El óxido es un óxido de hierro , generalmente de color marrón rojizo, formado por la reacción del hierro y el oxígeno en presencia catalítica de agua o humedad del aire . El óxido está formado por óxidos de hierro(III) hidratados (Fe 2 O 3 ·nH 2 O) y óxido-hidróxido de hierro(III) (FeO(OH), Fe(OH) 3 ), y normalmente se asocia con la corrosión del hierro refinado. .
Con el tiempo suficiente, cualquier masa de hierro, en presencia de agua y oxígeno, podría eventualmente convertirse por completo en óxido. El óxido de la superficie suele ser escamoso y friable y no proporciona protección pasivante al hierro subyacente, a diferencia de la formación de pátina en las superficies de cobre. La oxidación es el término común para la corrosión del hierro elemental y sus aleaciones , como el acero . Muchos otros metales sufren una corrosión similar, pero los óxidos resultantes no se denominan comúnmente "óxido". [1]
Varias formas de óxido se pueden distinguir tanto visualmente como mediante espectroscopia , y se forman en diferentes circunstancias. [2] Otras formas de óxido incluyen el resultado de reacciones entre el hierro y el cloruro en un ambiente privado de oxígeno. Un ejemplo son las barras de refuerzo utilizadas en pilares de hormigón submarinos , que generan óxido verde . Aunque la oxidación es generalmente un aspecto negativo del hierro, una forma particular de oxidación, conocida como óxido estable , hace que el objeto tenga una fina capa de óxido en la parte superior. Si se mantiene en una humedad relativa baja, forma una capa "estable" protectora para el hierro que se encuentra debajo, pero no en la medida de otros óxidos como el óxido de aluminio sobre el aluminio . [3]
Óxido es un nombre general para un complejo de óxidos e hidróxidos de hierro, [4] que se producen cuando el hierro o algunas aleaciones que contienen hierro se exponen al oxígeno y la humedad durante un largo período de tiempo. Con el tiempo, el oxígeno se combina con el metal, formando nuevos compuestos llamados colectivamente óxido, en un proceso llamado oxidación. La oxidación es una reacción de oxidación que ocurre específicamente con el hierro. Otros metales también se corroen mediante una oxidación similar, pero dicha corrosión no se llama oxidación.
El principal catalizador del proceso de oxidación es el agua. Las estructuras de hierro o acero pueden parecer sólidas, pero las moléculas de agua pueden penetrar los hoyos y grietas microscópicas de cualquier metal expuesto. Los átomos de hidrógeno presentes en las moléculas de agua pueden combinarse con otros elementos para formar ácidos, lo que eventualmente hará que quede más metal expuesto. Si hay iones de cloruro presentes, como es el caso del agua salada, es probable que la corrosión se produzca más rápidamente. Mientras tanto, los átomos de oxígeno se combinan con átomos metálicos para formar el destructivo compuesto de óxido. Estos compuestos de hierro son quebradizos y quebradizos y reemplazan al hierro metálico fuerte, lo que reduce la resistencia del objeto.
Cuando el hierro entra en contacto con agua y oxígeno, se oxida. [5] Si hay sal , por ejemplo en el agua de mar o en la niebla salina , el hierro tiende a oxidarse más rápidamente, como resultado de reacciones químicas. El hierro metálico no se ve relativamente afectado por el agua pura ni por el oxígeno seco. Al igual que con otros metales, como el aluminio, una capa de óxido fuertemente adherida, una capa de pasivación , protege la masa de hierro de una mayor oxidación. La conversión de la capa pasivante de óxido ferroso en óxido resulta de la acción combinada de dos agentes, generalmente oxígeno y agua.
Otras soluciones degradantes son el dióxido de azufre en agua y el dióxido de carbono en agua. Bajo estas condiciones corrosivas, se forman especies de hidróxido de hierro . A diferencia de los óxidos ferrosos, los hidróxidos no se adhieren al metal en bruto. A medida que se forman y se desprenden de la superficie, el hierro fresco queda expuesto y el proceso de corrosión continúa hasta que se consume todo el hierro o se elimina o consume todo el oxígeno, agua, dióxido de carbono o dióxido de azufre del sistema. [6]
Cuando el hierro se oxida, los óxidos ocupan más volumen que el metal original; esta expansión puede generar enormes fuerzas, dañando estructuras hechas con hierro. Ver efecto económico para más detalles.
