En l'àmbit de la ciència i l'enginyeria dels materials, els termes corrosió, oxidació i rovell s'utilitzen sovint de manera intercanviable. Tot i això, aquests processos, tot i ser relacionats, tenen característiques i impactes diferents. Comprendre les seves diferències és crucial per a les indústries que van des de la construcció fins a l’aeroespacial, ja que aquests fenòmens poden afectar significativament la longevitat i la seguretat dels materials i estructures.
Què és la corrosió?
La corrosió és la degradació gradual dels materials, normalment metalls, causada per reaccions químiques o electroquímiques. Debilita el material i afecta la seva integritat estructural. La corrosió pot provocar un fracàs si es deixa de marcar.
Degradació de les propietats del material
Quan es produeix la corrosió, altera les propietats físiques del material. Això inclou força, aparença i fins i tot conductivitat. Les reaccions electroquímiques entre el metall i el seu entorn provoquen aquesta degradació.
Tipus de corrosió
La corrosió no és la mateixa en tots els escenaris. Diferents entorns i materials condueixen a diferents formes de corrosió. A continuació, es mostren alguns tipus comuns:
Atac uniforme : aquesta és la forma més comuna de corrosió. Es produeix quan tota la superfície d’un material s’exposa a un entorn corrosiu, donant lloc a un deteriorament uniforme.
Corrosió galvànica : Aquest tipus de corrosió es produeix quan dos metalls diferents estan en contacte entre ells en presència d’un electròlit. El metall menys noble es converteix en l’anode i corroï més ràpidament.
Ecell = e⁰Cathode - e⁰anode - (RT/NF) ln ([ox]/[vermell])
Ecell = potencial cel·lular, E0 = potencials d’elèctrodes estàndard, r = constant de gas, t = temperatura, n = nombre d’electrons transferits i F és la constant de Faraday.
Velocitat de corrosió ∝ [Cl-] E (-∆G/RT)
En aquesta equació, ΔG és el canvi de l’energia lliure de Gibbs, R és la constant de gas i T és la temperatura.
Polí : es tracta d’una forma localitzada de corrosió que dóna lloc a petits forats o fosses a la superfície d’un metall. Pot ser difícil de detectar i pot provocar un fracàs ràpid.
Corrosió intergranular : Aquest tipus de corrosió es produeix al llarg dels límits del gra d’un metall, sovint a causa de la precipitació d’impureses o la formació de diferents fases.
Corrosió d’erosió : passa quan un fluid corrosiu es mou sobre una superfície metàl·lica a altes velocitats, provocant tant el desgast mecànic com la degradació química.
Esquerda de la corrosió de la tensió : es produeix quan un metall està sotmès a tensió a la tracció i a un entorn corrosiu, donant lloc a la formació i propagació de les esquerdes.
Lixiviació selectiva : Aquest tipus de corrosió implica l’eliminació selectiva d’un element d’un aliatge, deixant enrere una estructura porosa debilitada.
Materials afectats per la corrosió
La corrosió no afecta només els metalls. Altres materials també es poden degradar:
Metalls : ferro, alumini, coure i els seus aliatges es veuen més afectats per la corrosió.
Ceràmica : Tot i que menys freqüent, la ceràmica es pot degradar mitjançant reaccions químiques amb el seu entorn.
Polímers : en lloc de corroir, els polímers es degraden. Aquest debilitament pot comportar esquerdes, deformacions o decoloració.
Què és l’oxidació?
L’oxidació és un procés químic on un material perd electrons, que normalment reacciona amb l’oxigen. És part de la química quotidiana, sovint es tradueix en canvis visibles com el color o la textura.
Procés químic que comporta la pèrdua d’electrons
En oxidació, una substància renuncia als electrons a una altra. L’oxigen sol ser la substància que els accepta. Aquesta reacció es pot produir tant en materials orgànics com inorgànics, canviant les seves propietats. Una reacció general d’oxidació es pot representar com:
m → m⁺ + e⁻
Aquí, 'm ' representa el material (sovint un metall) que perd el electrons, convertint -se en un ió carregat positivament (M⁺).
Exemples d’oxidació a la vida quotidiana
L’oxidació afecta els materials que utilitzem cada dia. A continuació, es mostren alguns exemples habituals:
El rovell de ferro i acer : quan el ferro reacciona amb oxigen i humitat, forma rovell. L’equació química per a la formació de rovell és:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Aquesta capa de color marró vermellós debilita el metall.
