17.6: La corrosión

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Habilidades para desarrollar

Definir la corrosión
Listar algunos de los métodos usados para prevenir o pausar la corrosión

La corrosión generalmente se define como la degradación de los metales debido a un proceso electroquímico. La formación de óxido en el hierro, el deslustre en la plata y la pátina azul verdosa que se desarrolla en el cobre son ejemplos de la corrosión. El costo total de la corrosión en los Estados Unidos es significativo, con estimaciones de más de medio billón de dólares al año.

Los colores cambiantes

La Estatua de la Libertad es una estatua que todos los estadounidenses reconocen. La Estatua de la Libertad se identifica fácilmente por su altura, postura y color azul verdoso único. Cuando esta estatua fue entregada por primera vez desde Francia, no aparecía verde. Era de color marrón, el color de su "piel" era cobriza. Entonces, ¿Cómo cambió de color la Estatua de la Libertad? El cambio de apariencia fue resultado directo de la corrosión. El cobre, que es el componente principal de la estatua, sufrió lentamente la oxidación del aire. Las reacciones de oxidación-reducción del cobre metálico en el medio ambiente ocurren en varios pasos. El cobre metálico se oxida a óxido de cobre (I) (\(\ce{Cu_2O}\)), que es rojo, y luego a óxido de cobre (II), que es negro.

\[\ce{2Cu}_{(s)} +\ce{½O}_{2(g)} \rightarrow \underset{\text{red}}{\ce{Cu2O}_{(s)}} \label{\(\PageIndex{1}\)}\]

\[\ce{Cu2O}_{(s)} +\ce{½O}_{2(g)}\rightarrow \underset{\text{black}}{\ce{2CuO}_{(s)}} \label{\(\PageIndex{2}\)}\]

El carbón, que a veces tenía un alto contenido de azufre, se quemó extensamente a principios del siglo pasado. Como resultado, el trióxido de azufre, el dióxido de carbono y el agua reaccionaron con \(\ce{CuO}\).

\[\ce{2CuO}_{(s)}+\ce{CO}_{2(g)} + \ce{H_2O}_{(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_2CO_3(OH)}_{2(s)}} \label{\(\PageIndex{3}\)}\]

\[\ce{3CuO}_{(s)}+\ce{2CO}_{2(g)}+\ce{H_2O}_{(l)} \rightarrow \underset{\text{blue}}{\ce{Cu_2(CO_3)_2(OH)}_{2(s)}} \label{\(\PageIndex{4}\)}\]

\[\ce{4CuO}_{(s)}+\ce{SO}_{3(g)}+\ce{3H_2O}_{(l)} \rightarrow \underset{\text{green}}{\ce{Cu_4SO_4(OH)}_{6(s)}} \label{\(\PageIndex{5}\)}\]

Estos tres compuestos son responsables por la característica pátina azul verdosa que se ve hoy. Afortunadamente, la formación de la pátina hizo una capa protectora en la superficie, evitando más corrosión de la “piel” de cobre. La formación de la capa protectora es una forma de pasivación, que se analiza con más detalle en un capítulo que sigue.

This figure contains two photos of the Statue of Liberty. Photo a appears to be an antique photo which shows the original brown color of the copper covered statue. Photo b shows the blue-green appearance of the statue today. In both photos, the statue is shown atop a building, with a body of water in the background."> <img src="/resources/c71c5e090edb17a9b5bb12f9e8dd4fba4509b059/CNX_Chem_17_06_Statue.jpg" data-media-type="image/jpeg" alt="This figure contains two photos of the Statue of Liberty. Photo a appears to be an antique photo which shows the original brown color of the copper covered statue. Photo b shows the blue-green appearance of the statue today. In both photos, the statue is shown atop a building, with a body of water in the background. — Figura \(\PageIndex{1}\): (a) La Estatua de la Libertad está cubierta con una piel de cobre que originalmente era de color marrón, como se muestra en esta pintura. (b) La exposición a los elementos ha resultado en la formación de la pátina azul verdosa que se ve hoy.

