Ciencia Ahora, nº 24, año 12, julio a diciembre 2009

CORROSIÓN DEL HIERRO EN DISTINTOS TIPOS DE AGUAS: UNA PROPUESTA EXPERIMENTAL Fresia Chandía C.1, Sergio Hernández H.2 1. Departamento de Ciencias, Colegio Arturo Prat Chacón Talcahuano 2. Facultad de Ciencias, Universidad Católica de la Santísima Concepción

1. Introducción La corrosión es un proceso espontáneo de destrucción que experimentan los metales en contacto con el medioambiente, convirtiéndose en óxidos y esto produce un gradual deterioro de ellos. La corrosión de los metales, es un proceso permanente debido a que ellos están siempre en contacto con los agentes que la provocan, como son el agua, el oxígeno del aire y en estos últimos años la lluvia ácida (1), al mismo tiempo en las zonas costera, también el problema se intensifica debido al ambiente salino (2). La forma de corrosión mas común y destructiva desde el punto de vista económico es la oxidación del hierro, este problema significa un derroche de energía y de dinero, debido a que en el mundo se gastan millones de dólares, tanto en proteger como en reponer los materiales y estructuras metálicas corroídas (3). Para minimizar el problema de la corrosión, es necesario proteger los metales con pinturas anticorrosivas o estructuras de hierro galvanizadas, estañadas o bien se le une a la estructura de hierro un ánodo de sacrificio de magnesio (4). La corrosión de los metales, y en particular el hierro, es un proceso electroquímico debido a que sobre la pieza del metal que se corroe existen zonas anódicas y catódicas, en el cual el hierro se oxida con el oxígeno del aire en presencia de humedad, para dar un producto que carece de las propiedades estructurales del hierro metálico, como lo es el óxido de hierro(III) hidratado (Fe2O3. x H2O) de color café rojizo que se llama en lo cotidiano herrumbre (5,6). El proceso de corrosión se desarrolla fundamentalmente en dos etapas (7), a saber: 1.la primera etapa puede interpretarse como una pila galvánica, en la que una zona de la superficie del hierro funciona como ánodo y tiene lugar la oxidación del hierro metálico a ión hierro(II), según : Fe(s) ===> Fe2+ (ac) + 2eEº = 0,44 v En otra región contigua a la superficie del metal que funciona como cátodo, tiene lugar la reducción del oxígeno atmosférico a agua según la semirreacción; ½O2 (g) + 2H+(ac) + 2e- ===> H2O (l ) La reacción global se representa en la siguiente ecuación: Fe(s) + ½O2(g) + 2H+ (ac)====> Fe2+(ac) + H2O(l)

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Eº= 1,23 v

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El potencial de esta pila se puede calcula, sea sumando los potenciales obtenidos en las semirreacciones o haciendo uso de los potenciales de reacción tabulados como de reducción, y se obtiene: Eº = Eºcátodo – Eº ánodo = 1,23- (-0,44) = 1,67 v. Se sabe que el agua no tiene una concentración de protones 1 Molar, por lo tanto el potencial de la reacción global, sería un poco menor, pero también positivo, lo que indica que el proceso es espontáneo (8). Como se observa en la reacción global, esta primera etapa ocurre en medio ácido, donde los protones requeridos, son aportados por cualquier ácido como el CO2 atmosférico disuelto en el agua, también pueden ser aportados por la lluvia ácida en las zonas mas contaminadas. 2.La segunda etapa, corresponde a la formación de la herrumbre, donde el ión hierro(II) sale de la superficie del metal y migra a la gota de agua, donde se oxida a ión hierro(III),según: 2Fe2+(ac) ===> 2Fe3+(ac) + 2e-

Eº = 0,77 v

Simultáneamente el oxígeno disuelto en el agua se reduce según : ½ O2(ac) + 2H+(ac) + 2e- ===> H2O(l)