Tarnishing of Silver : la plata reacciona amb els compostos de sofre a l’aire, formant sulfur de plata. L’equació química és:
2AG + H₂s → Ag₂s + H₂
Aquesta capa negra s’amuntega la brillantor de les joies o els coberts de plata.
Oxidació en materials orgànics
L’oxidació també passa en els organismes vius. Però, a diferència dels metalls, els efectes poden ser beneficiosos:
Impulsió en el metabolisme : En els nostres cossos, l’oxidació ajuda a cremar els aliments per a l’energia, accelerant el metabolisme.
Risc inferior al càncer : Alguns processos d’oxidació a les cèl·lules ajuden a prevenir la propagació de radicals lliures nocius, cosa que pot disminuir el risc de càncer.
Què és el rovell?
El rovell és un tipus específic de corrosió que afecta el ferro i els seus aliatges, com l’acer. Es caracteritza per un color marró vermellós i una textura descarnada.
Aquesta forma de corrosió es produeix quan el ferro està exposat a la humitat i l’oxigen. El procés de formació de rovell implica diversos passos:
Reacció d’oxidació : El ferro perd electrons i reacciona amb l’oxigen en presència d’aigua per formar ions de ferro (II).
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Formació d’hidròxid de ferro : els ions Fe⊃2; ⁺ reaccionen amb l’aigua i l’oxigen per formar hidròxid de ferro (II).
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + O₂ → Fe (OH) ₂
Oxidació de l’hidròxid de ferro : el ferro (II) L’hidròxid s’oxida encara més per formar hidròxid de ferro (III).
4Fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe (OH) ₃
Formació de rovell : el ferro (iii) hidròxid deshidrata per formar hidròxid d'òxid de ferro (III), comunament conegut com a rovell. Aquest rovell és una barreja complexa d’òxids de ferro i hidròxids.
4Fe (OH) ₂ → Fe₂o₃ · 3h₂o
Diverses condicions poden promoure la formació de rovell:
Presència d’humitat : l’aigua actua com a electròlit, permetent les reaccions de reducció d’oxidació necessàries per a l’oxidació. L’alta humitat o l’exposició directa a la pluja poden accelerar el procés.
L’exposició a l’oxigen i als electròlits : l’oxigen és essencial per a la formació de rovell. Les àrees amb bona aireació o alta concentració d’oxigen són més propenses a l’oxidació. Les sals i els àcids també poden augmentar l’activitat electroquímica del metall, accelerant el procés d’oxidació.
Factors ambientals : la temperatura té un paper en la formació de rovell. Les temperatures més elevades poden augmentar les taxes de reaccions químiques, donant lloc a un rovell més ràpid. Els contaminants superficials com la brutícia o l’oli poden atrapar la humitat contra la superfície metàl·lica, creant zones localitzades vulnerables a l’oxidació.
Diferències entre corrosió, oxidació i
| aspectes de | ROST | rovell | ROST |
| Definició | Degradació de materials a causa de reaccions químiques o electroquímiques amb el medi ambient | Procés químic on una substància perd electrons, sovint implicant oxigen | Forma específica de corrosió que afecta els aliatges de ferro i ferro |
| Àmbit | Terme més ampli, que inclou diverses formes de degradació del material | Tipus específic de reacció química | Producte específic de l’oxidació del ferro |
| Materials afectats | Diversos materials, com ara metalls, ceràmiques i polímers | Tant substàncies orgàniques com inorgàniques | Específicament el ferro i els seus aliatges |
| Factors ambientals | Requereix un electròlit | Necessita oxigen o un altre agent oxidant | Requereix tant oxigen com humitat |
| Productes | Pot donar lloc a diversos compostos | Produeix òxids | Forma òxids de ferro i hidròxids |
| Procés químic | Sovint implica la transferència d’electrons entre material i medi ambient | Pèrdua d’electrons, sovint a l’oxigen | El ferro reacciona amb oxigen i aigua |
| Aparició | Diverses formes (per exemple, picador, escala) | Pot ser visible o invisible segons el material | Color marró vermellós distintiu |
| Impacte | Normalment perjudicials per a les propietats del material | Pot ser beneficiós (per exemple, capes protectores) o perjudicial | Sempre perjudicial per als materials basats en ferro |
| Impacte econòmic | Significatiu en diverses indústries | Varia segons el context | Substancial en les indústries que utilitzen el ferro |
Impacte de la corrosió, l’oxidació i l’oxidació
La corrosió, l’oxidació i l’oxidació tenen conseqüències àmplies que s’estenen més enllà de la degradació dels materials. Poden provocar pèrdues econòmiques importants, suposar riscos per a la seguretat i fins i tot perjudicar el medi ambient.
