Óxido

Cuando el hierro entra en contacto con agua y oxígeno, se oxida. ^{[ 5 ]} Si hay sal presente, por ejemplo en agua de mar o en la bruma salina , el hierro tiende a oxidarse más rápidamente, como resultado de reacciones químicas. El hierro metálico es relativamente inalterable por el agua pura o por el oxígeno seco. Al igual que con otros metales, como el aluminio, una capa de óxido firmemente adherida, una capa de pasivación , protege el hierro de una mayor oxidación. La conversión de la capa de óxido ferroso pasivante en óxido resulta de la acción combinada de dos agentes, generalmente oxígeno y agua.

Otras soluciones degradantes son el dióxido de azufre en agua y el dióxido de carbono en agua. Bajo estas condiciones corrosivas, se forman especies de hidróxido de hierro . A diferencia de los óxidos ferrosos, los hidróxidos no se adhieren al metal base. A medida que se forman y se desprenden de la superficie, se expone hierro fresco y el proceso de corrosión continúa hasta que se consume todo el hierro o se elimina o consume todo el oxígeno, el agua, el dióxido de carbono o el dióxido de azufre del sistema. ^{[ 6 ]}

Cuando el hierro se oxida, los óxidos ocupan más volumen que el metal original; esta expansión puede generar fuerzas enormes que dañan las estructuras de hierro. Consulte el apartado de efectos económicos para obtener más información.

La oxidación del hierro es un proceso electroquímico que comienza con la transferencia de electrones del hierro al oxígeno. ^{[ 7 ]} El hierro es el agente reductor (cede electrones) mientras que el oxígeno es el agente oxidante (gana electrones). La velocidad de corrosión se ve afectada por el agua y se acelera por los electrolitos , como lo ilustran los efectos de la sal de carretera en la corrosión de los automóviles. La reacción clave es la reducción del oxígeno:

O₂ + ⁴ e⁻ + ₂ H₂O → 4 OH⁻_​^​   

Debido a que forma iones hidróxido , este proceso se ve fuertemente afectado por la presencia de ácido. De igual modo, la corrosión de la mayoría de los metales por el oxígeno se acelera a pH bajo . La oxidación del hierro, que puede describirse de la siguiente manera, proporciona los electrones para la reacción anterior:

Fe → Fe ²⁺ + 2 e ⁻ 

La siguiente reacción redox también se produce en presencia de agua y es crucial para la formación de óxido:

4  Fe ²⁺ + O ₂ → 4  Fe ³⁺ + 2  O ²⁻

Además, las siguientes reacciones ácido-base en múltiples etapas afectan el curso de la formación de óxido:

Fe ²⁺ + 2 H ₂ O ⇌ Fe(OH) ₂ + 2 H ⁺  

Fe ³⁺ + 3 H ₂ O ⇌ Fe(OH) ₃ + 3 H ⁺  

al igual que los siguientes equilibrios de deshidratación :

Fe ₍ OH) ₂ _⇌ FeO + H₂O

Fe ₍ OH) ₃ _⇌ FeO(OH) + H₂O

2  FeO(OH) ⇌ Fe ₂ O ₃ + H ₂ O

De las ecuaciones anteriores, también se observa que los productos de corrosión están determinados por la disponibilidad de agua y oxígeno. Con oxígeno disuelto limitado, se favorecen los materiales que contienen hierro(II), incluyendo FeO y magnetita negra ( Fe₃O₄ ₎ . Las altas concentraciones _de oxígeno favorecen los materiales férricos con la fórmula nominal Fe(OH) _{₃ − xOₓ} / _{₂ .} La naturaleza del óxido cambia con el tiempo, reflejando la lentitud de las reacciones de los sólidos. ^{[ 5 ]}

Además, estos procesos complejos se ven afectados por la presencia de otros iones, como el Ca ²⁺ , que actúan como electrolitos que aceleran la formación de óxido, o se combinan con los hidróxidos y óxidos de hierro para precipitar una variedad de especies de Ca, Fe, O, OH.

El inicio de la oxidación también puede detectarse en el laboratorio mediante una solución indicadora de ferroxilo . Esta solución detecta tanto iones Fe²⁺ ^como iones hidroxilo. La formación de iones Fe²⁺ ^e iones hidroxilo se indica mediante manchas azules y rosas, respectivamente.

El acero inoxidable forma una capa de pasivación de óxido de cromo(III) . ^{[ 8 ] [ 9 ]} Un comportamiento de pasivación similar ocurre con el magnesio , el titanio , el zinc , los óxidos de zinc , el aluminio , la polianilina y otros polímeros conductores electroactivos. ^{[ 10 ]}

Las aleaciones especiales de " acero resistente a la intemperie ", como el Cor-Ten, se oxidan a un ritmo mucho más lento de lo normal, ya que el óxido se adhiere a la superficie del metal formando una capa protectora. Los diseños que utilizan este material deben incluir medidas que eviten las peores condiciones de exposición, puesto que el material continúa oxidándose lentamente incluso en condiciones casi ideales. ^{[ 11 ]}

La galvanización consiste en la aplicación de una capa de zinc metálico sobre el objeto a proteger, ya sea mediante galvanizado en caliente o electrodeposición . Tradicionalmente, se utiliza zinc por su bajo costo, su buena adherencia al acero y la protección catódica que proporciona a la superficie del acero en caso de que la capa de zinc se dañe. En entornos más corrosivos (como el agua salada), se prefiere el recubrimiento de cadmio en lugar del metal subyacente protegido. La capa protectora de zinc se consume durante este proceso, por lo que la galvanización solo ofrece protección durante un período de tiempo limitado.