Quizás el ejemplo más familiar de la corrosión es la formación del óxido en el hierro. El hierro se oxida cuando está expuesto al oxígeno y al agua. Los pasos principales en la oxidación del hierro parecen involucrar lo siguiente. Una vez expuesto a la atmósfera, el hierro se oxida rápidamente.

\[\textrm{anode: }\ce{Fe}_{(s)} \rightarrow \ce{Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2e^-}\;\;\; E^\circ_{\ce{Fe^{2+}/Fe}}=\mathrm{−0.44\: V}\]

Los electrones reducen el oxígeno del aire en soluciones ácidas.

\[\textrm{cathode: }\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)}+\ce{4e^-} \rightarrow \ce{2H_2O}_{(l)}\;\; E^\circ_{\ce{O_2/O_2}}=\mathrm{+1.23\; V}\]

\[\textrm{overall: }\ce{2Fe}_{(s)}+\ce{O}_{2(g)}+\ce{4H^+}_{(aq)} \rightarrow \ce{2Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{2H_2O}_{(l)} \;\;\;E^\circ_\ce{cell}=\mathrm{+1.67\; V}\]

Lo que llamamos óxido es el óxido de hierro (III) hidratado, que se forma cuando los iones de hierro (II) reaccionan más con el oxígeno.

\[\ce{4Fe^{2+}}_{(aq)}+\ce{O}_{2(g)}+(4+2x)\ce{H_2O}_{(l)} \rightarrow \ce{2Fe_2O_3} \cdot x\ce{H_2O}_{(s)}+\ce{8H^+}_{(aq)}\]

El número de moléculas de agua puede variar, por eso está representado por x. Diferente a la pátina sobre el cobre, la formación del óxido no crea una capa protectora y permite que la corrosión del hierro continúe a medida que el óxido se desprende y expone el hierro fresco a la atmósfera.

A grey rectangle, labeled “iron,” is shown with thin purple layers, labeled “Paint layer,” at its upper and lower surfaces. A gap in the upper purple layer at the upper left of the diagram is labeled “Cathodic site.” A blue droplet labeled “water” is positioned on top of the gap. A curved arrow extends from a space above the droplet to the surface of the grey region and into the water droplet. The base of the arrow is labeled “O subscript 2” and the tip of the arrow is labeled “H subscript 2 O.” A gap to the right and on the bottom side of the grey region shows that some of the grey region is gone from the region beneath the purple layer. A water droplet covers this gap and extends into the open space in the grey rectangle. The label “F e superscript 2 positive” is at the center of the droplet. A curved arrow points from the edge of the grey area below to the label. A second curved arrow extends from the F e superscript 2 positive arrow to a rust brown chunk on the lower surface of the purple layer at the edge of the water droplet. A curved arrow extends from O subscript 2 outside the droplet into the droplet to the rust brown chunk. The grey region at the lower right portion of the diagram is labeled “Anodic site.” An arrow extends from the anodic site toward the cathodic site, which is labeled “e superscript negative.” — Figura\(\PageIndex{2}\): Una vez que la pintura se raya en una superficie de hierro pintada, la corrosión ocurre y comienza a formarse el óxido. La velocidad de la reacción espontánea aumenta en presencia de electrolitos, como el cloruro de sodio que se usa en las carreteras para derretir hielo y nieve o en el agua salada.

Una forma de evitar que el hierro se corroa es mantenerlo pintado. La capa de pintura evita que el agua y el oxígeno, que son necesarios para la formación del óxido, entren en contacto con el hierro. Mientras la pintura permanezca intacta, el hierro está protegido de la corrosión.

Otras estrategias incluyen la aleación del hierro con otros metales. Por ejemplo, el acero inoxidable es principalmente hierro con un poco de cromo. El cromo se tiende a acumular cerca de la superficie, donde forma una capa de óxido que protege el hierro.

El hierro zincado o galvanizado usa una estrategia diferente. El zinc se oxida más fácilmente que el hierro porque el zinc tiene un potencial de reducción más pequeño. Ya que el zinc tiene un potencial de reducción más pequeña, es un metal más activo. Por lo tanto, incluso si se raya el recubrimiento de zinc, el zinc se oxidará antes que el hierro. Esto sugiere que este enfoque debería funcionar con otros metales activos.