La oxidación del hierro es un proceso electroquímico que comienza con la transferencia de electrones del hierro al oxígeno. [7] El hierro es el agente reductor (cede electrones) mientras que el oxígeno es el agente oxidante (gana electrones). La velocidad de la corrosión se ve afectada por el agua y acelerada por los electrolitos , como lo ilustran los efectos de la sal de las carreteras sobre la corrosión de los automóviles. La reacción clave es la reducción de oxígeno:
Debido a que forma iones hidróxido , este proceso se ve fuertemente afectado por la presencia de ácido. Asimismo, la corrosión de la mayoría de los metales por el oxígeno se acelera a pH bajo . Proporcionar los electrones para la reacción anterior es la oxidación del hierro que se puede describir de la siguiente manera:
La siguiente reacción redox también ocurre en presencia de agua y es crucial para la formación de óxido:
Además, las siguientes reacciones ácido-base de varios pasos afectan el curso de la formación de óxido:
al igual que los siguientes equilibrios de deshidratación :
De las ecuaciones anteriores, también se ve que los productos de corrosión están dictados por la disponibilidad de agua y oxígeno. Con oxígeno disuelto limitado, se prefieren los materiales que contienen hierro (II), incluido el FeO y la magnetita negra o magnetita (Fe 3 O 4 ). Las altas concentraciones de oxígeno favorecen los materiales férricos con fórmulas nominales Fe(OH) 3− x O x ⁄ 2 . La naturaleza del óxido cambia con el tiempo, reflejando la lentitud de las reacciones de los sólidos. [5]
Además, estos procesos complejos se ven afectados por la presencia de otros iones, como el Ca 2+ , que sirven como electrolitos que aceleran la formación de óxido, o se combinan con los hidróxidos y óxidos de hierro para precipitar una variedad de Ca, Fe, O, OH. especies.
La aparición de oxidación también se puede detectar en el laboratorio con el uso de una solución indicadora de ferroxilo . La solución detecta tanto iones Fe 2+ como iones hidroxilo. La formación de iones Fe 2+ e iones hidroxilo se indica mediante manchas azules y rosadas, respectivamente.
Debido al uso generalizado y la importancia de los productos de hierro y acero, la prevención o desaceleración de la oxidación es la base de las principales actividades económicas en una serie de tecnologías especializadas. Aquí se presenta una breve descripción de los métodos; para obtener una cobertura detallada, consulte los artículos con referencias cruzadas.
El óxido es permeable al aire y al agua, por lo que el hierro metálico interior debajo de una capa de óxido continúa corroyéndose. Por lo tanto, la prevención de la oxidación requiere recubrimientos que impidan la formación de óxido.
El acero inoxidable forma una capa de pasivación de óxido de cromo (III) . [8] [9] Se produce un comportamiento de pasivación similar con magnesio , titanio , zinc , óxidos de zinc , aluminio , polianilina y otros polímeros conductores electroactivos. [10]
Las aleaciones especiales de " acero resistente a la intemperie ", como el Cor-Ten, se oxidan a un ritmo mucho más lento de lo normal, porque el óxido se adhiere a la superficie del metal en una capa protectora. Los diseños que utilizan este material deben incluir medidas que eviten las peores exposiciones, ya que el material continúa oxidándose lentamente incluso en condiciones casi ideales. [11]
La galvanización consiste en la aplicación sobre el objeto a proteger de una capa de zinc metálico ya sea mediante galvanización en caliente o galvanoplastia . El zinc se utiliza tradicionalmente porque es barato, se adhiere bien al acero y proporciona protección catódica a la superficie del acero en caso de daño de la capa de zinc. En entornos más corrosivos (como el agua salada), se prefiere el revestimiento de cadmio en lugar del metal protegido subyacente. La capa protectora de zinc se consume por esta acción y, por lo tanto, la galvanización proporciona protección sólo durante un período de tiempo limitado.
