Corrosión. Oxido-Reducción.

Introducción.

Todos los materiales están expuestos a la acción de un gran numero de agentes o ambientes diversos. Estas interacciones provocan un deterioro de las propiedades físico-químicas de los materiales. En el caso particular de los metales el deterioro recibe el nombre de corrosión y comúnmente llamado oxidación. En los materiales cerámicos este efecto (corrosión) tiene lugar a altas temperaturas, en el caso de los polímeros de denomina degradación. El fenómeno de la corrosión tiene un gran impacto económico en el mantenimiento de la industria y las infraestructuras, llegando a ser costes anuales millonarios.  

Corrosión.

Se define corrosión como el deterioro de un material debido a un ataque químico o electroquímico de su entorno. Generalmente puede entenderse como la tendencia genérica que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía. 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, de la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos. El proceso de corrosión es natural y espontaneo.

La corrosión es una reacción química (oxido-reducción) en la que intervienen tres factores: la pieza manufacturada, el ambiente y el agua , o por medio de una reacción electroquímica.

Los factores más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero, la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce o 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, altas temperaturas, etc.)

Tipos de corrosión.

Existen muchos mecanismos por los cuales se verifica la corrosión, para ello es fundamental un proceso químico o electroquímico.

Atendiendo a la acción de un agente químico o un proceso electroquímico.

Corrosión química.

El material se disuelve en líquido corrosivo y este se seguirá disolviendo hasta que se consuma totalmente o se sature el líquido.

Ataque por metal líquido.

El metal líquido ataca a los sólidos en los puntos más críticos de energía.

Lixiviación selectiva.

Se separa los diferentes sólidos de una aleación. Debido a la acción de un disolvente líquido se separa uno de los componentes de la aleación. Como por ejemplo la corrosión grafitica del hierro fundido gris, ocurre cuando el hierro se diluye selectivamente en agua o la tierra y se desprende de cascarilla de grafito, lo cual causa fugas o falla en la tubería.

Disolución y oxidación de los materiales cerámicos.

Los materiales cerámicos refractarios que se utilizan para contener el metal fundidos durante la fusión y el refinado pueden ser disueltos por las escorias provocadas sobre la superficie del metal.

Ataque químico a los polímeros.

Los plásticos son considerados resistentes a la corrosión, como por ejemplo el teflón, estos resisten muchos ácidos , bases y líquidos orgánicos, pero existen algunos solventes agresivos a los termplásticos, es decir moléculas o tipos de solventes que separan las cadenas de los polímeros provocando hinchazón que ocasionan grietas.

Corrosión electroquímica.

Celdas de composición.

Se presenta cuando dos metales o aleaciones forman una celda electrolítica (dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas, como por ejemplo una pila o batería).

Celdas de esfuerzo.

La corrosión por esfuerzo se presenta por la acción galvánica, pero puede suceder por la filtración de impurezas en el extremo de grietas existentes. La falla se presenta como resultado de la corrosión y de un esfuerzo aplicado, dependiendo de la intensidad del esfuerzo, el tiempo para la falla se reduce.

Corrosión por oxígeno.

Se presenta generalmente en superficies expuestas al oxígeno diatómico disuelto en agua o el aire, es favorecido por las altas temperaturas y presiones elevadas. La corrosión en máquinas térmicas representa una constante pérdida de rendimiento y vida útil de la instalación.

Corrosión microbiológica.

Algunos microorganismos son capaces de causar corrosión en las superficies metálicas sumergidas (bacterias, algas, hongos).

Corrosión por presiones parciales de oxígeno.

En determinadas instalaciones o materiales, el oxígeno esta expuesto a diferentes presiones parciales o una superficie es más aireada que otra próxima a ella y se forma una pila. El área sujeta a menor aireación (menor presión parcial) actúa como ánodo y la que tiene mayor presencia de oxígeno (mayor presión) actúa como cátodo y se establece una aporte de electrones, provocando oxido en una y reduciéndose en la otra parte. Este tipo de corrosión es común en superficies muy irregulares donde se produce obturación de oxígeno.

Corrosión galvánica.

Es la más común de todas y se establece cuando dos metales distintos entre sí actúan, uno como ánodo y otro como cátodo. Este par de metales constituye la llamada pila galvánica.

Corrosión por heterogeneidad del material.

Este tipo se corrosión se produce en aleaciones metálicas debido a imperfecciones en la aleación.

Corrosión por aireación superficial.

También llamado Efecto Evans. Se produce en superficies planas, en zonas húmedas y con suciedad. La acumulación de suciedad provoca humedad y la existencia de un entorno mas electro-negativamente cargado.  