A diagram is shown of an underground storage tank system. Underground, to the left end of the diagram is a horizontal grey tank which is labeled “Object to be protected.” A black line extends upward from the center of the tank above ground. An arrow points upward at the left side of the line segment. A horizontal black line segment continues right above ground, which is labeled “No power source is needed.” A line segment extends up and to the right, which is labeled “ Lead wire.” A line segment with a downward pointing arrow to its right extends downward below the ground to a second metal tank-like structure, labeled “Sacrificial anode” which is vertically oriented. Five black arrows point left underground toward the first tank. These arrows are collectively labeled “Protective current.” — Figura \(\PageIndex{3}\): Una forma de proteger un tanque de almacenamiento de hierro subterráneo es usando la protección catódica. El uso de un metal activo como el zinc o el magnesio para el ánodo prácticamente convierte el tanque de almacenamiento en el cátodo, evitando que se corroa (oxida).

Otra forma importante de proteger el metal es convertirlo en el cátodo en una celda galvánica. Esta es una protección catódica y se puede usar para otros metales además del hierro. Por ejemplo, la oxidación de los tanques y tuberías de almacenamiento de hierro subterráneos se puede prevenir o reducir en gran medida cuando se conectan a un metal más activo como el zinc o el magnesio. También se usa para proteger las partes metálicas de los calentadores de agua. Los metales más activos (potencial de reducción más pequeño) se llaman los ánodos de sacrificio porque cuando se gastan se corroen (oxidan) en el ánodo. El metal que se protege sirve como el cátodo y, por lo tanto, no se oxida (corroe). Cuando los ánodos se controlan adecuadamente y se reemplazan periódicamente, la vida útil del tanque de almacenamiento de hierro puede prolongarse considerablemente.

Resumen

La corrosión es la degradación de un metal causada por un proceso electroquímico. Cada año se gastan grandes sumas de dinero para reparar los efectos de la corrosión. Algunos metales, como el aluminio y el cobre, producen una capa protectora cuando se corroen en el aire. La capa delgada que se forma en la superficie del metal evita que el oxígeno entre en contacto con más átomos del metal y “protege” el metal restante de más corrosión. El hierro se corroe (forma óxido) cuando está expuesto al agua y al oxígeno. El óxido que se forma en el metal de hierro se desprende, exponiendo el metal fresco, que también se corroe. Una forma de prevenir o ralentizar la corrosión es recubriendo el metal. El revestimiento evita que el agua y el oxígeno entren en contacto con el metal. La pintura u otros recubrimientos ralentizan la corrosión, pero no son efectivos una vez que se rayan. El hierro cincado o galvanizado aprovecha el hecho de que el zinc tiene más probabilidades de oxidarse que el hierro. Mientras el recubrimiento permanezca, aunque se raye, el zinc se oxidará antes que el hierro. Otro método para proteger los metales es la protección catódica. En este método, un metal económico y fácilmente oxidable, a veces el zinc o el magnesio (el ánodo de sacrificio), se conecta eléctricamente al metal que se debe proteger. El metal más activo es el ánodo de sacrificio y es el ánodo en una celda galvánica. El metal "protegido" es el cátodo y permanece sin oxidarse. Una ventaja de la protección catódica es que el ánodo de sacrificio se puede monitorear y reemplazar si es necesario.

Glosario

protección catódica: método de protección del metal usando un ánodo de sacrificio haciendo el metal que necesita proteger el cátodo, evitando así su oxidación

la corrosión: degradación del metal a través de un proceso electroquímico

hierro galvanizado: método para proteger el hierro cubriéndolo con zinc, que se oxidará antes que el hierro; hierro cincado

ánodo de sacrificio: metal más activo y económico usado como el ánodo en la protección catódica; frecuentemente hecho del magnesio o el zinc

Contribuyentes

Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110)."
Ana Martinez (amartinez02@saintmarys.edu) contribuyó a la traducción de este texto.