Informe 1 Gota, N Pila

INTRODUCCIÓN

La Corrosión metálica es definida como el deterioro de un material metálico a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, la salinidad del fluido en contacto con el metal y las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos. Los más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón). Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.) y todos los ambientes (medios acuosos, atmósfera, alta temperatura, etc.). Es un problema industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa un costo importante, ya que se calcula que cada pocos segundos se disuelve 5 toneladas de acero en el mundo, procedentes de unos cuantos nanómetros o picómetros, invisibles en cada pieza pero que, multiplicados por la cantidad de acero que existe en el mundo, constituyen una cantidad importante. Sin mas preámbulos el presente trabajo pretende informar sobre experiencias realizadas en el laboratorio de corrosión, experiencias que, para fines prácticos, están idealizadas para que todo resulte como se espera, esta idealización permite ver lo que ocurriría con la corrosión pero en tiempos más “medibles”, o en tiempos pequeños, es decir, a escala de laboratorio, todo esto ilustrado con imágenes para que la lectura sea mas amena y entendible. Las experiencias llevadas a cabo en el laboratorio, en orden en el que estará expuesto en el informe, son:

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Gota Salina. Pila Galvánica. Aireación Diferencial.

La estructura del informe presentado será la siguiente:

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Definiciones básicas: En esta sección se darán definiciones a términos que puedan aparecer durante la lectura del presente informe, para que la persona que lo está leyendo, aparte del especialista, tenga conocimiento sobre lo que se está informando. Desarrollo Práctico: En esta sección, se informará sobre todos los pasos realizados en laboratorio para llevar a cabo la experiencia. Desarrollo Teórico: En esta sección, se hará un análisis de los resultados obtenidos en la sección anterior.

DEFINICIONES BÁSICAS

La corrosión es, principalmente, un fenómeno electroquímico. Una corriente de electrones se establece cuando existe una diferencia de potenciales entre un punto y otro. Cuando desde una especie química cede y migran electrones hacia otra especie, se dice que la especie que los emite se comporta como un ánodo y se verifica la oxidación, y aquella que los recibe se comporta como un cátodo y en ella se verifica la reducción. Para que esto ocurra entre las especies debe existir un diferencial electroquímico, si separamos una especie y su semireacción se le denominará semipar electroquímico, si juntamos ambos semipares se formará un par electroquímico. Cada semipar está asociado a un potencial de reducción (antiguamente se manejaba el concepto de potencial de oxidación). Aquel metal o especie química que exhiba un potencial de reducción más positivo procederá como una reducción y viceversa, aquel que exhiba un potencial de reducción más negativo procederá como una oxidación. Para que haya corrosión electroquímica además del ánodo y el cátodo debe haber un electrolito (por esta razón también se suele llamar corrosión húmeda), la transmisión de cargas eléctricas es por electrones del ánodo al cátodo (por medio del metal) y por iones en el electrolito. Este par de metales constituye la llamada pila galvánica, en donde la especie que se oxida (ánodo) cede sus electrones y la especie que se reduce (cátodo) acepta electrones. Al formarse la pila galvánica el cátodo se polariza negativamente mientras el ánodo se polariza positivamente. En un medio acuoso, la oxidación del medio se verifica mediante un electrodo especial llamado Electrodo ORP que mide en milivolts la conductancia del medio. La corrosión metálica química es por ataque directo del medio agresivo al metal, oxidándolo y el intercambio de electrones se produce si n necesidad de la formación del par galvánico

DESARROLLO PRÁCTICO

Experiencia: Gota salina. Materiales Trozo pequeño de placa de acero Solución indicadora de ferricianuro de potasio Solución indicadora de fenolftaleína Gotario Sobre la placa de acero limpio se depositaron un par de gotas de agua, sobre estas también ambas soluciones soluciones, se observó una reacción entre estas, tornándose verde la zona donde cayeron las gotas y los extremos de un color fucsia. Luego de un par de minutos, se observó en el microscopio la zona atacada y se tomaron micrografias de ello. Experiencia: pila galvánica Materiales Probeta de acero Solución indicadora de ferricianuro de potasio Solución indicadora de fenolftaleína Gotario

