CELDAS GALVANICAS

1.- Introducción

Uno de los factores que limitan la vida de las piezas metálicas en servicio es el ataque fisicoquímico que sufren por el medio que las rodea. Los dos componentes básicos del aire son el nitrógeno (78%) y el oxígeno (21%) y ambos tienen influencia sobre el medio. El nitrógeno apenas es activo, pero el O2 es el responsable máximo de casi todos los procesos de oxidación y corrosión que se dan en los materiales expuestos a su acción. Dependiendo de la forma de actuar, el oxígeno puede hacerlo:

• En ambiente seco y cálido, así se provoca la oxidación.

• En ambiente húmedo y se origina la corrosión.

La lucha contra la corrosión es un problema complejo que origina fallos en las instalaciones

ocasionando elevadas cuantías económicas y enormes dificultades porque depende de varios factores y cada caso requiere una solución diferente. Los mecanismos de deterioro son diferentes según se trate de materiales metálicos, cerámicos o polímeros.

● En los materiales metálicos, el proceso de deterioro se denomina oxidación y corrosión.

● En los cerámicos las condiciones para el deterioro han de ser extremas, y hablaremos

también de corrosión.

● En los materiales polímeros se denomina degradación.

2.- Fundamentos de los procesos de oxidación

El fenómeno de oxidación viene dado al ceder electrones el elemento que se oxida al elemento oxidante, esto es, diremos que ocurre cuando un átomo inestable pierde un electrón, lo que permite que el átomo forme un compuesto nuevo con otro elemento.

Material + Oxigeno → Oxido de material ± Energía

• Si es +, la reacción es exotérmica → formación del óxido.

• Si es -, la reacción es endotérmica → será de difícil oxidación.

Esta reacción global, para la formación del óxido, M + 1/2O2 → MO, puede descomponerse en dos parciales:

• Una de oxidación (perdida de electrones): M → M2+ + 2e-

• Una de reducción (ganancia de electrones): 1/2O2 + 2e- → O2-

Básicamente, con lo visto anteriormente, existen dos tipos de reacciones químicas:

1) Aquellas en las cuales reaccionan iones o moléculas sin cambio aparente de la estructura

electrónica de las partículas, y

2) Reacciones en las cuales los iones o átomos experimentan cambios de estructura electrónica.

En el segundo tipo de reacción puede haber transferencia real de electrones de una partícula a otra o

la forma en que se compartan los electrones puede modificarse. Este último tipo de reacción que

involucra cambios electrónicos se llama reacción de oxidacion-reduccion.

El elemento oxidante por excelencia es el O2, aunque también la provocan el Cl2, S2, H2, Br2,

SO2 , SO3, CO y CO2. Existían muchos ejemplos conocidos de esto. El hierro se enmohece y el

carbón arde. En el enmohecimiento, el oxígeno se combina lentamente con el hierro formando

oxido ferroso (Fe2 O3); en la combustión, se combina rápidamente con el carbón para formar CO2.

La observación de estas reacciones origino los términos oxidación “lenta” y "rápida”. La oxidación

se definió como el proceso mediante el cual hay pérdida aparente de electrones de un átomo o ion.

Existen algunos metales, especialmente resistentes a la oxidación como níquel, cromo, aluminio,

cobre.., al igual que las aleaciones de las que forman parte, como ejemplo broces o aceros

inoxidables.

La oxidación directa, , sin intervención de calor, se produce en los metales debido:

• Que la acción del oxígeno se dará siempre porque está en la atmosfera.

• A menor estabilidad de átomos superficiales de los metales ( su enlace es menos energético

que en los del interior)

Hasta cierto límites de espesor y temperatura, la capa de óxido puede servir de protección e

impedir que esta siga avanzando. Pero al elevar la temperatura se puede agrietar la capa de óxido y

así avanzar al interior. Es decir, una vez que se ha formado la capa de óxido esta protege el material

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porque, para que progrese será necesario una de estas condiciones:

1. Que M2+ junto con los dos electrones atraviesen la capa de óxido por difusión en busca del

Oxigeno (difusión catódica).

2. Que los electrones atraviesen la capa de óxido y después de producida la reducción, los

Iones de O2- atraviesen de nuevo dicha capa pero en sentido contrario, oxidando la interfase

(difusión anódica).