Atendiendo a la localización o sometidas a esfuerzos.

Corrosión uniforme.

Se produce cuando existe un adelgazamiento del metal, de forma que la resistencia mecánica disminuye debido al espesor.

Corrosión localizada.

Tiene lugar cuando se producen picaduras en el metal, y por tango rugosidades en la superficie.

Corrosión intergranular.

Este tipo de corrosión afecta a la unión de los granos de los que se componen el metal, con la consiguiente debilitación.

Corrosión selectiva.

Suele ser una corrosión de aleaciones, de tal forma que uno de los elementos importantes de la aleación sufra la corrosión, dejando una superficie porosa.

Corrosión bajo tensión.

Ocurre cuando se producen esfuerzos estáticos superficiales, combinado con un medio corrosivo.

Corrosión-erosión.

Se produce por el flujo turbulento de fluidos que contienen sólidos en suspensión.

Corrosión con fatiga.

Es un efecto combinado mecánico-corrosivo, cuando un metal en un medio corrosivo se somete a esfuerzos variables y repetitivos.

Tipos de corrosión.

Oxido-reducción.

Se denomina reacción de óxido-reducción, reducción-oxidación o reacción redox, a toda reacción química en la que uno o más electrones se transfieren entre los reactivos, provocando un cambio en sus estados de oxidación.

Para que exista una reacción de reducción-oxidación, en el sistema debe haber un elemento que ceda electrones, y otro que los acepte:

• Agente oxidante: es aquel elemento químico que tienen a captar electrones, quedando en un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir, siendo reducido.
• Agente reductor: es aquel elemento que suministra electrones de un estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir siendo oxidado.

Oxidación.

La oxidación es una reacción química donde un elemento cede electrones, y por lo tanto aumenta su estado de oxidación.

Cuando un ion o átomo se oxida presenta estas características:

• Actúa como agente reductor.
• Es oxidado por un agente oxidante.
• Aumenta su estado o número de oxidación.

Reducción.

Es el proceso electroquímico por el cual un átomo o un ion gana electrones. Implica la disminución de su estado de oxidación. Este proceso es contrario al de oxidación.

Cuando un ion o átomo se reduce presenta estas características:

• Actúa como agente oxidante. 
• Es reducido por un agente reductor. 
• Disminuye su estado o número de oxidación.

Consecuencia de la oxidación.

En los metales una consecuencia muy importante de la oxidación es la corrosión, fenómeno de gran impacto económico negativo, dado que los materiales adquieren o modifican sus propiedades según a los agentes que estén expuestos, y como actúen sobre ellos. Debido a este fenómeno se incrementan los costes y las intervenciones de mantenimiento en las infraestructuras, medios de transporte (barcos, trenes, metro, etc), industrias y edificios, que si se cuantifican a nivel provincial, autonómico o estatal la cifra puede ser de cientos de millones de euros.

Combinando las reacciones de oxidación-reducción en una celda galvánica se consiguen las pilas electroquímicas. Estas reacciones pueden aprovecharse para evitar fenómenos de corrosión no deseados mediante la técnica del ánodo de sacrificio o mártir y para la obtención de corriente eléctrica continua.

Protección contra la corrosión.

Existen diferentes mecanismos para luchar contra la corrosión de los materiales, estos pueden ser:

Diseño.

El diseño de las estructuras puede parecer de poca importancia, pero en la fase de diseño se pueden aislar las superficies del medio ambiente.

Recubrimientos.

Estos son usados para aislar las zonas anódicas y catódicas e impedir la difusión del oxigeno o del vapor de agua, los cuales son una fuente que inicia la corrosión o la oxidación. La oxidación se da en lugares húmedos pero hay métodos para que el metal no se oxide, por ejemplo las capas o tratamientos especiales de pinturas.

Elección del material.

Escoger un material que no se corroa en el ambiente considerado suele ser la idea de partida o de inicio. Se suelen emplea aceros inoxidables, aluminios, cerámicas, polímeros, etc. La elección también se debe tomar en cuenta las restricciones de la aplicación (masa de la pieza, peso del material, densidad,  resistencia a la deformación, tolerancia a la temperatura, conductividad eléctrica, etc).

Dominio del ambiente.

Cuando se trabaja en ambiente cerrado se pueden dominar los parámetros que influyen en la corrosión (composición química (control de acidez o base), temperatura, presión, etc.).

Inhibidores de la corrosión.

Son productos que actúan ya sea formando películas sobre la superficie metálica (molibdatos, fosfatos o etanolaminas), o bien entregando sus electrones al medio.