MATERIALES CORROSIVOS

Transcripción

1 MATERIALES CORROSIVOS

2 CURSO SOBRE MATERIALES CORROSIVOS CONCEPTO DE CORROSIÓN Corrosión de materiales inorgánicos Corrosión de materiales orgánicos MATERIALES CORROSIVOS Acidos y bases Concepto de acidez y basicidad Ácidos y bases débiles y fuertes Concepto de ph Reacciones de neutralización Gases corrosivos

3 Que es la corrosión? Sobre que materiales actúa? Una definición sencilla de corrosión sería: degradación de un material, generalmente un metal, o de sus propiedades debido a la reacción con el ambiente o con una sustancia corrosiva. La corrosión es una reacción química por la que un metal se transforma en un derivado más estable desde el punto de vista termodinámico (óxido, sal) por contacto con el agua, el aire o el suelo o se transforma por reacción con un producto químico

4 El término corrosión es un término que se puede referir a varios tipos de procesos químicos en función del tipo de material que se esté corroyendo, así podemos diferenciar dos tipos básicos de corrosión: - De materiales inorgánicos (principalmente metales) - De materiales orgánicos

5 CORROSIÓN DE MATERIALES INORGÁNICOS La corrosión genera importantes daños a todo tipo de infraestructuras y en USA se ha cuantificado sus efectos, calculando un coste anual medio de 276 billones de dólares lo que constituye un 3.1% del producto interior bruto, aunque sus costes indirectos pueden llegar al 6%.

6 - De los 118 elementos químicos de la tabla periódica 80 son metales susceptibles de corroerse en diferente medida según sus características químicas -La forma más conocida de la corrosión es la formación de óxido sobre el hierro - Aunque a ritmos generalmente más lentos el resto de los metales también se corroen - Este efecto generalmente no se ve, debido a la formación de películas protectoras (Al)

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8 Por qué se corroen los metales? -Los metales rara vez aparecen en la naturaleza en estado metálico -La fuerza que genera la corrosión es una consecuencia natural de su existencia temporal en estado metálico -Para alcanzar el estado metálico a partir de sus formas naturales estos materiales absorben y almacenan la energía suministrada para transformarlos desde sus compuestos originales que luego será liberada durante la corrosión -La corrosión de los metales se puede dar en dos tipos de medios -Corrosión en medios ácidos -Corrosión en medios básicos

9 CORROSION EN MEDIOS ÁCIDOS - Un gran número de metales reaccionan con los ácidos disolviendose (corrosión) y generando hidrógeno

10 CORROSION EN MEDIOS NEUTROS Y ALCALINOS - La corrosión de los metales también puede ocurrir en agua neutra, agua marina, soluciones salinas y soluciones alcalinas - Para que ocurra la corrosión en estos medios debe existir oxígeno disuelto. El agua disuelve el oxígeno del aire con facilidad y este es el motor de la corrosión Mar muerto

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12 CORROSION ENTRE METALES -Cuando dos metales humedecidos se ponen en contacto, forman una pila electroquímica. -En esta pila el metal químicamente más activo hace de polo negativo (ánodo) y el menos activo, de polo positivo (cátodo). SERIES GALVÁNICAS -El metal más activo se corroe más rápidamente, protegiendo así al menos activo. Este tipo de protección se llama protección catodica y el metal que hace de ánodo se llama metal de sacrificio.

13 Tendencia a ser cátodo Tendencia a ser ánodo

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15 EXPERIMENTO DE PROTECCIÓN CATÓDICA La protección catódica se produce porque el Al es un metal que está por debajo en la serie galvánica que el Fe. Así al estar el Al conectado al Fe actua como ánodo, se corroe y protege al Fe El Fe que no esta conectado al Al se corroe en tan solo dos días

16 NATURALEZA DE LA CORROSION: PROCESO ELECTROQUÍMICO -La corrosión en los ambientes acuosos es realmente un proceso electroquímico ya que la corrosión implica la transferencia de electrones entre la superficie del metal y la solución acuosa -Se denomina ánodo al metal que se está corroyendo mientras que cátodo se usa para describir el metal que consume los electrones producidos por la reacción de corrosión EXPERIMENTO CORROSIÓN DE METALES EN UNA CELDA GALVÁNICA CON GENERACIÓN DE CORRIENTE ELÉCTRICA

17 - El hecho de que la corrosión consiste en al menos una reacción de oxidación y una de reducción no es siempre tan obvio como en las baterias - Las dos reacciones suelen estar combinadas en una sola pieza de metal Aquí un fragmento de Zn está con ácido clorhidrico corroyéndose en ausencia de oxígeno. El Zn se oxida en un punto a Zn 2+ y los electrones producidos en una zona cercana donde iones de H + se transforman en hidrógeno gas

18 Cuando el ácido que ataca el metal se encuentra en un medio oxigenado la reacción es más rápida ya que los electrones producidos se utilizan para generar hidrógenos gaseoso y agua.