Eº= 1,44

La ecuación de la reacción global corresponde a : 2Fe2+(ac) + ½ O2(g) + 2H+(ac) ==> 2Fe3+(ac) + H2O(l) El potencial de la reacción global es alto y positivo, por lo tanto este proceso también es espontáneo. Los iones Fe3+ precipitan como óxido de hierro(III) hidratado como consecuencia de la desprotonación de las moléculas de agua y se representa mediante la siguiente ecuación: 4H2O(l) + 2Fe3+(ac) ===> 6H+(ac) + Fe2O3.xH2O(s) Esta reacción reestablece los protones necesarios para que la reacción global de la primera etapa vuelva a ocurrir. La representación gráfica del proceso de corrosión del hierro en medio ácido, donde se forma la herrumbre, se muestra en la figura 2. El proceso global de corrosión del hierro se resume en la siguiente ecuación: 2Fe(s) + 3/2 O2(ac) + xH2O(l)====> Fe2O3.xH2O(s). En medio neutro o débilmente básico, el proceso de corrosión del hierro (9,10) se representa por las siguientes etapas: Primera etapa: el oxígeno del aire se reduce a ión hidróxido, donde los electrones son suministrados por la oxidación del hierro metálico de acuerdo a las siguientes ecuaciones:

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O2(g) + 2H2O(l) + 4e- ===> 4OH-(ac) Fe(s) ===> Fe2+(ac) + 2 e

Cátodo Änodo Ecuación global :

Eº = 0,40 v Eº = 0,44

2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l) ====> Fe2+(ac) + 4OH-(ac)

El potencial de esta pila es 0,84 v, positivo, menor que en medio ácido, pero también es espontáneo (11). En la segunda etapa se forma el hidróxido de hierro (II), el cuál se oxida a hidróxido de hierro (III) y este se convierte en óxido de hierro(III) llamada herrumbre y se representa en las siguientes ecuaciones: Fe2+ ( ac) + 2OH-(ac) ===> Fe(OH)2(s) 4Fe(OH)2(s) + O2(g) + 2H2O(l) ===> 4Fe(OH)3(s) 2Fe(OH)3(s) ====> Fe2O3.H2O(s) + 2H2O(l) La representación gráfica del proceso de corrosión del hierro en medio neutro o débilmente básico, se representa en la figura 3. La unidad de aprendizaje óxido reducción, correspondiente al programa de tercer año Enseñanza Media, tiene contemplado en forma breve el fenómeno de corrosión, como un contenido de aplicación en la sociedad de este tipo de reacciones químicas y que generalmente no se detallan las reacciones químicas que están contempladas en este proceso electroquímico. Por lo tanto este trabajo pretende reforzar este contenido, presentando las reacciones químicas y sus potenciales involucrados en el proceso de corrosión del hierro. Al mismo tiempo se propone una actividad de laboratorio, donde se estudia intensidad de la corrosión del hierro de un producto de uso doméstico como la lana fina de acero para fregar ollas, frente a distintos tipos de agua: agua ácida, agua potable y agua de mar. 2. Parte Experimental Materiales Lana fina de acero (virutex) para fregar ollas, soporte universal, fuente plástica, probeta de 50 mL, pipeta parcial, papel pH o peachímetro azul de metileno, agua potable, agua de mar, agua ácida*. *El agua ácida se prepara agregando a 1 L de agua potable gotas de los ácidos concentrados (HNO3-H2SO4) hasta lograr un pH alrededor de 3,0.! Cuidado! Procedimiento Realizar un montaje como se indica en la figura 1, introduzca en una probeta vacía una lana fina de acero humedecida con agua potable; llene una fuente con agua potable, mida el pH con papel pH o un peachímetro y luego coloree el agua de la fuente con gotas de azul de metileno, a continuación invierta la probeta en la fuente y sujétela a un soporte universal. Repita la experiencia para agua de mar y agua ácida respectivamente. Observe la lana de acero al interior

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de cada probeta, cada 12 horas durante tres o mas días y mida las alturas de cada columna de agua al interior de las probetas y registre sus resultados.

