DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA

CORROSIÓN DE HIERRO 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, al mismo tiempo en las zonas costera, también el problema se intensifica debido al ambiente salino. La forma de corrosión más 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. 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. 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.

El proceso de corrosión se desarrolla fundamentalmente en dos etapas, 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 :

DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA Fe(s) ===> Fe2+ (ac) + 2e-

Eº = 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 ) Eº= 1,23 v La reacción global se representa en la siguiente ecuación: Fe(s) + ½O2(g) + 2H+ (ac)====> Fe2+(ac) + H2O(l) El potencial de esta pila se puede calcular, 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. espontánea 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 más 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= 1,44V 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) + Fe2O3xH2O(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)====> Fe2O3xH2O(s) En medio neutro o débilmente básico, el proceso de corrosión del hierro 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:

DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA Cátodo 2O2(g) + 2H2O(l) + 4e- ===> 4OH-(ac) Eº = 0,40 v Änodo Fe(s) ===> Fe2+(ac) + 2 e Eº = 0,44 V Ecuación global: 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. En la segunda etapa se forma el hidróxido de hierro (II), el cual 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)

OBJETIVO Demostrar experimentalmente que en la corrosión del hierro es necesaria la presencia de oxígeno y agua. MATERIALES Y PRODUCTOS -

Cuatro tubos de ensayo secos (dos con tapón de goma), etiquetas, gradilla de tubos de ensayo, mechero, papel de lijar, vaso de precipitados, trípode, soporte para tubo de ensayo y rejilla metálica.

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Clavos de hierro, cloruro de calcio anhidro, lana de algodón y cera de parafina.

PROCEDIMIENTO 1. En un vaso de precipitados, se hierve agua desionizada. Se mantiene hirviendo hasta que se realice el paso 7. 2. Lijar cuatro clavos de hierro con papel de lija hasta que queden completamente limpios. 3. Etiquetar los cuatro tubos de ensayo con las letras de la A a la D. 4. Colocar un clavo en el tubo A y dejarlo abierto al aire. 5. Colocar otro clavo en el tubo B y añadir un poco de agua. Dejarlo sin cubrir. 6. Colocar un clavo en el tubo C, poner un tapón de lana de algodón encima del clavo, añadir encima cloruro de calcio anhidro hasta una profundidad de 2 cm. Cerrar el tubo con un tapón de goma.

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7. Poner un clavo en el tubo D y añadir suficiente agua hervida para cubrir el clavo. Cubrir la superficie del agua con cera de parafina fundida y cerrar el tubo con un tapón de goma. 8. Dejar los tubos en una gradilla sin tocarlos durante una semana. Después, sacar los clavos y examinarlos. Si no hay ningún cambio en el clavo del tubo A, dejarlo una semana. Anotar los resultados en una tabla adecuada. CUESTIONES 1. Explicar por qué el experimento demuestra que tanto el aire como el agua son necesarios para que se produzca la corrosión del hierro. 2. Explicar qué es lo que hay (falta) en cada tubo y por qué se hirvió el agua utilizada en el paso 7, y por qué luego se cubrió con cera.

DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y QUÍMICA 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. espontánea 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 más 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: Ciencia Ahora, nº 24, año 12, julio a diciembre