19 El agua del mar es normalmente más corrosiva que el agua dulce debido a su alta conductividad y el poder penetrante del ion cloruro sobre la superficie protectora de los metales.

20 CORROSIÓN DEL HIERRO Cuando el Fe esta sumergido en agua o la humedad forma una película sobre el, el oxígeno disuelto reacciona con el Fe causando la formación de oxidos de Fe: - Disolución anódica del Fe que se va a la solución (agua) Fe -----> Fe e- - Reducción catódica del oxígeno disuelto en el agua O 2 + 2H 2 O + 4e > 4OH - La reacción global final es: Fe OH > Fe(OH) 2 Fe(OH) 2 reacciona con el oxígeno del aire para dar oxídos de Fe: Fe 2 O 3 (rojo) and Fe 3 O 4 (negro) El producto final cuando se seca tiene un aspecto terroso marrón-rojizo En la superficie de un metal con agua se forma infinitos cátodos y ánodos distribuidos de forma homogenea sobre la superficie

21 CORROSIÓN DE MATERIALES ORGÁNICOS - Los procesos de corrosion de materiales orgánicos son los que destruyen o dañan irreversiblemente el material organico cuando entra en contacto con el. Los corrosivos afectan a los ojos, la piel, los tejidos debajo de la piel y su inhalación o ingestión dañan el sistema respiratorio y gastrointestinal -El término caústico se utiliza erroneamente como sinónimo de corrosivo -El termino ácido se utiliza imprecisamente para todos los corrosivos -Diferenciación entre corrosivos y venenos -La acción sobre los tejidos vivos se basa en reacciones ácido-base: hidrolisis de esteres y de amidas

22 -Tanto los ácidos como las bases son capaces de atacar los tejidos catalizando la hidrólisis de las grasas. -Los corrosivos también atacan a las proteinas que pueden ser hidrolizadas y destruidas -Producen una deshidratación de los tejidos generando una reacción fuertemente exotérmica. Acido sulfúrico: quemaduras químicas + térmicas -Los agentes fuertemente oxidantes pueden ser corrosivos para los tejidos incluso a ph neutro

23 EXPERIMENTO CON AZUCAR Y SULFURICO El ácido sulfúrico es un ácido fuerte que además es altamente higroscópico, es decir, es capaz de absorber agua de las sustancias, incluso de extraer agua de diferentes moléculas como es el caso del azucar al que convierte en carbón. C 12 H 22 O 11(s) + H 2 SO 4(l) -> 11 H 2 O (g) + 12 C (s)

24 PRODUCTOS CORROSIVOS: ACIDOS Y BASES Desde un punto de vista práctico se pueden identificar los ÁCIDOS por su sabor, su capacidad de reaccionar con muchos metales y carbonatos y su efecto sobre el color de sustancias llamadas indicadores (papeles de ph). Desde un punto de vista químico se define un ácido como una sustancia capaz de ceder iones hidrógeno (H + ) en disolución acuosa. Cuando el cloruro de hidrógeno se disuelve en agua, se ioniza completamente en H + y Cl - HCl (g) H + (aq) + Cl - (aq)

25 Los ácidos fuertes son compuesto moleculares que están casi por completo ionizados en disolución acuosa, como por ejmplo el HCl y el HNO 3 No hay muchos ácidos fuertes de uso habitual, pero se utilizan grandes cantidades de clorhídrico, perclorico, nítrico y sulfúrico. H 2 SO 4 (aq) H + (aq) + HSO 4- (aq) reacción totalmente desplazada a la derecha

26 EXPERIMENTO: REACCIÓN DE METALES CON ÁCIDO NÍTRICO El Al no reacciona con el ácido nítrico porque este compuesto además de sus propiedades como ácido es un fuerte oxidante que produce una capa de oxido de aluminio (Al 2 O 3 ) El Zn reacciona violentamente con el nítrico pero de manera diferente en función de la Tª y la concentración 3Zn + 8HNO 3 3Zn(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O (alta concentración y Tª) Zn(s) + 2HNO 3 (aq) Zn(NO 3 ) 2 (aq) + H 2 (g) (baja concentración y Tª) El Cu reacciona violentamente produciendo gases de NO 2, la reacción es una reacción de oxidación Cu + 2 HNO H + Cu NO2 + 2 H2O