Conexiones eléctricas Batería 12 V Recipiente transóptico

Se introdujeron las placas de acero en el recipiente con agua. Luego se conectaron eléctricamente las placas a una batería, una al +, la otra al -. Se adicionaron gotas de ambas soluciones indicadoras. Alrededor de una de las placas se notó un color verde. Experiencia: Aireación diferencial. Materiales Placas de Cu Fuentes de burbujas de aire Trozo de manguera Mili voltímetro Gotario

2 vasos de precipitado Puente salino Conexiones eléctricas

Vertimos agua potable en los vasos, al mismo nivel, introdujimos ambas placas de cobre conectadas al volmetro y se cerró el circuito con un puente salino. Se midió el voltaje en estado inicial: -35 mV. Luego en uno de los vasos se inyecto oxígeno, el voltaje cambió: -25 mV. Después de quitar el O2, el potencial aumentó a 70 mV hasta estabilizarse nuevamente después de un tiempo. El otro cambio fue llenar uno de los vasos con agua a 80ºC. Se notó una subida de potencial a 140 mV

DESARROLLO TEÓRICO

Experiencia: El ataque producido por la gota salina. Lo ocurrido en la experiencia realizada, es que las diferencias en la cantidad de oxígeno disuelto en el líquido en contacto con la superficie metálica, lo que se conoce como aireación diferencial, crean pilas de corrosión en las que el ataque del metal ocurre en las áreas menos oxigenadas, provocando una corrosión rápida e intensa.

Esta experiencia fue realizada por Evans, gran investigador que ha aportado mucho a la corrosión La parte periférica o más exterior de la gota, más aireada (con un más fácil acceso para el oxígeno) que el centro, juega el papel de lo que hemos llamado cátodo, con relación al centro, que a su vez se convierte en ánodo. Entre estas dos zonas se forma una membrana de hidróxido de hierro (herrumbre). Con ayuda de un tubo capital, se puede atravesar la membrana y comprobar la formación en el centro de la gota de una sal ferrosa (FeCl2, cloruro ferroso).

fácil acceso para el oxígeno (cátodo)

Zona con menor contenido de oxigeno (ánodo) Durante la experiencia se pudo observar que a partir de 10 segundos comenzó la aparición de puntos pequeños azules que mas tarde se agruparían para dar forma a la zona azul oscuro mostrada en la figura

correspondiendo esta a la zona anódica, al cabo de 120 segundos ya se observaba claramente ambas zonas (catódica y anódica). En soluciones acuosas o en atmósferas húmedas, el mecanismo de ataque envuelve algunos aspectos electroquímicos. Debe de existir un flujo de electricidad desde unas ciertas áreas a otras en la superficie metálica, a través de una solución (electrolito) capaz de conducir la electricidad, tal como el agua de mar o el agua dura (agua con un alto contenido de sales). De acuerdo a lo observado en la experiencia y a lo comentado podemos concluir que este es un medio muy agresivo y que en un corto tiempo puede causar un gran daño en diversos tipos de estructuras, también se concluye que todo esto comienza con micropilas que se van generando, aumentando e intensificándose en el tiempo para tener el efecto final, “corrosión”.

Experiencia: pila galvánica En presencia de un medio acuoso, la corrosión es de naturaleza electroquímica. Tal corrosión es un proceso espontáneo que denota la existencia de una zona anódica (que sufre la corrosión), una zona catódica y un electrolito, siendo imprescindible la presencia de estos tres elementos para que este tipo de corrosión pueda existir (se requiere asimismo de contacto eléctrico entre la zona anódica y la catódica).

A continuación se presenta un esquema típico para una pila galvánica.

