Reaccions químiques en el procés de corrosió
La corrosió és un dels fenòmens químics més estretament relacionats amb la vida quotidiana, però el seu impacte pot ser profund. Des de tanques oxidades fins a xassís de vehicles debilitats o canonades industrials amb fuites, tot pot començar amb el procés de corrosió. En poques paraules, la corrosió es pot entendre com el deteriorament dels materials (especialment els metalls) a causa de reaccions químiques o electroquímiques amb el medi ambient. Tot i que sovint es considera simplement com a "òxid", la corrosió en realitat implica una sèrie complexa de reaccions influenciades per l'aigua, l'oxigen, la sal, l'acidesa i les diferències de potencial elèctric a través de la superfície metàl·lica.
La corrosió com a procés electroquímic
En la majoria dels casos, la corrosió dels metalls es produeix mitjançant mecanismes electroquímics, és a dir, que el procés implica el flux d'electrons resultants de la formació d'una microcel·la electroquímica a la superfície metàl·lica. Aquesta cel·la consta de dues parts principals: la regió de l'ànode i la regió del càtode. Tot i que el metall sembla homogeni, la seva superfície sovint conté imperfeccions, tensions internes, diferències en la microcomposició o contacte amb altres metalls que fan que una part de la superfície actuï com a ànode i una altra part com a càtode.
– A l'ànode, el metall pateix oxidació (alliberament d'electrons).
– Al càtode, es produeix una reacció de reducció (acceptació d'electrons), en la qual solen participar ions d'oxigen o d'hidrogen.
En altres paraules, la corrosió es pot veure com una "petita bateria" que funciona contínuament sobre la superfície metàl·lica, sempre que hi hagi un electròlit (per exemple, aigua) com a medi per a la conducció d'ions.
Reaccions bàsiques de la corrosió del ferro: fonts d'òxid
El ferro (Fe) és l'exemple més comú en les discussions sobre la corrosió perquè s'oxida fàcilment. L'òxid és una mescla complexa, principalment òxids de ferro hidratats (per exemple, Fe₂O₃·nH₂O), però la seva formació s'inicia mitjançant diversos passos de reacció.
1. Reacció anòdica: oxidació del ferro
A l'ànode, el ferro es dissol alliberant electrons:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Aquesta reacció provoca la formació d'ions Fe²⁺, cosa que fa que el metall perdi massa al punt anòdic. Aquest és l'inici del procés de "corrosió" del metall.
2. Reacció catòdica: reducció d'oxigen
En ambients neutres o alcalins (com ara l'aigua normal), la reacció catòdica més comuna és la reducció de l'oxigen dissolt:
O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e⁻ → 4OH⁻(aq)
Els electrons alliberats de l'ànode flueixen cap a la regió del càtode i s'utilitzen per reduir l'oxigen. La presència d'aigua i oxigen són dos factors clau.
3. Formació de compostos intermedis: Fe(OH)₂
Els ions Fe²⁺ formats a l'ànode reaccionaran amb els ions OH⁻ de la reacció catòdica per formar un precipitat:
Fe²⁺(aq) + 2OH⁻(aq) → Fe(OH)₂(s)
Aquests dipòsits encara no són rovell definitiu, sinó que són "productes de corrosió primerenca" que poden canviar més.
4. Oxidació addicional a Fe(OH)₃ i òxid de ferro hidratat
El Fe(OH)₂ es pot oxidar amb oxigen a Fe(OH)₃:
4Fe(OH)₂(s) + O₂(g) + 2H₂O(l) → 4Fe(OH)₃(s)
Aleshores, el Fe(OH)₃ experimenta una deshidratació parcial i una reorganització estructural en l'òxid de ferro hidratat que coneixem com a rovell:
Fe(OH)₃(s) → Fe₂O₃·nH₂O(s) + (aigua)
Els productes oxidants són porosos i no s'adhereixen fermament, de manera que no protegeixen les capes metàl·liques subjacents. Per tant, la corrosió del ferro tendeix a continuar i empitjorar.
L'efecte dels electròlits i els ions de sal
La corrosió serà molt més ràpida en presència d'un bon electròlit, com ara aigua de mar o aigua que contingui sal. Els ions de clorur (Cl⁻) són un dels acceleradors de corrosió més perillosos. La sal augmenta la conductivitat de la solució, augmentant el corrent electroquímic a la superfície del metall. A més, el clorur pot danyar la capa passiva de certs metalls i desencadenar corrosió localitzada com ara la corrosió per esquerdes i la corrosió per picadura.
