OXIDACIÓN Y CORROSIÓN

Transcripción

1 OXIDACIÓN Y CORROSIÓN Tecnología Industrial II

2 Índice 1. OXIDACIÓN Velocidad de oxidación Protección contra la oxidación CORROSIÓN Reacciones electroquímicas Potenciales de electrodo Efecto de la concentración en los potenciales de electrodo Celdas galvánicas en la corrosión Velocidad de corrosión Tipos de corrosión Corrosión uniforme Corrosión galvánica Corrosión por picadura Corrosión por grietas Corrosión intergranular Corrosión bajo tensión Corrosión erosiva Corrosión selectiva Control de la corrosión Selección de materiales Recubrimientos Diseño Alteración del entorno Protección catódica Protección anódica... 4 Tecnología Industrial II Índice - I -

3 OXIDACIÓN Y CORROSIÓN 1. OXIDACIÓN En términos económicos, el problema de la oxidación es de grandes dimensiones, pues se estima que aproximadamente el 5% del PIB de un país industrializado se gasta en su prevención o en sustituir los elementos afectados. Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos, se dice que experimenta una reacción de oxidación. í Ó í El signo + que precede a la energía indica que la reacción es exotérmica y, en consecuencia, transcurre hacia la formación del óxido. En cambio si la reacción es endotérmica (signo para la energía) puede deducirse que el material será de difícil oxidación. La relativa facilidad con que se oxidan los distintos elementos químicos explica que la mayor parte de ellos se encuentren en la corteza terrestre combinados con el oxígeno formando diferentes compuestos. Concepto electrónico de oxidación y reducción. Oxidación. Proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden electrones. Así un metal M, con valencia v, puede experimentar una oxidación según la reacción M M v+ + v e - Donde el metal M se oxida (pérdida de electrones), convirtiéndose en un ion con v+ cargas positivas al perder sus v electrones de valencia. Fe Fe e - La zona en la que se produce la oxidación se denomina ánodo, por lo que la oxidación también se conoce como reacción anódica. La reacción inversa a la oxidación es la reacción de reducción. La zona donde se produce se denomina cátodo. Una reacción catódica o de reducción es la que toma los electrones de la oxidación. M v+ + v e - M Los iones metálicos también se pueden reducir. Ello depende del mayor o menor avidez por ceder electrones de una pareja de metales. Así, uno los puede ceder y el otro tomarlos. Esta situación es poco frecuente, salvo en condiciones determinadas que, precisamente, formarán parte de un método de protección contra la corrosión que es la electrodeposición Velocidad de oxidación Debido a que las propiedades de los materiales empeoran considerablemente con la oxidación (por ejemplo los óxidos son comparativamente mucho más frágiles que los materiales de los que provienen) es importante conoce la velocidad de oxidación. Se podría pensar que un elemento se oxidaría tanto más rápidamente cuanto mayor fuese la energía liberada en el proceso. Esto no sucede así en la realidad. Si se consideran solo las energías de oxidación, el aluminio se debería oxidar aproximadamente al doble de velocidad que el hierro; sin embargo sucede precisamente lo contrario: el hierro se oxida mucho más rápidamente. En la velocidad de oxidación han de influir necesariamente otros factores, además de carácter más o menos exo- o endotérmico de la reacción de oxidación. Tecnología Industrial II Página - 1 -

4 A la combinación de un metal con el oxígeno del aire (corrosión seca), la reacción que tiene lugar es, en el caso de un metal divalente (valencia 2): M + ½ O 2 MO La reacción global se puede descomponer en dos reacciones parciales: una de oxidación (pérdida de electrones) y otra de reducción (ganancia de electrones): Oxidación (pérdida de electrones): M M e - Reducción (ganancia de electrones): 1/2 O 2 + 2e - O 2- Cuando el metal se encuentra situado en una atmósfera oxidante, su superficie se oxida más o menos rápidamente, de acuerdo con el valor correspondiente a su energía de oxidación, y el óxido que se forma se deposita en la parte exterior, recubriendo al metal. Una vez que se ha formado esta capa de óxido, para que la reacción progrese será necesario que se cumpla una de estas dos condiciones: Que el catión metálico M 2+ junto con los dos electrones atraviesen por difusión la capa de óxido, produciéndose la reducción del oxígeno en la interfase óxido-atmósfera (difusión catódica) Que los dos electrones atraviesen por difusión la capa de óxido y, una vez producida la reducción del oxígeno, los iones O 2- atraviesen de nuevo dicha capa en sentido contrario, produciéndose en este caso la reacción de oxidación en la interfase metal óxido (difusión anódica) El grado de protección de una película de óxido depende de muchos factores; en general se puede decir que este efecto protector será tanto mayor cuanto: Mejor sea la adherencia de la capa de óxido al metal. Más elevado sea el punto de fusión del óxido. Menor sea la fragilidad del óxido. Menor sea la conductividad eléctrica del óxido. Más se oponga la capa de óxido a la difusión de los iones metálicos y de oxígeno. También influye la llamada relación Pilling Bedworth, que es el cociente entre el volumen de óxido formado y el volumen de material consumido en la oxidación: Si la relación P.B. es menor que 1, el volumen del óxido será menor que el del material consumido y, por lo tanto, la cubierta protectora de óxido se agrietará. Si la relación P.B. es mayor que 1, el volumen del óxido es mayor que el del material consumido, lo que producirá un esfuerzo de compresión en el óxido que provocará su rotura. Si la relación P.B. es próxima a 1, la capa de óxido puede actuar como protectora del metal, dependiendo su acción de los factores anteriormente enumerados. EJEMPLO: Calcula la relación Pilling Bedworth para el aluminio, sabiendo que la densidad de este metal es 2,70 g/cm 3 y la de su óxido (Al 2 O 3 ), 3,70 g/cm 3. La masa atómica del aluminio es 26,98 y la del oxígeno, 16. Solución: La reacción de oxidación se produce según la siguiente ecuación: 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 Tecnología Industrial II Página - 2 -