Figura 1. Montaje de la experiencia de corrosión del hierro en distintos tipos de agua. (Agua Potable, Agua Ácida y Agua de Mar). 3. Resultados Tabla 1. pH y alturas de columnas de agua en la corrosión del hierro. Tipo de Agua

pH

Agua Ácida Agua Potable Agua de Mar

3,0 6,5 8,3

Altura Columna de Agua (cm) 12 Hrs 0,5 0,0 0.0

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Altura Columna de Agua (cm) 24 Hrs 1,9 1,0 0,8

Altura columna de Agua (cm)48 Hrs 2,5 1,8 1,5

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Figura 2. Representación gráfica de las etapas de la corrosión del hierro en medio ácido

Figura 3. Representación gráfica de las etapas de la corrosión del hierro en medio neutro o básico

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4. Discusión En el sistema con agua ácida a pH= 3,0 se observa a las 12 hrs una pequeña altura de la columna de agua de 0,5 cm en el interior de la probeta, presentando algo de hierro oxidado, a medida que avanza el tiempo aumenta la altura de la columna y es de 1,9 cm a las 24 hrs y a las 48 hrs alcanza una altura máxima de 2,5 cm y gran parte del hierro se encuentra oxidado. Por lo tanto el proceso de corrosión del hierro en medio ácido ocurre con mayor velocidad e intensidad que en los otros sistemas(12), esto se debe a que la reducción del oxígeno, tiene una alta concentración de protones disponibles, debido a la acidez del agua (ver figura 2). El sistema con agua potable a pH = 6,5 a las 12 horas no hay altura de la columna de agua, pero si pequeños signos de corrosión en la lana de acero, luego a las 24 hrs, la altura de la columna de agua es de 1,0 cm y a las 48 hrs, alcanza una altura máxima de 1,8 cm, altura menor que el agua ácida, pero hay abundante hierro oxidado. Esto se debe a que el pH del agua potable es cercano a la neutralidad y el oxígeno se reduce a ión hidróxido(ver figura 3) con un potencial menor que en medio ácido, lo que permite que el proceso de corrosión del hierro en el agua potable, ocurra con menor intensidad y velocidad que en el agua ácida. En lo que respecta al agua de mar pH=8,3 a las 12 horas no hay altura de la columna de agua y tampoco signos de corrosión del hierro, sin embargo a las 24 hrs la altura de la columna de agua es de 0,8 cm y a las 48 hrs la altura máxima alcanzada por la columna de agua fue de 1,5 cm, y es menor que en el agua potable pero hay bastante hierro oxidado. Esto indica que el proceso de corrosión del hierro es mas lento a pH débilmente básico, a pesar del contenido de electrolitos en el agua de mar, que permiten una mayor velocidad del proceso de corrosión, pero probablemente el medio ligeramente alcalino, influye significativamente en la intensidad y velocidad del proceso de corrosión del hierro. En cada uno de los sistemas, las alturas de las columnas de agua al interior de las probetas, representan el consumo de oxígeno del aire empleado en la corrosión del hierro, por lo tanto hay una relación directa entre la altura de la columna de agua y la velocidad e intensidad de la corrosión del hierro. Cuando se acabe todo el oxigeno al interior de las probetas, las alturas de cada columna de agua, debe corresponder aproximadamente a la quinta parte del volumen interior de la probeta, esto es debido a que el aire contiene alrededor de un 20 % de oxígeno, situación ideal que requiere mayor tiempo de experimentación y un rendimiento de un 100 %.

5. Conclusiones De este trabajo se concluye lo siguiente: La lana de acero se corroe en todos los tipos de agua, pero varía la intensidad y velocidad del proceso de corrosión. En aguas ácidas, tanto la velocidad como la intensidad de la corrosión del hierro, son mayores que en los otros tipos de agua.

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El desarrollo de esta actividad, tanto teórica como práctica, permitirá sin duda, reforzar el concepto de corrosión, valorar la importancia y preocupación por este problema en la sociedad. Esta experiencia educativa permitirá sin lugar a dudas, lograr aprendizajes significativos en los estudiantes.

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