, há também a auto-ionização da água, que já está no próprio meio, como mostra a seguinte equação:

H₂O  → H⁺ + OH^-

Apesar de fraca, a ionização da água "compete" com a dissociação da outra substância inserida no meio. No processo demonstrado, foi utilizado como substância condutora de corrente o ácido sulfúrico (H₂SO₄). Tal ácido se dissocia de acordo com a equação:

H₂SO₄  → 2 H⁺ + SO₄^2-

Sendo assim, no meio há os seguintes íons dissociados:

     H⁺         SO₄^2- 

2H⁺         OH^-

Nessa "competição", o polo negativo (cátodo) descarrega o cátion (que possui carga positiva) de redução mais fácil, nesse caso como só há íons de hidrogênio positivos, estes que serão descarregados. Da mesma forma que o polo positivo (ânodo) descarregará o ânion de oxidação mais fácil. Analisando uma tabela de prioridade de descarga dos íons (figura 2), pode-se facilmente perceber que o OH^- possui prioridade em relação aos ânions oxigenados, ou seja, o OH^- será o ânion descarregado. No demais, os outros íons não descarregados permanecerão no meio (H⁺ e SO₄²).

Figura 2: Prioridade de descarga dos íons (de cima para baixo)

Fonte: http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/eletrolise-agua.htm

Acessado: 10 abr. 2018

Com isto, pode-se então escrever as seguintes equações:

                   Ionização da água:                                        2 H₂O → 2 H⁺ + 2 OH^-

                   No polo negativo (redução catódica):           2 e^- + 2 H⁺ → H₂

                   No polo positivo (redução anódica):             2 OH^- → H₂O + ½ O₂ + 2 e^-

                   Reação global da eletrólise:                        H₂O → H₂ + ½ O₂

"Anodização é um processo eletrolítico ou eletro químico que promove a formação de uma camada controlada e uniforme de óxido na superfície do alumínio." (ABAL- Associação Brasileira do Alumínio, 2005). A anodização em meio sulfúrico é formada de concentração de acido sulfúrico, temperatura do eletrólito (solução onde a peça a ser anodizada será introduzida), tensão utilizada, densidade de corrente elétrica aplicada e agitação (Anodont, 2018). As etapas detalhando o processo serão expostas a seguir no post de metodologia.
A espessura da camada anodizada pode ser definida a partir da lei de Faraday, a qual influenciará em parte crucial do projeto. A lei de Faraday relaciona quantidade de carga e corrente. No processo de anodização, a quantidade de carga é equivalente ao volume da carga depositada multiplicado por uma constante de proporcionalidade 0,3 (cuja relaciona o Q e o Vol), contudo, o volume pode ser expressado pela área do objeto multiplicado pela espessura da camada de anodização criada (MENEGHESSO, 2007). Sendo assim, ao isolar a variável da espessura (E), temos que é equivalente ao tempo da anodização multiplicado pela corrente utilizada e pela constante 0,3, dividida pela área do objeto que se deseja anodizar, como mostra a equação 1 abaixo .
A densidade de corrente é equivalente à corrente dividida pela área, podendo ser aplicada à equação 1, ou seja, tem-se que com o valor de uma espessura ideal, a área da peça correspondente e o tempo desejado, é possível chegar a uma certa densidade de corrente, representado na equação 2. Esta irá se manter constante para as anodizações, sendo assim, utilizando este valor de densidade de corrente, pode-se determinar a corrente necessária apenas alterando os valores de tempo e área de acordo com a peça a ser anodizada.
De acordo com a corrente utilizada no processo é possível obter-se dois tipos de camadas anodizadas: uma camada mais porosa, de fácil coloração; e uma camada mais dura, bastante empregada para fins técnicos. (ABAL, 2005)
Para o nosso projeto de anodização foi utilizada a espessura ideal de 30,06 micrômetros, logo, chegou-se à densidade de corrente de 1,67 A/dm².
                                                                      

                                                                      EQUAÇÃO 1:

Figura 3: Equação para determinar espessura

Fonte: Própria

Onde: Q = Quantidade de carga depositada (Coulomb); Vol = Volume de alumina depositada (dm³);    i= corrente (A); t = tempo (minuto); E = Espessura (micrômetro); A = Área (dm²).

EQUAÇÃO 2:

Figura 4: Equação para determinar densidade de corrente

Fonte: Própria

Onde: j = densidade de corrente (A/dm²); i = corrente (A); Área (dm²).

Postado por: Jade Dotto Fiúza Guerreiro.

REFERÊNCIAS:

Manual da Química. Disponível em: https://manualdaquimica.uol.com.br/fisico-quimica/eletrolise-meio-aquoso.htm. Acessado: 10 abr. 2018

Mundo Educação. Disponível em: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/eletrolise-agua.htm Acessado: 10 abr. 2018

FELTRE, Ricardo. Química 2. 6ª ed. São Pualo: Moderna 2004. 418 páginas.

ABAL - Associação Brasileira do Alumínio. Guia técnico de alumínio: tratamento de superfície. 2 Ed. São Paulo: ABAL, 2005.

Anodont. Diponível em: http://www.anodont.com.br/tcc.php. Acessado: 10 abr. 2018

MENEGHESSO, Adeval. Noções Básicas sobre Processo de Anodizaçãao do Alumínio e suas Ligas. Disponível em: https://www.italtecno.com.br/artigos_tecnicos/Edicao_13.pdf. Acessado: 20 abr. 2018.