3.- Corrosión y efectos de la misma

La corrosión causa el deterioro de todo

tipo de material. En ella, podemos distinguir

dos procesos:

• Oxidación directa o Corrosión

Química. (Resulta de la combinación de los

átomos metálicos con los de la sustancia

agresiva). Un material se disuelve en un

medio líquido corrosivo. El material seguirá

disolviendose , hasta que se haya consumido

todo o se sature el líquido. Ejemplo sal

disuelta en agua.

• Corrosión electroquírnica. (La

corrosión electroquímica se origina por la

presencia de pilas electroquímicas en las que

el metal actúa como ánodo (cede electrones y

los átomos del metal pasan a ser iones positivos o cationes) y por tanto se disuelve. Este tipo de

corrosión exige la presencia de ambientes acuosos y, en general, con medios de conductividad

electrolítica). Es decir, ocurre cuando los átomos de metal pierden electrones y se convierten en

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iones. Conforme se consume gradualmente el metal, se forma un subproducto de este proceso.

Ocurre con mayor frecuencia en ambiente acuoso, o en aire húmedo. En este proceso se crea un

circuito eléctrico y el sistema se conoce como celda química. Ejemplo corrosión en tuberías de

acero con agujeros con herrumbre como subproducto. Aunque en ocasiones estas celdas pueden ser

de utilidad cuando intencionadamente se crea un circuito eléctrico para efectuar electrodeposición

En el caso de la oxidación directa, toda la superficie metálica es afectada prácticamente por

igual. En cambio, en las piezas que sufren corrosión electroquímica, solamente son afectadas las

áreas anódicas, pero no las catódicas.

Por tanto, podemos definir la corrosión como el deterioro lento de un material por acción de un

agente exterior que combina oxigeno del aire y la humedad y la corrosión química producida por

la acción de los ácidos y álcalis.

A efectos de corrosión, son tan importantes las propiedades del medio como las del metal, y la

favorecen todos los factores que influyen positivamente sobre la velocidad de la reacción de

oxidación , que son:

➢ Temperatura elevada

➢ Presencia de ácidos y álcalis (en definitiva del medio donde se encuentra, si es

acido, básico, salino, con impurezas, en agitación o reposo, temperatura,

iluminación..).

➢ Carácter electroquímico

➢ Características del material: composición (las heterogeneidades químicas y

estructurales, así como las tensiones internas, aceleran la oxidación), forma de la

pieza (los surcos de mecanizado, grietas y orificios no permiten un buen pulido

quedando partes oxidadas, y los esfuerzos de tracción también lo favorecen) y estado

superficial.

3.1. La pila de corrosión electroquímica o celda electroquímica

Una pila electroquímica se forma cuando dos piezas de metal se ponen en contado a través de un

liquido conductor o electrolito. El circuito eléctrico que se forma produce fenómenos de

electrodeposición como la corrosión electroquímica

Los componentes de una pila electroquímica son:

➔ Ánodo: Electrodo metálico en una celda electrolítica que se disuelve dando

cationes y electrones al circuito externo. Cede electrones al circuito y se

corroe.

➔ Cátodo: Receptor de electrones del circuito a través de una reacción

química. Los iones que se combinan con los electrones producen un

subproducto en el cátodo.

➔ Contacto físico o puente de conexión: Medio físico de conexión entre

ánodo y cátodo, por donde fluyen los electrones del ánodo al cátodo.

➔ Electrolito: Liquido que está en contacto tanto con el ánodo como con el

cátodo. Debe ser un conductor. Este líquido proporciona el medio a través

del cual los iones metálicos abandonan la superficie del ánodo, y asegura

que los iones se desplacen hacia el cátodo que acepta los electrones.

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En una pila electroquímica se producen los siguientes tipos de reacciones químicas, que

pasamos a describir:

a) Reacción anódica. El ánodo, que es un metal, experimenta una reacción por oxidación

mediante la cual se ionizan los átomos metálicos. M → Mn+ + ne- . Los iones salen del ánodo, este

se corroe.

b) Reacción catódica en la electrodeposición. En el cátodo tiene lugar una reacción de

reducción, que es inversa a la producida en el ánodo: Mn+ +ne- → M

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