La reacción que sucede en el ánodo por ejemplo para la reacción del fierro es: Fe (sólido) --->>> Fe++(electrolito) + 2 electrones, o sea una reacción de oxidación. El término ánodo se emplea para describir aquella porción de una superficie metálica en la que tiene lugar la corrosión (disolución) y en la cual se liberan electrones como consecuencia del paso del metal en forma de iones, al electrolito. Para realizar esta experiencia se utilizaron dos placas de acero. Estas se introdujeron en un vaso con un electrolito, en este caso el elctrolito fue agua, a continuación se asoció cada placa con una polaridad. Se pudo determinar cual era el cátodo y cual el ánodo por medio de la adición de fierricianuro, y fenolftaleina ya que así el ánodo se vio de color verde. Cabe señalar en este punto que una forma muy eficiente y económica de impedir la corrosión es el uso de la protección catódica por medio de ánodos de sacrificio o de corriente impresa. La protección catódica es un complemento perfecto de una buena pintura, ya que la corriente generada por los ánodos protege de inmediato esos puntos en los que la pintura ha sufrido deterioro. Durante la vida útil de una pintura, ésta se va deteriorando progresivamente por lo que a medida que transcurre el tiempo, la demanda de corriente es mayor y los ánodos aumentarán en forma natural su desgaste entregando la corriente necesaria para la protección. Además se puede decir que la protección catódica de estructuras de acero se basa en la aplicación de un metal que sea anódico respecto del acero, de tal manera que proteja a este último mediante el establecimiento de una celda galvánica intencional, donde el acero se convierte en cátodo, es decir en el metal protegido. Este mecanismo de protección implica por lo tanto el aporte de un metal de sacrificio que se corroerá preferencialmente. Si se

analiza la serie galvánica de los metales, se puede ver que tanto el Zn como el Al y el Mg, son anódicos respecto del hierro y del acero. Experiencia: Aireación diferencial. En esta experiencia pudimos demostrar que al existir una diferencia de potencial Oxígeno, es decir, mayor presencia de oxígeno en un vaso con respecto al otro, se genera una diferencia de potencial, el cual fue medido con el milivoltímetro, ¿Por qué ocurre esto?, debido a que en el lado que hay menos oxígeno, este tiene un comportamiento anódico con respecto al otro lado, y viceversa. La reacción que ocurre es: 2Cu(OH)2 + 1/2O2 + H2O => 2Cu(OH)3 También se puede observar que a medida que aumentan los tiempos el voltaje también aumenta, pero hay una tendencia a la saturación en la cantidad de oxígeno ya que el voltaje tiende a un valor constante. Esto se puede ver en el siguiente esquema.

El oxígeno siempre acelera la corrosión ya que es un oxidante fuerte y se reduce rápidamente en el cátodo, lo que significa que se combina muy fácil con los electrones del cátodo, con lo cual la velocidad de corrosión estará limitada con la rapidez con este gas se difunde desde el ceno electrolito a la superficie del metal, es decir, la velocidad de corrosión con aireación diferencial tiene un control del tipo difusivo. Si al inicio de la experiencia pusimos el milivoltímetro en cero, al aplicar la aireación se creará un flujo de electrones, y esto será medido en el milivoltímetro, si pensamos bien y lo miramos a grandes escalas, este flujo perfectamente podría hacer mover un pequeño motor y hacer andar un autito de juguete, ¿pero cuanto? ó ¿Hasta cuando?. Con respecto a la temperatura, sin aplicar algún tipo de aireación, también produce un delta potencial, por lo que podemos concluir que la velocidad de corrosión para iguales potenciales oxígeno, es controlada químicamente, es decir, la reacción en la capa límite controla la velocidad de corrosión.

DEPARTAMENTO DE CIENCIA DE MATERIALES

INFORME PRACTICO Nº1 ELEMENTOS DE CORROSION

Elena Reinoso Antonio Soto