El óxido es un óxido de hierro , un óxido generalmente de color marrón rojizo que se forma 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 ( Fe2O3 · nH2O ) y óxido-hidróxido de hierro(III) (FeO(OH), Fe(OH) 3 ), y normalmente se asocia con la corrosión del hierro refinado .
Si se da el tiempo suficiente, cualquier masa de hierro, en presencia de agua y oxígeno, podría acabar convirtiéndose por completo en óxido. El óxido superficial 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]
Existen varias formas de óxido que se pueden distinguir tanto visualmente como por espectroscopia , y que se forman en diferentes circunstancias. [2] Otras formas de óxido son el resultado de reacciones entre el hierro y el cloruro en un entorno privado de oxígeno. Las barras de refuerzo utilizadas en pilares de hormigón bajo el agua , que generan óxido verde , son un ejemplo. 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, hace que la capa "estable" proteja al hierro de abajo, pero no en la medida de otros óxidos como el óxido de aluminio sobre aluminio . [3]
Se suponía que el óxido, formado por el oxígeno disuelto con el hierro en los océanos, comenzó a hundirse bajo el fondo marino, formando formaciones de hierro bandeado hace entre 2.500 y 2.200 millones de años. Después, el óxido pronto elevó los metales de hierro hacia la superficie del océano. Posteriormente se transformarían en cimientos de hierro y acero , que efectivamente impulsaron la Revolución Industrial . [ cita requerida ]
El óxido es el nombre general de un complejo de óxidos e hidróxidos de hierro [4] que se produce 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 y forma nuevos compuestos denominados colectivamente óxido, en un proceso denominado oxidación. La oxidación es una reacción de oxidación que se produce específicamente con el hierro. Otros metales también se corroen mediante una oxidación similar, pero dicha corrosión no se denomina 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 en las grietas y hoyos microscópicos de cualquier metal expuesto. Los átomos de hidrógeno presentes en las moléculas de agua pueden combinarse con otros elementos para formar ácidos, lo que acabará exponiendo más metal. Si hay iones de cloruro, 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 compuesto de óxido destructivo. Estos compuestos de hierro son frágiles y desmenuzables y sustituyen al hierro metálico fuerte, lo que reduce la resistencia del objeto.
Cuando el hierro está en contacto con agua y oxígeno, se oxida. [5] Si hay sal presente, 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 es relativamente inafectado por el agua pura o por el oxígeno seco. Al igual que con otros metales, como el aluminio, una capa de óxido firmemente adherida, una capa de pasivación , protege al hierro a granel de una mayor oxidación. La conversión de la capa de óxido ferroso pasivante 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. En estas condiciones corrosivas, se forman especies de hidróxido de hierro . A diferencia de los óxidos ferrosos, los hidróxidos no se adhieren al metal en masa. 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, el agua, el dióxido de carbono o el dióxido de azufre del sistema. [6]
Cuando el hierro se oxida, los óxidos ocupan más volumen que el metal original; esta expansión puede generar fuerzas enormes, dañando las estructuras hechas con hierro. Ver efectos económicos 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 corrosión se ve afectada por el agua y acelerada por los electrolitos , como lo ilustran los efectos de la sal de carretera en la corrosión de los automóviles. La reacción clave es la reducción del 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 un pH bajo . La oxidación del hierro, que proporciona los electrones para la reacción anterior, 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 múltiples pasos afectan el curso de la formación de óxido:
como lo hacen los siguientes equilibrios de deshidratación :
De las ecuaciones anteriores , también se desprende que los productos de corrosión están determinados por la disponibilidad de agua y oxígeno. Con oxígeno disuelto limitado, se favorecen los materiales que contienen hierro(II), incluidos FeO y magnetita (Fe3O4 ) . Las altas concentraciones de oxígeno favorecen los materiales férricos con las fórmulas nominales Fe(OH) 3− xOx⁄2 . La naturaleza del óxido cambia con el tiempo, lo que refleja las lentas velocidades 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 especies de Ca, Fe, O, OH.
El inicio de la oxidación también se puede detectar en el laboratorio con el uso de una solución indicadora de ferroxilo . La solución detecta tanto los iones Fe2 + como los iones hidroxilo. La formación de iones Fe2 + e iones hidroxilo se indica mediante parches azules y rosados respectivamente.
Debido al uso generalizado y a la importancia de los productos de hierro y acero, la prevención o la ralentización de la oxidación es la base de importantes actividades económicas en diversas tecnologías especializadas. Aquí se presenta una breve descripción general de los métodos; para obtener información detallada, consulte los artículos con referencias cruzadas.
El óxido es permeable al aire y al agua, por lo que el hierro metálico interior que se encuentra debajo de una capa de óxido continúa corroyéndose. Por lo tanto, para prevenir la oxidación se requieren recubrimientos que impidan su formación.
El acero inoxidable forma una capa de pasivación de óxido de cromo (III) . [8] [9] Un comportamiento de pasivación similar ocurre 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 acero Cor-Ten, se oxidan a un ritmo mucho más lento que lo normal, porque el óxido se adhiere a la superficie del metal formando una capa protectora. Los diseños que utilizan este material deben incluir medidas que eviten las exposiciones más extremas, ya que el material sigue 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 por inmersión en caliente o galvanoplastia . Tradicionalmente, se utiliza zinc 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 recubrimiento con 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 solo durante un período de tiempo limitado.