Los revestimientos más modernos añaden aluminio al revestimiento como zinc-alume ; el aluminio migrará para cubrir rayones y así brindar protección por un período más prolongado. Estos enfoques se basan en que los óxidos de aluminio y zinc protejan una superficie que alguna vez estuvo rayada, en lugar de oxidarse como ánodo de sacrificio como en los recubrimientos galvanizados tradicionales. En algunos casos, como en ambientes muy agresivos o con una vida útil prolongada, se aplica tanto zinc como un recubrimiento para brindar una mayor protección contra la corrosión.
La galvanización típica de productos de acero que van a ser sometidos a la intemperie diaria normal en un ambiente exterior consiste en un recubrimiento de zinc de 85 µm sumergido en caliente . En condiciones climáticas normales, se deteriorará a un ritmo de 1 µm por año, lo que proporciona aproximadamente 85 años de protección. [12]
La protección catódica es una técnica utilizada para inhibir la corrosión en estructuras enterradas o sumergidas mediante el suministro de una carga eléctrica que suprime la reacción electroquímica. Si se aplica correctamente, la corrosión se puede detener por completo. En su forma más simple, se logra colocando un ánodo de sacrificio, haciendo así que el hierro o el acero sean el cátodo de la celda formada. El ánodo de sacrificio debe estar hecho de algo con un potencial de electrodo más negativo que el hierro o el acero, comúnmente zinc, aluminio o magnesio. El ánodo de sacrificio eventualmente se corroerá y cesará su acción protectora a menos que se reemplace a tiempo.
La protección catódica también se puede proporcionar mediante el uso de una corriente eléctrica aplicada. Esto se conocería entonces como protección catódica de corriente impresa ICCP. [13]
La formación de óxido se puede controlar con recubrimientos, como pintura , laca , barniz o cintas de cera [14] que aíslan el hierro del medio ambiente. [15] Las estructuras grandes con secciones de caja cerradas, como los barcos y los automóviles modernos, a menudo tienen un producto a base de cera (técnicamente un "aceite de aguanieve") inyectado en estas secciones. Estos tratamientos suelen contener también inhibidores de oxidación. Cubrir acero con concreto puede brindar cierta protección al acero debido al ambiente de pH alcalino en la interfaz acero-concreto. Sin embargo, la oxidación del acero en el hormigón puede seguir siendo un problema, ya que la oxidación en expansión puede fracturar el hormigón desde dentro. [16] [17]
Como ejemplo estrechamente relacionado, se utilizaron abrazaderas de hierro para unir bloques de mármol durante un intento de restauración del Partenón en Atenas, Grecia , en 1898, pero causaron grandes daños al mármol por la oxidación y la hinchazón del hierro desprotegido. Los antiguos constructores griegos utilizaban un sistema de fijación similar para los bloques de mármol durante la construcción, aunque también vertían plomo fundido sobre las juntas de hierro para protegerlas de los golpes sísmicos y de la corrosión. Este método tuvo éxito en la estructura de 2.500 años de antigüedad, pero en menos de un siglo las toscas reparaciones estuvieron en peligro inminente de derrumbarse. [18]
Cuando sólo se necesita protección temporal para el almacenamiento o el transporte, se puede aplicar una fina capa de aceite, grasa o una mezcla especial como Cosmoline sobre una superficie de hierro. Estos tratamientos se utilizan ampliamente cuando se " dejan de lado " un barco de acero, un automóvil u otro equipo para su almacenamiento a largo plazo.
Se encuentran disponibles mezclas lubricantes antiagarrotamiento especiales que se aplican a roscas metálicas y otras superficies mecanizadas con precisión para protegerlas del óxido. Estos compuestos suelen contener grasa mezclada con polvo de cobre, zinc o aluminio y otros ingredientes patentados. [19]
El pavonado es una técnica que puede proporcionar una resistencia limitada [ cita necesaria ] a la oxidación de artículos pequeños de acero, como armas de fuego; Para que tenga éxito, se frota un aceite que desplaza el agua sobre el acero pavonado y otros aceros [ cita requerida ] .
