Por que a esponja de aço queima?
16 de junho, 2024 às 22:51 | Postado em Estrutura da matéria, Mecânica, Outros temas, Termologia, termodinâmica
Respondido por: Prof. Fernando Lang da Silveira - IF-UFRGSProfessor
As esponjas tipo Bom Bril são feitas de aço? Se sim, como podem elas queimar? Utensílios feitos de ferro ou aço não queimam e por isso entendo que aquelas esponjas devem ser de outro material.
Antecipadamente agradeço a resposta.
As esponjas para limpeza, do tipo Bombril, são feitas de aço usinado em fios de pequena espessura, reunidos em uma lã de aço. A figura 1, extraída de Propriedades da lã de aço, apresenta uma tabela que relaciona as características de diversos tipos de lã de aço. Em vermelho está indicada a linha da tabela que se refere às esponjas para limpeza do tipo Bombril.
O aço dessa lã é essencialmente ferro com um pouco de carbono. Como é bem sabido esse aço oxida (o ferro reage com oxigênio resultando em óxido de ferro). A evidência da oxidação é a formação de ferrugem na superfície do aço em contato com o ar.
A queima ou combustão é uma oxidação rápida que pode acontecer com muitas substâncias, inclusive metais, liberando uma quantidade suficiente de energia para manter o material que oxida a uma temperatura elevada, capaz de sustentar essa combustão se houver também oxigênio disponível.
Para que o aço entre em combustão dois fatores são importantes: haver disponibilidade de oxigênio e a manutenção da temperatura elevada para autossustentar o processo de oxidação rápida.
Em um pedaço de aço como um prego ou uma faca por exemplo, a maior parte do ferro está dentro do corpo.
Quando o aço está em fios muito finos, há uma área superficial de aço muito maior em contato com o ar do que se mesma massa de aço estivesse toda reunida em um único pedaço.
Uma esponja de aço Bombril tem massa aproximada de 8 gramas de acordo com o fabricante. Como a densidade do aço é muito próxima de 8 gramas por centímetro cúbico, o volume de aço na esponja é de apenas 1 centímetro cúbico.
Se essa massa de 8 gramas de aço estivesse concentrada em um cubo, este teria uma aresta de 1 centímetro e a sua área superficial total seria de 6 centímetros quadrados.
Mas de fato o aço da esponja se encontra em fios com diâmetro de 0,025 milímetros em acordo com a tabela 1. A área superficial desse pedaço de lã de aço que constitui a esponja é cerca de 0,2 metros quadrados (o cálculo é apresentado adiante), portanto quase 300 vezes maior do que a área do cubo com a mesma massa de aço.
Isso significa que mais ferro está disponível para combinar com o oxigênio do ar na esponja de aço do que em um corpo de aço com igual massa, de modo que muita energia térmica se acumula em uma região pequena quando a queima é iniciada, resultando em uma temperatura grande o suficiente para autossustentar a combustão.
O aço para de queimar quando o óxido de ferro se acumula o suficiente para impedir que o oxigênio chegue ao seu interior, o que certamente acontece quando se tenta queimar um corpo compacto. Adicionalmente em um corpo compacto, como o aço é um bom condutor térmico a energia liberada na queima é transferida para a massa interna, levando a que a temperatura não se eleve tanto quanto em um fio fino, impedindo o seguimento da combustão autossustentada.
Este efeito da área de superfície exposta ao ar é aplicável de um modo geral para substâncias combustíveis. Por exemplo, é difícil atear fogo à madeira seca quando se trata de um tronco grande, mas é fácil quando se trata de lascas finas ou de papel.
O caso extremo é um pó muito fino. Grande parte do material combustível está em contato com o ar, havendo oxigênio disponível para uma combustão explosiva. Um acidente recente que exemplifica essa possibilidade está descrito nesta notícia: Excesso de poeira de grãos causou explosão em silo no Paraná.
Estimativa da área superficial de uma esponja de aço tipo Bombril
Sendo D o diâmetro do fio de aço utilizado na esponja e sendo V o volume de aço no fio, é fácil demonstrar que a área da superfície lateral A do fio é dada por:
A = 4 V/D .
Admitindo que a lã de aço da esponja seja feita com um único fio com volume V=1cm3 e diâmetro D=0,0025cm, a área vale
A = 4.1/0,0025 = 1600cm2
Desta forma uma estimativa para área superficial da esponja é cerca de 0,2m2.
Um vídeo sobre o tema da postagem: Como relacionamos palha de aço, explosão de poeira e o King Kong? Pergunte ao CREF!
“Docendo discimus.” (Sêneca)
A superfície de contato da esponja de aço é grande, o que favorece a reação com o oxigênio do ar. O ferro é pirofórico tal como muitos metais (Ti, Zr, Mg, Al, U, Sm etc). Uma chapa de ferro entraria em combustão se estivesse em uma atmosfera de O2 puro e recebesse energia de ativação suficiente para iniciar a reação ( note que a oxidação do ferro em Fe2O, FeO e Fe2O3 apresentam valores de entalpia negativos). É uma questão de Cinetica Química. Um pedaço de ferro, como um prego, ao oxidar, está “queimando” muito lentamente. A velocidade de uma reação quimica depende das concentrações dos reagentes, da afinidade química entre as espécies envolvidas e da superfície de contato.
Vejamos a reação de oxidação do ferro:
2 Fe + 3/2 O2 => Fe2O3
________
Valores de entalpia de formação padrão:
Fe: zero
O2: zero
Fe2O3: -824,21 kJ/mol
_______
Valores de Entropia padrão:
Fe:27,26 J/mol.K
O2:205,10 J/mol.K
Fe2O3: 87,38 J/mol.K
_______
Conforme os coeficientes estequiométricos:
DS = soma S produtos – soma S reagentes
DS = – 274,79 J/mol.K
_______
DG = DH – T.DS
Para 298,15 K:
DG = -742.281, 36 J/ mol
DG = – 742,28 kJ/mol a 298,15 K.
* Esse valor de DG denota que, na condição dada, a reação ocorre de forma espontânea. Assim o ferro tende a formar Fe2O3 na temperatura ambiente, mesmo que lentamente. O DG fala sobre a espontaneidade, mas não sobre a velocidade da reação. Ele indica se a reação ocorre ou não em dada situação.