27 Los ácidos débiles son lo que no están completamente ionizados en disolución acuosa. Estó le ocurre al ácido acético, en el que la ionización es un proceso reversible. El ácido acético es un electrolito débil HC 2 H 3 O 2 (aq) H + (aq) + C 2 H 3 O 2- (aq)

28 Desde un punto de vista práctico se pueden identificar las BASES por su sabor amargo, su tacto resbaladizo y su efecto sobre el color de sustancias llamadas indicadores (papeles de ph). Químicamente una base es una sustancia capaz de producir iones hidroxilo (OH - ) en disolución acuosa. Un hidróxido ionico soluble como el NaOH en estado sólido está formado por iones Na + y OH -. Cuando el sólido se disuelve en agua, los iones se disocian completamente - NaOH (s) Na + (aq) + OH - (aq) Este tipo de base que se disocia completamente en disolución acuosa es una basa fuerte. Como con los ácidos el número de bases fuertes de uso común son pocas (NaOH, KOH, Ca(OH) 2 )

29 Fundamentalmente se trata de los hidróxidos de los metales del grupo I y algunos del grupo II

30 Algunas sustancias producen iones OH - porque reaccionan con el agua cuando se disuelven en ella. Estas sustancias como el amoniaco son también bases NH 3 (aq) + H 2 O (l) NH 4+ (aq) + OH - (aq) El NH 3 es un electrolito débil y no reacciona completamente con el agua. Una base que no está completamente ionizada en disolución acuosa es una base débil. La mayor parte de las sustancias básicas son bases débiles. El etanol, C 2 H 5 OH no es una base ya que el grupo OH no está presente como OH - ni en el etanol puro ni en sus disoluciones acuosas.

31 El Mg(OH) 2 es una base porque contiene OH -, pero este compuesto es prácticamente insoluble en agua Mg(OH) 2 (s) Mg 2+ (aq) + OH - Sus partículas sólidas finamente divididas forman una suspensión en agua que es la conocida leche de magnesia utilizada como antiácido Mg(OH) 2 (s) + 2H + (aq) Mg 2+ (aq) + 2H 2 O(l) El carbonato cálcico (CO 3 Ca) es otro sólido insoluble en agua que se solubiliza en ácidos fuertes y débiles. En este caso, el sólido produce una pequeña concentración de iones CO 3 2- que se combinan con los H + formándose el ácido débil H 2 CO 3 CaCO 3 (s) + 2 H + (aq) Ca 2+ (aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) Para tratar la reacción anterior como una reacción ácido-base, debemos considerar al CO 3 2- como una base. De esta forma no solo son bases los compuestos que generan grupos OH -

32 EXPERIMENTO: CORROSIÓN DE Al EN UN MEDIO BÁSICO Bajo circunstancias normales el Al no reacciona con el agua debido a una capa protectora impermeable compuesta de hidróxido de Al La adición de NaOH previene la formación de esa capa o la disuelve (5g Al en 20ml NaOH 40%): Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O 2Na + + 2[Al(OH) 4 ] - Una vez eliminada la capa protectora la reacción se produce con rapidez: 2 Al + 2 NaOH + 2 H 2 O 2 NaAlO H 2

33 LA ESCALA DE ph El agua incluso cuando es pura presenta pequeñas concentraciónes de iones H + y OH - presentando las mismas concentraciones. A 25ºC en agua pura [H + ] = [OH - ] = 1.0 x 10-7 M Dado que las concentraciones de los iones H + y OH - en disolución acuosa son números muy pequeños y, por lo tanto, es difícil trabajar con ellos, se propuso una medida más prácitca denominada ph El ph de una disolución se define como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno (moles/litro) ph = -log [H + ]