5 Por lo tanto cada 2 moles de aluminio darán como resultado 1 mol de óxido, la cantidad de oxígeno no influye en la relación P.B. por lo tanto no la tenemos en cuenta Una forma de medir la velocidad a la que se produce un proceso de oxidación consiste en determinar la ganancia de peso por unidad de área (w) en función del tiempo. La masa será mayor que la del material sin oxidar al añadirse el oxígeno. La velocidad a la que tiene lugar la oxidación de un determinado metal no es constante, sino que depende, entre otros factores, de la temperatura y de la presión del oxígeno en la atmósfera oxidante. A mayor temperatura la oxidación se produce más rápidamente, ya que la difusión de los iones metálicos o del oxígeno se ve favorecida a temperaturas elevadas. Y cuanto mayor sea la presión del oxígeno tanto mayor será la velocidad a la que se verifica la oxidación, puesto que en este caso la difusión de los iones O 2- se realiza con mayor facilidad. La velocidad de oxidación de distintos materiales, en unas condiciones dadas de temperatura y presión de oxígeno, muestra los siguientes comportamientos: Lineal: La ganancia en peso por unidad de área viene representada por la expresión: w=k L t k L es una constante característica de cada material. Este comportamiento es típico de materiales en los que la película de óxido es porosa o la relación P.B. es muy baja o muy alta. La velocidad de oxidación no se ve influida por la presencia de la capa de óxido, ya que se agrieta o se desprende. Parabólico: La ganancia en peso por unidad de área sigue la siguientee fórmula: w 2 =k P t k P es una constante característica de cada material. La velocidad a la que se produce la ganancia de peso es elevada al comienzo; pero conforme transcurre el tiempo esta velocidad disminuye, debido al efecto de la capa de óxido. Las velocidades de oxidación siguen la ley de Arrhenius, las constantes k L y k P aumentan exponencialmente con tal temperatura: Donde A L, A P, Q L y Q P son constantes de cada material y también dependen de la presión del oxígeno existente en la atmósfera oxidante y R es la constante universal de los gases (8,31 J mol - 1 K -1 ) y T es la temperatura medida en grados Kelvin. EJEMPLO: Un material muestra una oxidación de tipo parabólico en unas determinadas condiciones. Sabiendo que en 2 horas ha sufrido una ganancia en peso por unidad de área de 100µg/cm 2, cuál será su ganancia en peso por unidad de área al cabo de 10 días? Solución: Aplicando la relación w 2 =k P t en las dos condiciones del problema y teniendo en cuenta que 10 días = 240 horas, resulta: (100 µg/cm 2 ) 2 = k P 2h w 2 =k P 240 h Dividiendo entre sí estas dos expresiones, se obtiene:, de donde resulta w=1 095 µg/cm 2 Tecnología Industrial II Página - 3 -

6 1.2. Protección contra la oxidación 2. CORROSIÓN Reacciones electroquímicas 2.2. Potenciales de electrodo 2.3. Efecto de la concentración en los potenciales de electrodo 2.4. Celdas galvánicas en la corrosión 2.5. Velocidad de corrosión 2.6. Tipos de corrosión Corrosión uniforme Consta de un tambor que gira solidariamente con el eje de rotación y de otra pieza fija al bastidor, llamada zapata, que cuando se acciona Corrosión galvánica Corrosión por picadura Corrosión por grietas Corrosión intergranular Corrosión bajo tensión Corrosión erosiva Corrosión selectiva 2.7. Control de la corrosión Selección de materiales Recubrimientos Diseño Alteración del entorno Protección catódica Protección anódica Tecnología Industrial II Página - 4 -