Edward J. Neth; Paul Flowers; Klaus Theopold; Richard Langley; William R. Robinson, PhD

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

Definir la corrosión
Enumerar algunos de los métodos utilizados para prevenir o frenar la corrosión

La corrosión suele definirse como la degradación de los metales por un proceso electroquímico natural. 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 corrosión. El costo total de la reparación de la corrosión en los Estados Unidos es considerable, con estimaciones que superan el medio billón de dólares al año.

La química en la vida cotidiana

Estatua de la Libertad: cambio de colores

La Estatua de la Libertad es un monumento que todo estadounidense reconoce. La Estatua de la Libertad es fácilmente identificable por su altura, su postura y su singular color azul verdoso (Figura 16.15). Cuando esta estatua llegó de Francia, su aspecto no era verde. Era marrón, el color de su "piel" de cobre. ¿Cómo cambió de color la Estatua de la Libertad? El cambio de aspecto fue consecuencia directa de la corrosión. El cobre, que es el componente principal de la estatua, se fue oxidando poco a poco con el aire. Las reacciones de reducción-oxidación del cobre metálico en el medio ambiente se producen en varias etapas. El cobre metálico se oxida a óxido de cobre(I) (Cu₂O), que es rojo, y luego a óxido de cobre(II), que es negro

2Cu (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Cu}_{2} O (s) (rojo)

{Cu}_{2} O (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ 2CuO (s) (negro)

El carbón, que a menudo tenía un alto contenido de azufre, se quemaba mucho a principios del siglo pasado. Como resultado, el trióxido de azufre atmosférico, el dióxido de carbono y el agua reaccionaron con el CuO

2CuO (s) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {CO}_{3} {(OH)}_{2} (s) (verde)

3CuO (s) + {2CO}_{2} (g) + H_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{2} {{(CO}_{3})}_{2} {(OH)}_{2} (s) (azul)

4CuO (s) + {SO}_{3} (g) + {3H}_{2} O (l) ⟶ {Cu}_{4} {SO}_{4} {(OH)}_{6} (s) (verde)

Estos tres compuestos son los responsables de la característica pátina azul-verde que se ve en la Estatua de la Libertad (y en otras estructuras de cobre al aire libre). Afortunadamente, la formación de la pátina crea una capa protectora en la superficie del cobre, lo que impide una mayor corrosión del cobre subyacente. La formación de la capa protectora se denomina pasivación, un fenómeno que se analiza en otro capítulo de este texto.

Esta figura contiene dos fotos de la Estatua de la Libertad. La foto a parece ser una foto antigua que muestra el color marrón original de la estatua cubierta de cobre. La foto b muestra el aspecto azul verdoso de la estatua en la actualidad. En ambas fotos, la estatua aparece sobre un edificio, con una masa de agua al fondo.

Figura 16.15 (a) La Estatua de la Libertad está cubierta por una piel de cobre, y originalmente era de color marrón, como se muestra en esta pintura. (b) La exposición a los elementos ha dado lugar a la formación de la pátina azul-verde que se ve hoy en día.

Quizá el ejemplo más conocido de corrosión sea la formación de óxido en el hierro. El hierro se oxida cuando se expone al oxígeno y al agua. La formación de óxido implica la creación de una celda galvánica en una superficie de hierro, como se ilustra en la Figura 16.15. Las reacciones redox relevantes se describen mediante las siguientes ecuaciones:

\begin{matrix} ánodo: & Fe (s) ⟶ {Fe}^{2+} (a q) + 2 e^{–} & E_{{Fe}^{2+} /Fe}^{°} & = & -0,44 V \\ cátodo: & O_{2} (g) + 4 H^{+} (a q) + 4 e^{–} ⟶ 2 H_{2} O (l) & E_{O_{2} {/O}^{2}}^{°} & = & +1,23 V \\ global: & 2Fe (s) + O_{2} (g) + {4H}^{+} (a q) ⟶ 2 {Fe}^{2+} (a q) + 2 H_{2} O (l) & E_{celda}^{°} & = & +1,67 V \end{matrix}

La reacción posterior del producto de hierro(II) en el aire húmedo da lugar a la producción de un hidrato de óxido de hierro(III) conocido como óxido:

4 {Fe}^{2+} (a q) + O_{2} (g) + (4 + 2 x) H_{2} O (l) ⟶ 2 {Fe}_{2} O_{3} . x H_{2} O (s) + 8 H^{+} (a q)

La estequiometría del hidrato varía, como indica el uso de x en la fórmula del compuesto. A diferencia de la pátina del cobre, la formación de óxido no crea una capa protectora, por lo que la corrosión del hierro continúa a medida que el óxido se desprende y expone el hierro fresco a la atmósfera.

