UNIVERISDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA
ANÁLISIS ELECTROQUÍMICO HÉCTOR POMARES NAVARRO / FRAN GONZALEZ GEA /MANOLO CLEMENTE/ ANNALISA MARZOLA 15/05/2012
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ÍNDICE Introducción…………………………………………………………………………………………………. 3 Desarrollo experimental……………………………………………………………………………….. 4 Condiciones de las técnicas empleadas…………………………………………………………. 5 Resultados y análisis……………………………………………………………………………………… 6 Conclusiones………………………………………………………………………………………………… 15
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1. Introducción Vamos a realizar una breve introducción al lector de los conceptos fundamentales de la corrosión. El concepto a tener en cuenta es el deterioro de los metales por un proceso electroquímico. El ejemplo típico de la corrosión es la formación de herrumbre u óxido de hierro. La fuerza motriz que causa que un metal se corroa es consecuencia de su existencia natural en forma combinada. Para alcanzar el estado metálico se requiere una cantidad de energía. Esta energía varía de un metal a otro. Es relativamente alta para el magnesio, el aluminio y el hierro y relativamente baja para el cobre, la plata y el oro. La corrosión ocurre por la diferencia de potencial entre dos metales diferentes en contacto …o por la diferencia de potencial entre diferentes áreas de un mismo metal, que forman una celda galvánica. También ocurre en presencia de un electrolito. Cada celda consiste de: un ánodo que produce electrones, de un cátodo y de un electrolito. El ánodo y el cátodo deben estar en contacto eléctrico para que ocurra la corrosión. "La corrosión puede ser definida como la reacción de un material con su entorno". "La corrosión consiste en una oxidación del metal y, si el óxido no es adherente y es poroso, puede dar lugar a la destrucción de todo el metal" "Corrosión: ataque de un material por el medio que le rodea con la consiguiente pérdida de masa y deterioro de sus propiedades" "Corrosión es la destrucción de un cuerpo sólido causada por un ataque no provocado, de naturaleza química o electroquímica que se inicia en la superficie" En los materiales metálicos, el proceso de corrosión es normalmente electroquímico; es decir, una reacción química en la cual hay una transferencia de electrones de una especie a otra. Una característica de los átomos metálicos es la pérdida o ganancia de electrones en una reacción denominada OXIDACIÓN.
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2. Desarrollo Experimental Para cumplir con los objetivos planteados en esta asignatura se llevo a cabo el siguiente desarrollo experimental: La Realización de curvas de polarización. Para la realización de las experiencias de polarización se precisa de una célula electrolítica, donde se ponen en contacto el medio agresivo y el material metálico bajo estudio. Este constituye el electrodo de trabajo, cuyo potencial se mide o impone con respecto a un electrodo de potencial constante, el electrodo de referencia, cerrando el circuito con el contra electrodo o electrodo auxiliar, generalmente de material inerte.
Contra electrodo (grafito)
Electrodo de trabajo (acero)
Electrodo de referencia (platacloruro de plata)
El electrodo de trabajo (acero al carbono) se lija, lava y seca y se pesa. Se introduce en la célula electrolítica como se indica en la figura, junto con el contraelectrodo (grafito) y el electrodo de referencia (calomelanos ó plata-cloruro de plata). Se medirá el potencial a circuito abierto (Ecorrosión) respecto del electrodo de referencia, para seguídamente obtener las curvas de polarización tanto a campo alto como a campo bajo.
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3. Condiciones de las técnicas empleadas Los materiales a evaluar son el acero y el aluminio y se procede a una sección de ese material donde posteriormente se lija y se pule y se le efectúa un ataque químico para luego hacer una probeta para nuestro ensayo donde se le une una varilla de cobre para tener conductividad y realizar las mediciones de voltaje y obtener la curva de polarización. Una vez efectuado lo descrito anteriormente y comprobado la limpieza superficial del material el medio de prueba es el medio salino donde los medios salinos fueron una solución de Cloruro de Sodio tres por ciento en peso. Después se comprueba que la disolución no llegue a contactar con la varilla de cobre una vez introducido los electrodos en el matraz.
A continuación se enciende la dispositivo informático de análisis con su respectiva torre que analizará el potencial.
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4. Resultados y análisis Dado que el potencial de corrosión de una celda de corrosión definirá cuánta energía está involucrada en el proceso, y por lo tanto si una reacción se llevara o no a cabo de manera espontánea, es necesario ubicar qué elemento se comporta como cátodo y qué elemento como ánodo. Este comportamiento puede detectarse estudiando de forma independiente a cada metal, enfrentándolo con un electrodo de potencial conocido. El potencial generado por la celda (metal de prueba y de referencia) indicará indirectamente el valor de potencial del metal evaluado. Dado que el proceso de corrosión electroquímica corresponde a los procesos que tienen lugar en los electrodos de una pila galvánica, corresponde conocer los potenciales de los mismos cuando a través de ellos circula corriente, es decir cuando el circuito se ha cerrado (pila cortocircuitada). La determinación de los potenciales de los electrodos de una pila cuando por ellos circula corriente muestra que dichos potenciales varían apreciablemente. Esta variación en el potencial de los electrodos cuando se hace circular corriente por los mismos, se conoce como polarización. Es decir que la polarización es el cambio en el potencial de un electrodo a medida que la corriente fluye de o hacia él. Existen diversas causas de la polarización entre ellas consideraremos: a) Concentración iónica localizada en las zonas anódicas y catódicas aumentada o disminuida debido a que la difusión de iones en un medio líquido es lenta. b) Películas de superficie. Las películas de superficie pueden estar presentes desde antes del instante en que el metal y medio se pongan en contacto pero también pueden formarse posteriormente como productos de las reacciones de corrosión. Las sustancias que las constituyen pueden ser sólidas (por ej: un producto anódico insoluble, digamos, un óxido) o gaseosas (por ej: películas o aún burbujas de gases como oxígeno o hidrógeno). Estas películas disminuyen o impiden la difusión de iones o sustancias sin carga que forman parte den las reacciones de corrosión(por ej: la llegada de gas oxígeno). Si el electrodo se recubre completamente por una película de este tipo, la corrosión ya no puede proseguir y entonces se dice que el metal está pasivado. c) Existen otras causas de polarización y las cuales suelen actuar simultáneamente y la contribución individual de cada una de ellas no es fácil de estimar.
