Oxidación

Cuando un material se combina con el oxígeno, transformándose en óxidos más o menos complejos, se dice que experimenta una reacción de oxidación.

Velocidad de oxidación

Hay dos reacciones la oxidación (pérdida de electrones) y la reducción (ganancia de electrones). El grado de protección de una película de óxido depende de muchos factores; en general, se puede decir que este efecto protector será tanto mayor cuanto: -Mejor sea la adherencia de la capa de óxido al metal.
–Más elevado sea el punto de fusión del óxido. –Menor sea la fragilidad del óxido. –Menor se ala conductividad eléctrica del óxido. –Más se oponga la capa de óxido a la difusión de los iones metálicos y de oxígeno.

Protección contra la oxidación

Es aconsejable alear los materiales que tengan alguna propiedad baja, así como para que posea una energía de oxidación mayor que la suya y una velocidad de oxidación menor. El mejor aleante es el cromo, a pesar de tener una energía menor y una velocidad de oxidación mayor que las del aluminio y silicio. Gracias al cromo se consiguen los llamados aceros inoxidables.
La adición de aleantes para formar una capa de óxido protectora no es el único método para preservar a los metales de la oxidación. También se pueden emplear recubrimientos superficiales, como el dorado o el cromado. Pero es menos efectivo, ya que si se produce un arañazo profundo el material queda en contacto con la atmósfera y se oxida.

Corrosión

Cuando la oxidación se produce a un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas para un material en concreto, se denomina corrosión, y es mucho más peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple.

Potenciales de electrodo

Un método para determinar la tendencia a la corrosión de un determinado elemento consiste en hallar el valor de su potencial eléctrico respecto a un electrodo estándar de referencia denominado electrodo normal de hidrógeno, al que se le asigna el potencial arbitrario de cero voltios. El electrodo normal de hidrógeno consiste en una lámina de platino recubierta de negro de platino, introducida en un tubo de vidrio, por cuyo interior se hace burbujear hidrógeno gaseoso a la presión de 1 atmósfera y a 25ºC de temperatura, y sumergida en el seno de una disolución en la que la concentración de iones H+ es 1M. Los potenciales de electrodo se determinan a 25ºC y en disoluciones 1M de los iones respectivos que intervienen en la reacción, y se les da el nombre de potenciales de electrodos normales o estándar.
Los elementos que son oxidados se dice que son anódicos respecto al electrodo normal de hidrógeno y tiene un potencial normal negativo, que será tanto mayor cuanto mayor sea su tendencia a la oxidación. Por el contrario, los elementos que son reducidos por el hidrógeno se dice que son catódicos respecto al electrodo normal de hidrógeno y tienen un potencial normal positivo, que será tanto mayor cuanto mayor sea su tendencia a la reducción.

Control de corrosión

La corrosión se puede prevenir o controlar por medio de diferentes métodos, aunque en muchas ocasiones, desde el punto de vista económico, resulta más rentable sustituir cada cierto tiempo el elemento corroído, en vez de aplicarle alguno de los métodos de protección.

Selección de materiales

El método más lógico para prevenir la corrosión en una aplicación determinada consiste en elegir un material que sea lo suficientemente resistente a la corrosión en las condiciones en que va a ser utilizado. A este respecto, se pueden mencionar los aceros inoxidables, y también

algunos tipos de materiales cerámicos, si bien estos últimos presentan el inconveniente de su fragilidad.

Recubrimientos

La corrosión se puede controlar dotando a los materiales metálicos de un recubrimiento adecuado. Estos recubrimientos pueden ser:

Recubrimientos metálicos

Se aplican en finas capas sobre las piezas metálicas para aislarlas del ambiente corrosivo. En ocasiones estos recubrimientos sirven de ánodos de sacrificio, que se corroen en vez del metal al que protegen; este es el caso del acero galvanizado, que se obtiene haciéndolo pasar a través de un baño de cinco fundido o electrodepositando el cinc sobre su superficie. En otras ocasiones, como en el caso de la hojalata, el acero se recubre con una fina capa de estaño, que posee un comportamiento frente a la corrosión similar al hierro. En ambientes atmosfera rica en oxígeno el hierro actuará como ánodo frente al estaño. Sin embargo, en ambientes pobres en oxígeno, como en el interior de las latas de conserva, el estaño es anódico respecto al hierro y lo protegerá. La aplicación de recubrimientos metálicos se lleva a cabo de las formas siguientes: –
Electrolíticamente (galvanoplastia y galvanostegia), utilizado corriente continua de unos 100 V y con intensidades de hasta 10.000 A. –Por inmersión en caliente, introduciendo el material en un baño de metal fundido. Una vez extraída la pieza, se elimina el recubrimiento sobrante y el metal fundido solidifica. Como metales de recubrimiento se emplean el estaño, el cinc, el aluminio y el plomo. –Por difusión o cementación.
Consiste en formar una aleación superficial del metal de recubrimiento con el metal base. El proceso se verifica a elevada temperatura y como metales se utilizan cromo, aluminio, boro y cinc.