34 El logaritmo de un número, en una base dada(10), es el exponente al cual se debe elevar la base (10) para obtener el número. Log 10 X =y 10 y = X Log 100 = 2 Para ph =1 la concentración de H + es 0.1M Para ph =2 la concentración de H + es 0.01 M (10-2 ) Para ph =3 la concentración de H + es M (10-3 ) Para ph =4 la concentración de H + es M (10-4 ) Para ph =5 la concentración de H + es M (10-5 ) Para ph =6 la concentración de H + es M (10-6 ) Para ph =7 la concentración de H + es M (10-7 ) Para ph =8 la concentración de H + es M (10-8 ) Para ph =9 la concentración de H + es M (10-9 ) Para ph =10 la concentración de H + es M (10-10 ) Para ph =11 la concentración de H + es M (10-11 ) Para ph =12 la concentración de H + es M (10-12 ) Para ph =13 la concentración de H + es M (10-13 ) Para ph =14 la concentración de H + es M (10-14 )

35 El ph aumenta a medida que la concentración de H + disminuye MUESTRA VALOR DE Ph Jugo gástrico en el estómago Zumo de limón 2.4 Vinagre 3.0 Zumo de pomelo 3.2 Zumo de naranja 3.5 Orina Agua expuesta al aire 5.5 Saliva Leche 6.5 Agua pura 7.0 Sangre Lágrimas 7.4 Leche de magnesia 10.6 Limpiador con amoniaco 11.5

36 El ph de los fluidos corporales varía mucho, en términos generales de su localización y de su función. El bajo ph de los jugos gástricos facilita la digestión, en tanto que el ph mayor de la sangre es necesario para el transporte del oxígeno.

37 EXPERIMENTO Medida del ph de ácidos y bases débiles y fuertes EXPERIMENTO Disminución del ph de ácidos y bases débiles y fuertes por dilución

38 REACCIONES DE NEUTRALIZACIÓN La propiedad más significativa de los ácido y las bases es quizás su capacidad de cancelarse o neutralizar uno las propiedades del otro En la reacción se forma una sal y agua En una reacción de neutralización en la que interviene la base débil NH 3 (aq), se puede asumir que los iones H + de un ácido se combinan directamente con la moléculas de amoniaco formándose NH 4 +

39 EXPERIMENTO ABSORCIÓN DE ÁCIDOS Y BASES CON ABSORBENTE UNISAFE EXPERIMENTO ABSORCIÓN DE ÁCIDOS Y BASES CON ABSORBENTES ESPECIALES

40 REACCIONES DE NEUTRALIZACIÓN CON FORMACIÓN DE GASES Ciertas sales como los carbonatos, bicarbonatos, sulfitos y sulfuros reaccionan con ácidos formando productos gaseosos CaCO 3 (aq) + 2HCl 2CaCl 2 (aq) + H 2 CO 3 (aq) El ácido carbónico es una sustancia inestable y se descompone en: H 2 CO 3 (aq) H 2 O (l) + CO 2 (g) EXPERIMENTO DE GENERACIÓN DE GASES CON VINAGRE Y BICARBONATO SÓDICO EXPERIMENTO DE NEUTRALIZACIÓN DE ÁCIDOS CON CARBONATO CÁLCICO

41 GASES CORROSIVOS Gases inertes: No arden, no mantienen la combustión y en su seno no es posible la vida, argón, nitrógeno, etc. Gases comburentes: Son indispensables para mantener la combustión, oxígeno,, etc. Gases combustibles: Arden fácilmente en presencia del aire o de otro oxidante, hidrógeno, acetileno. Gases corrosivos: Capaces de atacar a los materiales y destruir los tejidos cutáneos (Cl, NO 2, HCl). Definicion: Aquel que produce una corrosión de más de 6 mm/año, en un acero A33 UNE , a una temperatura de 55ºC. Gases tóxicos: Producen interacciones en el organismo vivo, pudiendo provocar la muerte a determinadas concentraciones, monóxido de carbono.

42 Gran número de gases comerciales son corrosivos Estos gases deben ser envasados en recipientes de metales especiales Daños mayores que los ocasionados por el fuego Difusión por el calor reacciones del oxígeno sobre metales ferrosos: Consume el metal Hace variar algunas de sus propiedades Incendios de productos sintéticos (fibras textiles, plasticos): liberación de gases corrosivos

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44 EXPERIMENTO DE OXIDACIÓN RÁPIDA DE HIERRO Se mezclan 30 ml de vinagre y 30 ml de lejia en un baso de precipitados y se añade lana de acero. En aproximadamente 20 minutos se aprecia la oxidación del Fe Cuando un ácido (vinagre) se añade a la lejía (hipoclorito sódico) se genera gas de cloro. Este gas reacciona con el Fe formando cloruro de Fe 5