Conseqüències econòmiques
Els costos associats a la corrosió, l’oxidació i l’oxidació són impressionants. Segons un estudi de NACE International, es calcula que el cost global de la corrosió és de 2,5 bilions de dòlars anuals, cosa que equival al 3,4% del PIB mundial.
Aquests costos inclouen:
Costos directes de substitució o reparació de materials i estructures corroïdes
Costos indirectes com ara pèrdues de producció, danys ambientals i litigios
Costos de manteniment per a les mesures de prevenció i control de la corrosió
Les indústries més afectades per la corrosió inclouen:
Petroli i gas
Transport (automoció, aeroespacial, ferrocarril i marí)
Infraestructura (ponts, canonades i edificis)
Plantes de fabricació i processament
Preocupacions de seguretat
La corrosió, l’oxidació i l’oxidació poden comprometre la integritat estructural d’edificis, vehicles i infraestructures. Aquest deteriorament pot comportar fallades catastròfiques, posant la vida en risc.
Alguns exemples de perills de seguretat causats per la corrosió són:
Col·lapse de ponts o edificis a causa dels reforços d'acer afeblits
Falla de canonades, provocant vessaments de petroli o fuites de gas
Mal funcionament de components crítics en avions o vehicles
Contaminació d’aigua potable de canonades corroïdes
Implicacions mediambientals
La corrosió, l’oxidació i l’oxidació també poden tenir conseqüències ambientals importants. Quan les estructures corroïdes fallen, poden alliberar materials perillosos al medi.
Per exemple:
Els dipòsits d’emmagatzematge corroïts poden filtrar productes químics o productes petroliers, contaminació del sòl i aigües subterrànies
Els residus metàl·lics rovellats poden filtrar metalls pesants a l'ecosistema
La degradació de la infraestructura pot comportar ineficiències, augmentant les emissions de gasos d’efecte hivernacle
Estratègies de prevenció i mitigació
La prevenció i la mitigació de la corrosió, oxidació i rovell requereix un enfocament polifacètic. Es tracta de selecció acurada de materials, consideracions de disseny, tractaments de protecció, control ambiental i control regular.
Selecció i disseny de materials
Una de les maneres més efectives de prevenir la corrosió és mitjançant materials que són inherentment resistents. Alguns exemples d'aliatges resistents a la corrosió inclouen:
Aquests materials formen una capa d’òxid protector a la seva superfície, cosa que ajuda a evitar una corrosió més.
El disseny també té un paper crucial en la minimització de la corrosió. Els enginyers haurien de:
Eviteu les cantonades afilades i les cremes on es puguin acumular substàncies corrosives
Garantiu un drenatge adequat per evitar l’aigua permanent
Utilitzeu juntes soldades en lloc de connexions cargolades o reblades quan sigui possible
Recobriments i tractaments de protecció
L’aplicació de recobriments i tractaments de protecció a la superfície d’un material pot ajudar a prevenir la corrosió. Alguns mètodes comuns inclouen:
Pintures i olis : creen una barrera entre el metall i el medi ambient, evitant l’exposició a agents corrosius.
Galvanització : es tracta de recobriment de ferro o acer amb una capa de zinc, que es corroeix sacrificant per protegir el metall subjacent.
Electroplication : diposita una fina capa d’un metall més resistent a la corrosió, com el crom o el níquel, a la superfície d’un altre metall.
Anodització : aquest procés crea una capa d’òxid gruixuda i protectora a la superfície de metalls com l’alumini.
Passivació : consisteix en tractar la superfície d’un metall amb una solució química per millorar la formació d’una capa d’òxid protector.
Control ambiental
Controlar l’entorn pot ajudar a minimitzar l’exposició a agents corrosius. Algunes estratègies inclouen:
Mantenir baixos nivells d’humitat per reduir la humitat a l’aire
Regular la temperatura per evitar fluctuacions extremes que puguin accelerar la corrosió
Utilitzant deshumidificadors, aire condicionat o escalfadors per controlar el medi ambient
Emmagatzemar materials en zones seques i ben ventilades allunyades de substàncies corrosives
Monitorització i inspecció de la corrosió
El seguiment i la inspecció periòdics poden ajudar a detectar la corrosió precoçment, permetent una intervenció puntual. Això implica:
Inspecció visual de superfícies per a signes de corrosió, com ara la decoloració, el pits o el descamació
Utilitzant mètodes de prova no destructius, com ara la mesura del gruix ultrasònic o la radiografia, per avaluar l'extensió de la corrosió sense danyar el material
Mantenir registres detallats dels resultats de la inspecció per fer el seguiment de la progressió de la corrosió al llarg del temps
Avanços en la prevenció i la tecnologia de la corrosió
A mesura que continua la batalla contra la corrosió, els investigadors i els enginyers desenvolupen solucions innovadores per prevenir i mitigar els seus efectes. Aquests avenços van des de recobriments d’alt rendiment fins a sistemes de control en temps real i materials nous.