Se muestra un rectángulo gris, marcado como "hierro", con finas capas púrpuras, marcadas como "Capa de pintura", en sus superficies superior e inferior. Una brecha en la capa superior púrpura en la parte superior izquierda del diagrama está marcada como "Sitio catódico". Una gota azul marcada como "agua" se coloca en la parte superior de la brecha. Una flecha curva se extiende desde un espacio por encima de la gota hasta la superficie de la región gris y hasta la gota de agua. La base de la flecha está marcada como "O subíndice 2" y la punta de la flecha como "H subíndice 2 O" Una brecha a la derecha y en la parte inferior de la región gris muestra que parte de la región gris ha desaparecido de la región que está debajo de la capa púrpura. Una gota de agua cubre esta brecha y se extiende en el espacio abierto del rectángulo gris. La marcación "F e superíndice 2 positivo" está en el centro de la gota. Una flecha curva señala desde el borde del área gris de abajo hasta la marcación. Una segunda flecha curva se extiende desde la flecha positiva de F e superíndice 2 hasta un trozo de color marrón óxido en la superficie inferior de la capa púrpura en el borde de la gota de agua. Una flecha curvada se extiende desde O subíndice 2 fuera de la gota hasta el trozo marrón óxido. La región gris en la parte inferior derecha del diagrama está marcada como "Sitio anódico". Una flecha se extiende desde el sitio anódico hacia el sitio catódico, que está marcado como "e superíndice negativo".

Figura 16.16 La corrosión puede producirse cuando una superficie de hierro o acero pintada queda expuesta al medio ambiente por un arañazo en la pintura. Resulta una celda galvánica que puede ser aproximada por el esquema simplificado de la celda Fe(s) | Fe²⁺(aq) ||O₂(aq), H₂O(l) | Fe(s).

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

Otras estrategias incluyen la aleación del hierro con otros metales. Por ejemplo, el acero inoxidable es una aleación de hierro que contiene una pequeña cantidad de cromo. El cromo tiende a acumularse cerca de la superficie, donde se corroe y forma una capa de óxido pasivante que protege al hierro.

El hierro y otros metales también pueden protegerse de la corrosión mediante la galvanización, un proceso en el que el metal a proteger se recubre con una capa de un metal más fácilmente oxidable, normalmente zinc. Cuando la capa de zinc está intacta, impide que el aire entre en contacto con el hierro subyacente y, por tanto, evita la corrosión. Si la capa de zinc se rompe, ya sea por corrosión o por abrasión mecánica, el hierro puede seguir protegido de la corrosión mediante un proceso de protección catódica, que se describe en el siguiente párrafo.

Otra forma importante de proteger el metal es convertirlo en el cátodo de una celda galvánica. Se trata de una protección catódica que puede utilizarse para otros metales además del hierro. Por ejemplo, la oxidación de los depósitos y tuberías subterráneas de hierro puede evitarse o reducirse en gran medida conectándolos a un metal más activo, como el zinc o el magnesio (Figura 16.17). También se utiliza para proteger las piezas metálicas de los calentadores de agua. Los metales más activos (de menor potencial de reducción) se denominan ánodos de sacrificio porque al agotarse se corroen (oxidan) en el ánodo. El metal que se protege sirve de cátodo para la reducción del oxígeno en el aire, por lo que simplemente sirve para conducir (no para reaccionar) los electrones que se transfieren. Si los ánodos se controlan adecuadamente y se sustituyen periódicamente, la vida útil del tanque de almacenamiento de hierro puede prolongarse considerablemente.

Se muestra un diagrama de un sistema de tanques de almacenamiento subterráneo. Bajo tierra hay una estructura metálica en forma de tanque, marcada como "Ánodo de sacrificio", que está orientada verticalmente. M g está en el tanque, seguido de una flecha hacia la derecha, seguido de M g superíndice 2 más. Una línea negra se extiende hacia arriba desde el centro del tanque, pero permanece bajo tierra. Un segmento de línea negra horizontal continúa bajo tierra. 2 e superíndice menos va seguido de una flecha que apunta justo debajo del segmento de línea. Un segmento de línea negra vertical lleva hacia abajo a un tanque gris horizontal que está marcado como "Objeto a proteger (cátodo)". 2 e subíndice menos está en el tanque con una flecha que apunta desde él al suelo debajo del tanque. Debajo de esa flecha está "2 H superíndice más más O subíndice 2 flecha 2 H subíndice 2 O".

Figura 16.17 La protección catódica es un enfoque útil para prevenir electroquímicamente la corrosión de los tanques de almacenamiento subterráneos.

16.6 Corrosión

Estatua de la Libertad: cambio de colores