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Las curvas de polarización muestran la interdependencia entre el potencial de electrodo y la intensidad de corriente (relaciones i vs. E). Las curvas de polarización pueden determinarse aplicando una corriente constante y midiendo el potencial, repitiendo este procedimiento para diversos valores de corriente y midiendo en cada caso el nuevo potencial alcanzado. Otra forma de determinar la relación i-E es aplicando un potencial constante y determinando la forma en que varía la corriente. Curvas de polarización anódica. (E-log i) Formas posibles que puede tomar una curva de polarización anódica:
Si la sobretensión es pequeña se suele observar una relación lineal entre la sobretensión y el logaritmo de la corriente. En la zona 1-2 se dice que el metal se disuelve en forma activa. En la zona 2-3 aparece una zona de pasividad (sobre el metal se forma una película muy delgada de óxido que dificulta su disolución). Si la película pasivante es aisladora, al aumentar el potencial el óxido pasivante irá aumentando su espesor sin que se note un aumento importante de la corriente, es la zona 3-4. (por ejemplo: Al, Zr, Te, etc). Se dan otros casos en que ocurren otros fenómenos como los indicados por las curvas 5, 6, 7. Curva 5: cuando la película pasivante está formada por elementos que pueden oxidarse a una valencia mayor y dar productos solubles, se nota también un aumento de la corriente acompañado por disolución del metal. Este fenómeno se conoce como transpasividad, y lo presentan
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ANÁLISIS ELECTROQUÍMICO elementos tales como el cromo, o el manganeso, así como las aleaciones de que forman parte. Curva 6: por encima de cierto potencial cuando hay presentes ciertos iones”agresivos” cloruros, nitratos, bromuros, etc. La película pasivante puede perder estabilidad y se produce un fenómeno de corrosión localizada, el picado y lo presentan metales tales como el hierro, cromo, etc. (El picado crea problemas muy serios). Curva 7: Si el óxido pasivante es buen conductor de electrones una vez alcanzado el potencial de desprendimiento de oxígeno, la solución comenzará a descomponerse y se notará aumento en la corriente de corrosión. Si el potencial se puede mantener entre los valores 3 y 8 la corrosión será despreciable y se dice que hay protección anódica. Por debajo de 1 también la corrosión se torna imposible. Curvas de polarización catódica. (E-log i) Las características más frecuentes de las curvas de polarización catódica son las indicadas en la figura:
Diagrama de Evans Se representan para un material sobre un mismo diagrama las curvas de polarización anódica y catódica.
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La siguiente figura muestra la manera en que se siguió el potencial del acero en medios salinos neutros, hasta su estabilización
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ANÁLISIS ELECTROQUÍMICO La siguiente figura muestra la manera en que se siguió el potencial del aluminio en medios salinos neutros, hasta su estabilización.
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En las dos anteriores figuras se puede observar el distinto potencial para el acero y para el aluminio para cada intensidad de corriente. El óxido del aluminio resulta altamente estable y es pasivo con el mismo material. Una diferencia sustancial con respecto al acero. A continuación se producirá el ensayo con acero y aluminio pero variara el modo de ensayo añadiendo agitación al sistema de montaje del análisis experimental. Evaluaremos con 900 revoluciones por minuto.
Efecto de la Temperatura Un aumento produce un incremento de la velocidad de corrosión a todos los potenciales y una disminución del rango de pasivación. Evaluaremos con 15ª
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En la siguiente imagen vemos todo el montaje
Efecto de la agitación. Al agitar una solución, disminuye el espesor de la capa de difusión (), de manera que la densidad de corriente límite aumenta de acuerdo a :
iL zFD
cb
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La siguiente figura muestra la manera en que se siguió el potencial del acero en medios salinos neutros y agitación, hasta su estabilización.
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ANÁLISIS ELECTROQUÍMICO La siguiente figura muestra la manera en que se siguió el potencial del aluminio en medios salinos neutros y agitación, hasta su estabilización.
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5. Conclusiones El hecho de que el potencial se estabilice rápidamente sugiere que la formación de la película se presenta rápidamente y que la misma es muy estable. Lo cual indica que el contenido de oxigeno en el medio juega un papel clave para controlar el espesor de la película de oxido formada y mantener su naturaleza protectora en el acero. Por otro lado, el hecho de que el acero presente un valor de potencial más positivo, significará que al estar acoplado con otros aceros presentará un carácter catódico haciendo que el otro metal tome el papel del ánodo. Se podría pensar que el acero al estar acoplado con estos metales va a generar un par galvánico muy dañino, haciendo que la velocidad de corrosión del metal al que esté acoplado aumente considerablemente. Los metales presentan (en mayor o menor grado) una pasivación, formada por una película que seguramente será poco conductora en un rango corto de potencial; sin embargo a grandes rangos de potencial perderá estabilidad. El objetivo de analizar este tipo de ensayos es ver el comportamiento del acero y ver que aleaciones conviene para desarrollar una película que provoca que la velocidad de la reacción catódica sea muy lenta y que en general, la velocidad de corrosión también lo sea.
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