Desenvolupament de recobriments d’alt rendiment
Un dels àmbits de progrés significatiu és el desenvolupament de recobriments de protecció avançats. Aquests recobriments proporcionen una resistència superior a la corrosió, el desgast i l’atac químic. Alguns exemples notables són:
Recobriments epoxi i poliuretà : aquests ofereixen una excel·lent adhesió, durabilitat i resistència a la humitat i productes químics. S’utilitzen àmpliament en aplicacions industrials i marines.
Els recobriments de fluoropolímer : coneguts per la seva excepcional resistència química i les seves baixes propietats de fricció, els recobriments de fluoropolímer, com PTFE (Teflon), són ideals per a ambients durs.
Recobriments d’autocuració d’inspiració bio : aquests recobriments innovadors imiten les propietats d’autocuració dels organismes vius. Contenen càpsules microscòpiques plenes d’agents curatius que s’alliberen quan el recobriment està danyat, cosa que li permet reparar -se.
Protecció catòdica i tecnologies inhibidores de la corrosió
La protecció catòdica és un mètode ben establert per prevenir la corrosió en estructures metàl·liques. Es tracta d’aplicar un petit corrent elèctric al metall, convertint -lo en el càtode en una cèl·lula electroquímica. Això impedeix que el metall corrogui.
Els inhibidors de la corrosió són substàncies que, quan s’afegeixen a un entorn corrosiu, disminueixen la taxa de corrosió. Funcionen formant una pel·lícula protectora a la superfície metàl·lica o modificant la química del medi ambient.
Els avenços recents en aquestes tecnologies inclouen:
Sistemes de protecció catòdica actuals impressionats que utilitzen energia solar o altres fonts d’energia renovables
Inhibidors de la corrosió orgànica derivades d’extractes de plantes i altres fonts ecològiques
Recobriments intel·ligents que incorporen inhibidors de la corrosió i els alliberen quan sigui necessari
Monitorització de corrosió en temps real i sistemes d’alerta precoç
La detecció de la corrosió precoç és crucial per prevenir fallades catastròfiques. Els sistemes de control en temps real utilitzen sensors per mesurar contínuament diversos paràmetres relacionats amb la corrosió, com ara:
Aquests sistemes poden alertar els operadors quan les taxes de corrosió superen els nivells acceptables, permetent una intervenció puntual. Alguns sistemes avançats fins i tot utilitzen algoritmes d’aprenentatge de màquines per predir les taxes de corrosió basades en dades històriques.
Nous materials i tècniques per a la prevenció de la corrosió en entorns marins
Els entorns marins són especialment difícils quan es tracta de la prevenció de la corrosió. La combinació d’aigua salada, molèstia biològica i estrès mecànic pot degradar ràpidament fins i tot els materials més robusts.
Els investigadors desenvolupen nous materials i tècniques per afrontar aquests reptes, com ara:
Aliatges resistents a la corrosió que contenen nivells elevats de crom, níquel i molibdè
Materials compostos que combinen la força dels metalls amb la resistència a la corrosió dels polímers
Recobriments nanoestructurats que creen una superfície super hidrofòbica, evitant que l’aigua i altres substàncies corrosives s’adhereixin al metall
Mètodes de control de corrosió electroquímics, com ara la protecció catòdica de corrent impressionat i els anodes sacrificials
Conclusió
La corrosió, l’oxidació i l’oxidació són processos relacionats, però diferents que poden afectar significativament materials i estructures. Si bé l’oxidació és una reacció química àmplia, la corrosió degrada específicament els materials i l’oxidació afecta només el ferro i els seus aliatges.
Comprendre aquestes diferències és crucial per mantenir la seguretat i la longevitat de diversos actius. La investigació continuada en ciències de la corrosió té com a objectiu desenvolupar noves estratègies i tecnologies de prevenció per combatre aquests reptes persistents.