Los recubrimientos más modernos incorporan aluminio en forma de zinc-alumbre ; el aluminio migra para cubrir los arañazos y, por lo tanto, proporciona protección durante un período más prolongado. Estos métodos se basan en que los óxidos de aluminio y zinc protejan una superficie rayada, en lugar de oxidarse como ánodo de sacrificio, como en los recubrimientos galvanizados tradicionales. En algunos casos, como en entornos muy agresivos o para una larga vida útil, se aplican tanto zinc como un recubrimiento para proporcionar una mayor protección contra la corrosión.

La galvanización típica de los productos de acero que estarán expuestos a la intemperie diaria consiste en un recubrimiento de zinc de 85 μm aplicado por inmersión en caliente . En condiciones climáticas normales, este recubrimiento se deteriora a una tasa de 1 μm por año, lo que proporciona aproximadamente 85 años de protección. ^{[ 12 ]}  

La protección catódica es una técnica que se utiliza para inhibir la corrosión en estructuras enterradas o sumergidas mediante la aplicación de una carga eléctrica que suprime la reacción electroquímica. Si se aplica correctamente, la corrosión puede detenerse por completo. En su forma más simple, se logra mediante la colocación de un ánodo de sacrificio, convirtiendo así el hierro o el acero en el cátodo de la celda formada. El ánodo de sacrificio debe estar hecho de un material con un potencial de electrodo más negativo que el hierro o el acero, comúnmente zinc, aluminio o magnesio. El ánodo de sacrificio se corroerá con el tiempo, dejando de ofrecer protección a menos que se reemplace a tiempo.

La protección catódica también puede proporcionarse mediante la aplicación de una corriente eléctrica. En ese caso, se denominaría protección catódica por corriente impresa (ICCP). ^{[ 13 ]}

La formación de óxido se puede controlar con recubrimientos, como pintura , laca , barniz o cintas de cera ^{[ 14 ]} que aíslan el hierro del ambiente. ^{[ 15 ]} Las grandes estructuras con secciones de caja cerradas, como barcos y automóviles modernos, a menudo tienen un producto a base de cera (técnicamente un "aceite lubricante") inyectado en estas secciones. Estos tratamientos generalmente también contienen inhibidores de óxido. Cubrir el acero con hormigón puede proporcionar cierta protección al acero debido al entorno de pH alcalino en la interfaz acero-hormigón. Sin embargo, la oxidación del acero en el hormigón aún puede ser un problema, ya que el óxido en expansión puede fracturar el hormigón desde el interior. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Como ejemplo estrechamente relacionado, se utilizaron abrazaderas de hierro para unir bloques de mármol durante un intento de restauración del Partenón en Atenas, Grecia , en 1898, pero causaron daños extensos al mármol debido a la oxidación y la hinchazón del hierro sin protección. Los antiguos constructores griegos habían utilizado un sistema de fijación similar para los bloques de mármol durante la construcción; sin embargo, también vertieron plomo fundido sobre las juntas de hierro para protegerlas de los choques sísmicos y de la corrosión. Este método tuvo éxito para la estructura de 2500 años de antigüedad, pero en menos de un siglo las reparaciones rudimentarias estaban en peligro inminente de colapso. ^{[ 18 ]} Cuando solo se necesita protección temporal para almacenamiento o transporte, se puede aplicar una capa delgada de aceite, grasa o una mezcla especial como Cosmoline a una superficie de hierro. Dichos tratamientos se utilizan ampliamente cuando se " desmantela " un barco de acero, un automóvil u otro equipo para almacenamiento a largo plazo.

Existen mezclas lubricantes antigripantes especiales que se aplican a roscas metálicas y otras superficies mecanizadas de precisión para protegerlas de la oxidación. Estos compuestos suelen contener grasa mezclada con polvo de cobre, zinc o aluminio, y otros ingredientes patentados. ^{[ 19 ]}

El pavonado es una técnica que puede proporcionar una resistencia limitada a la oxidación en objetos pequeños de acero, como armas de fuego; para que sea eficaz, se frota un aceite repelente al agua sobre el acero pavonado y otras partes de acero.

Los inhibidores de corrosión, como los inhibidores gaseosos o volátiles, pueden utilizarse para prevenir la corrosión en sistemas sellados. No son eficaces cuando la circulación de aire los dispersa e introduce oxígeno y humedad.

La oxidación puede evitarse controlando la humedad en la atmósfera. ^{[ 20 ]} Un ejemplo de esto es el uso de paquetes de gel de sílice para controlar la humedad en equipos transportados por mar.