Los recubrimientos más modernos añaden aluminio al revestimiento en forma de zinc-alume ; el aluminio migrará para cubrir los rayones y, por lo tanto, brindará protección durante un período más prolongado. Estos enfoques se basan en que los óxidos de aluminio y zinc protejan una superficie que alguna vez se rayó, en lugar de oxidarse como un ánodo de sacrificio como en los recubrimientos galvanizados tradicionales. En algunos casos, como entornos muy agresivos o una vida útil prolongada, se aplican tanto zinc como un recubrimiento para brindar una mayor protección contra la corrosión.
La galvanización típica de los productos de acero que se someten a la intemperie diaria normal en un ambiente exterior consiste en un recubrimiento de zinc de 85 μm por inmersión en caliente . En condiciones climáticas normales, este se deteriorará a un ritmo de 1 μm por año, lo que brinda aproximadamente 85 años de protección. [12]
La protección catódica es una técnica que se utiliza 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, lo que hace 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 dejará de tener acción protectora a menos que se reemplace de manera oportuna.
La protección catódica también se puede proporcionar mediante la aplicación de una corriente eléctrica, lo que se denominaría protección catódica por 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 derretido") inyectado en estas secciones. Dichos tratamientos generalmente también contienen inhibidores de óxido. Cubrir el acero con hormigón puede brindar cierta protección al acero debido al entorno de pH alcalino en la interfaz acero-hormigón. Sin embargo, la oxidación del acero en el hormigón aún puede ser un problema, ya que el óxido en expansión puede fracturar el hormigón desde adentro. [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 daños extensos al mármol por la oxidación y la hinchazón del hierro desprotegido. Los constructores griegos antiguos habían utilizado un sistema de sujeción similar para los bloques de mármol durante la construcción, sin embargo, también vertieron plomo fundido sobre las juntas de hierro para protegerlas de los choques sísmicos y de la corrosión. Este método tuvo éxito para la estructura de 2500 años de antigüedad, pero en menos de un siglo las toscas reparaciones estuvieron en peligro inminente de derrumbe. [18] Cuando solo 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 a una superficie de hierro. Dichos tratamientos se utilizan ampliamente cuando se " enmudece " un barco de acero, un automóvil u otro equipo para su almacenamiento a largo plazo.
Existen mezclas especiales de lubricantes antiadherentes que se aplican a las roscas metálicas y otras superficies mecanizadas con precisión para protegerlas de la oxidación. 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 requerida ] a la oxidación para artículos de acero pequeños, como armas de fuego; para que tenga éxito, se frota un aceite que desplaza el agua sobre el acero pavonado y otro acero [ cita requerida ] .
Los inhibidores de corrosión, como los inhibidores de fase gaseosa o volátiles, se pueden utilizar para prevenir la corrosión dentro de sistemas sellados. No son eficaces cuando la circulación del aire los dispersa y permite la entrada de oxígeno y humedad frescos.
El óxido se puede evitar controlando la humedad en 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 objetos pequeños de hierro o acero mediante electrólisis se puede realizar en un taller casero utilizando materiales simples como un balde de plástico lleno de un electrolito que consiste en carbonato de sodio disuelto en agua del grifo , un trozo de varilla de refuerzo suspendida verticalmente en la solución para que actúe como ánodo , otra colocada en la parte superior del balde para que actúe como soporte para suspender el objeto, alambre de embalar para suspender el objeto en la solución desde la varilla de refuerzo horizontal y un cargador de batería como fuente de energía en el que el terminal positivo se sujeta 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 . La sobretensión también produce pequeñas cantidades de ozono, que es altamente tóxico, por lo que un cargador de teléfono de bajo voltaje es una fuente de corriente continua mucho más segura. 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; eliminar con ácidos orgánicos como ácido cítrico y vinagre o el ácido clorhídrico más fuerte ; o eliminar 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 de hierro original, su acumulación también puede provocar fallas al separar las piezas adyacentes, un fenómeno que a veces se conoce como "compactación de óxido". Fue la causa del colapso del puente del 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 Puente Silver de 1967 en Virginia Occidental , cuando un puente colgante de acero se derrumbó en menos de un minuto, matando a 46 conductores y pasajeros que se encontraban 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 solo por la gravedad.
El hormigón armado también es vulnerable a los daños por oxidación. La presión interna causada por la corrosión expansiva del acero y el hierro recubiertos de hormigón puede provocar que el hormigón se astille , lo que genera graves problemas estructurales. Es uno de los modos de falla más comunes de los puentes y edificios de hormigón armado.
El óxido es una metáfora que se utiliza con frecuencia para referirse a la lenta descomposición debida al descuido, ya que convierte gradualmente el robusto metal de hierro y acero en un polvo blando y desmenuzable. Una amplia sección del Medio Oeste y el Noreste de Estados Unidos industrializados , antaño dominados por las fundiciones de acero , la industria automotriz y otros fabricantes, ha experimentado duros recortes económicos que han hecho que la región sea conocida como el " cinturón del óxido ".
En la música, la literatura y el arte, el óxido se asocia con imágenes de gloria marchita, abandono, decadencia y ruina.
Se permite 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 la corrosión futura.
Para la corrosión atmosférica, consulte el Mapa del Milenio de la Asociación de Galvanizadores sobre las tasas promedio de corrosión del zinc. Aproximadamente el 50 % de Inglaterra y Gales tiene una tasa inferior a 1 μm/año
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