Se pueden utilizar inhibidores de corrosión, como los inhibidores de fase gaseosa o volátiles, para prevenir la corrosión dentro de los sistemas sellados. No son eficaces cuando la circulación del aire los dispersa y aporta oxígeno y humedad frescos.
La oxidación se puede evitar controlando la humedad de la atmósfera. [20] Un ejemplo de esto es el uso de paquetes de gel de sílice para controlar la humedad en equipos enviados por mar.
La eliminación del óxido de pequeños objetos de hierro o acero mediante electrólisis se puede realizar en un taller doméstico utilizando materiales sencillos como un cubo de plástico lleno de un electrolito que consiste en bicarbonato de sodio disuelto en agua del grifo , un trozo de barra de refuerzo suspendida verticalmente en la solución para que actúe como un ánodo , otro colocado en la parte superior del cubo para actuar como soporte para suspender el objeto, alambre de embalaje para suspender el objeto en la solución de la barra de refuerzo horizontal y un cargador de batería como fuente de energía en el que se sujeta el terminal positivo. al ánodo y el terminal negativo se sujeta al objeto a tratar que se convierte en el cátodo . [21] Los gases de hidrógeno y oxígeno se producen en el cátodo y el ánodo respectivamente. Esta mezcla es inflamable/explosiva. [22] También se debe tener cuidado para evitar la fragilización por hidrógeno . El sobrevoltaje también produce pequeñas cantidades de ozono, que es altamente tóxico, por lo que un cargador de teléfono de bajo voltaje es una fuente mucho más segura de corriente continua. Los efectos del hidrógeno en el calentamiento global también han sido objeto de escrutinio recientemente. [23]
El óxido se puede tratar con productos comerciales conocidos como convertidores de óxido que contienen ácido tánico o ácido fosfórico que se combina con el óxido; eliminado con ácidos orgánicos como el ácido cítrico y el vinagre o el ácido clorhídrico más fuerte ; o eliminarse con agentes quelantes como en algunas formulaciones comerciales o incluso una solución de melaza . [24]
El óxido está asociado con la degradación de herramientas y estructuras a base de hierro. Como el óxido tiene un volumen mucho mayor que la masa original de hierro, su acumulación también puede causar fallas al separar las piezas adyacentes, un fenómeno a veces conocido como "empaquetamiento de óxido". Fue la causa del colapso del puente sobre el río Mianus en 1983, cuando los cojinetes se oxidaron internamente y empujaron una esquina de la losa de la carretera fuera de su soporte.
El óxido fue un factor importante en el desastre del Silver Bridge de 1967 en Virginia Occidental , cuando un puente colgante de acero se derrumbó en menos de un minuto, matando a 46 conductores y pasajeros en el puente en ese momento. El puente Kinzua en Pensilvania fue derribado por un tornado en 2003, en gran parte porque los pernos de la base central que sujetaban la estructura al suelo se habían oxidado, dejando el puente anclado únicamente por la gravedad.
El hormigón armado también es vulnerable al daño por oxidación. La presión interna causada por la corrosión en expansión del acero y el hierro cubiertos de concreto puede hacer que el concreto se descascarille , creando graves problemas estructurales. Es uno de los modos de falla más comunes en puentes y edificios de hormigón armado.
El óxido es una metáfora comúnmente utilizada para referirse al deterioro lento debido a la negligencia, ya que convierte gradualmente el robusto metal de hierro y acero en un suave polvo que se desmorona. Una amplia sección del industrializado Medio Oeste y Noreste de Estados Unidos , alguna vez dominada por fundiciones de acero , la industria automotriz y otros fabricantes, ha experimentado duros recortes económicos que han provocado que la región sea apodada " Rust Belt ".
En la música, la literatura y el arte, el óxido se asocia con imágenes de gloria desvanecida, abandono, decadencia y ruina.
Se deja que el acero se oxide y, debido a su composición de aleación, se oxida más lentamente que el acero convencional y el óxido forma una capa protectora que ralentiza la velocidad de corrosión futura.
Para conocer la corrosión atmosférica, consulte el Mapa Milenio de la Asociación de Galvanizadores sobre tasas promedio de corrosión del zinc.
Alrededor del 50% de Inglaterra y Gales tiene una tasa inferior a 1 µm/año.
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