En el ferro, un entorn que conté Cl⁻ també pot afavorir la formació de productes de corrosió més inestables i accelerar la formació de petites taques anòdiques profundes, donant lloc a fosses de corrosió difícils de detectar des de l'exterior.
Corrosió en ambients àcids: reducció d'ions d'hidrogen
En un ambient àcid, la reacció catòdica pot canviar. Si la concentració d'H⁺ és alta, la reacció de reducció dominant és la formació de gas hidrogen:
2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)
Mentre que la reacció anòdica continua sent la dissolució del metall:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2e⁻
Aquesta combinació accelera la velocitat de dissolució del ferro en àcid. Com a resultat, el metall es pot erosionar sense la presència de grans quantitats d'oxigen dissolt. És per això que les canonades o els dipòsits exposats a líquids àcids tenen un risc més gran de corrosió ràpida si no estan recoberts o no es controla el seu pH.
Corrosió galvànica: quan es troben dos metalls
La corrosió no només està influenciada per l'entorn, sinó també pels metalls en contacte. Quan dos metalls diferents es connecten elèctricament en un electròlit, es forma una pila galvànica. El metall més actiu (que s'oxida més fàcilment) actua com a ànode i es corroeix més ràpidament, mentre que el metall més noble actua com a càtode i està relativament protegit.
Per exemple, si el ferro entra en contacte amb el coure en condicions d'humitat, el ferro tendeix a actuar com a ànode i a oxidar-se més ràpidament. Això es deu a la diferència de potencial d'elèctrode estàndard entre els dos metalls, que determina la direcció del flux d'electrons.
Capes passives i corrosió en altres metalls
No tots els metalls es corroeixen com el ferro. L'alumini i l'acer inoxidable, per exemple, tendeixen a formar una capa d'òxid fina, densa i fortament adherent anomenada capa passiva. Aquesta capa inhibeix la difusió d'oxigen i aigua a la superfície del metall, reduint així la velocitat de corrosió. En l'alumini, la capa d'Al₂O₃ és molt estable. En l'acer inoxidable, la capa passiva està suportada per crom, formant Cr₂O₃.
Tanmateix, la capa passiva es pot danyar per certes condicions, com ara altes concentracions de clorur, condicions de deficiència d'oxigen en espais estrets o diferències en l'aireació (cel·les de concentració d'oxigen). Quan la capa passiva es trenca en zones petites, la corrosió localitzada es pot produir molt ràpidament i ser perillosa.
Factors que afecten les reaccions de corrosió
Alguns dels principals factors que determinen la velocitat de corrosió inclouen:
1. Disponibilitat d'aigua i oxigen: l'aigua actua com a electròlit i medi de reacció, mentre que l'oxigen actua com a agent oxidant en la reacció catòdica.
2. pH ambiental: Els ambients àcids acceleren la dissolució dels metalls. Els ambients alcalins de vegades ajuden a formar una capa protectora sobre certs metalls.
3. Concentració d'ions (especialment Cl⁻): Augmenta la conductivitat i desencadena la corrosió local.
4. Temperatura: Generalment, la velocitat de les reaccions químiques augmenta amb la temperatura, de manera que la corrosió tendeix a ser més ràpida a altes temperatures.
5. Velocitat del flux de fluid: el flux pot erosionar la capa protectora i accelerar el subministrament d'oxigen, causant erosió-corrosió.
6. Contacte intermetàl·lic: Desencadena la corrosió galvànica si hi ha una diferència de potencial.
Tancament
La corrosió és essencialment una sèrie de reaccions d'oxidació-reducció que es produeixen espontàniament quan un metall interactua amb el seu entorn. En el ferro, el procés comença amb l'oxidació del Fe a Fe²⁺ a l'ànode i la reducció d'oxigen (o ions d'hidrogen en condicions àcides) al càtode. El producte final és l'òxid de ferro hidratat, conegut com a rovell. La presència d'aigua, oxigen, sal i les condicions de pH determinen significativament la velocitat d'aquesta reacció, així com factors materials com l'aparellament de metalls i la capacitat de formar una capa passiva. En comprendre les reaccions químiques implicades en el procés de corrosió, podem dissenyar estratègies de prevenció adequades, des de recobriments, ús d'inhibidors, protecció catòdica fins a la selecció de materials, de manera que les pèrdues per corrosió es puguin reduir significativament.