Recubrimientos inorgánicos

Para proteger al acero de la corrosión se le recubre en ocasiones de una fina capa de vidrio fundido, que le proporciona, además, un acabado duradero. Estos aceros vidriados se utilizan en la fabricación de recipientes para la industria química.

Recubrimientos orgánicos

Los materiales se cubren con pinturas, barnices, lacas y otras sustancias orgánicas polímeras, con el fin de protegerlos de la corrosión. Estas pinturas deben aplicarse de modo conveniente sobre superficies bien preparadas, pues de ello depende en gran medida el grado de protección que originen. Pintar un acero galvanizado no es un buen medio de protección, ya que si bien es cierto que la pintura frena la corrosión del cinc, en caso de un arañazo profundo que atraviese el recubrimeinto y llegue hasta el acero, este se corroerá mucho más aprisa que si la pintura no estuviese presente. También pueden emplearse recubrimientos plásticos, que no conducen la electricidad, poseen gran resistencia a la oxidación y suelen ser muy flexibles aunque muy pocos resistentes al calor.

Protección catódica:

En el cátodo de una pila galvánica se produce siempre una reacción de reducción, de manera que si la pieza que queremos proteger la situamos como cátodo, no sufrirá corrosión. Si se le suministran electrones de forma continua, su corrosión se detiene produciéndose el fundamento de la protección catódica. Hay dos maneras de suministrar estos electrones: -Uniendo la pieza que se quiere proteger al polo negativo de una fuente de corriente continua externa, que puede conseguirse de forma práctica mediante un rectificador conectado a la red eléctrica. Este tipo de protección se denomina protección catódica por corriente impresa.
–Mediante un acoplamiento galvánico con otro material anódico respecto al acero.

Este tipo de protección se denomina protección catódica por ánodo de sacrificio.
Se suele utilizar con esta finalidad el magnesio, debido a su elevada tendencia a la oxidación, aunque también se emplean ánodos de sacrificio de cinc y de aluminio.

Modificación de las propiedades de los metales

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Generalidades acerca de los metales

Los metales son sustancias simples que se caracterizan por una serie de propiedades comunes: -Elevada conductividad térmica y eléctrica. –Considerable resistencia mecánica. –Gran plasticidad, ductilidad y tenacidad. –Elevada maleabilidad. –Posibilidad de reciclado, ya que se pueden fundir y conformar de nuevo. Todas estas propiedades se derivan de su estructura interna basada en la existencia entre sus átomos de un tipo de enlace característico que se conoce con el nombre de enlace metálico.

Estructura interna de los metales

Los átomos en un metal se encuentran situados muy próximos entre sí, formando redes tridimensionales muy compactas en las que el aprovechamiento del espacio disponible es el máximo. Este es el denominado estado cristalino de la materia, en el que los átomos o iones de un sólido se encuentran ordenados en una disposición que se repite en tres dimensiones. Además de los metales, también forman estructuras cristalinas las aleaciones metálicas, algunos materiales cerámicos y polímeros con suficiente regularidad. El enlace predominante en la estructura de un metal es el enlace metálico. En un metal los electrones de mayor energía tienden a abandonar los átomos a los que pertenecen, pasando a formar una nube electrónica; de manera que esos electrones liberados no pertenecen a un átomo en concreto, sino que todos ellos son comunes a la red. Esta nube de electrones posibilita el movimiento de los mismos en el interior de un sólido metálico y de ahí su elevada conductividad eléctrica y térmica.

Estructuras cristalinas

Las redes puntuales poseen la propiedad de que todos sus puntos tienen la misma vecindad;
Es decir, la disposición de los demás puntos respecto a uno cualquiera de la red es siempre la misma. Mediante esta propiedad resulta posible identificar a una red puntual a partir de una celda constructiva repetitiva denominada celda unidad. El físico Auguste decía que existían solo siete tipos diferentes de celda unidad, siete redes cristalinas simples, colocando en los vértices una celda unidad. Más tarde, este físico, descubrió que había otras redes puntuales que también cumplían la propiedad de la misma vecindad. De esta forma, a las celdas que constituyen los siete sistemas cristalinos se las denomina celdas primitivas, a estas otras se las conoce como celdas no primitivas. Según la posición de los átonos no situados en lo vértices de la red, las celdas no primitivas dan lugar a las siguientes redes cristalinas: –
Sencillas, cuando los átomos únicamente ocupan los vértices de la celda. –Centradas en el cuerpo, cuando un átomo se sitúa en el centro de la celda. –Centradas en las caras, cuando existen átomos situados en el centro de las caras de la celda unidad. –Centradas en la base, cuando se sitúan dos átomos en el centro de dos caras opuestas de la celda unidad. Entonces, Bravais demostró que todas las estructuras reticulares se podían describir mediante catorce celas unidad. A estas redes se les denomina redes de Bravais.
Existen dos tipos de redes cristalinas; la simple y la compleja. La red cristalina simple ocurre cuando los átomos de un sólido cristalino se disponen en el espacio ocupando los puntos de una red de Bravais. La red cristalina compleja los átomos se colocan en algunas posiciones fijas respecto a esos puntos.