Corrosión y Materiales Plásticos: Propiedades, Mecanismos y Aplicaciones

Corrosión

1. Diferencias entre pasividad y corrosión uniforme en relación a la formación y propiedades del material

• Pasividad: Capa protectora que impide la corrosión en condiciones en las que debería existir. Se obtiene al someter al metal a soluciones oxidantes concentradas.
• Corrosión uniforme: Es una reacción electroquímica que ocurre en toda la superficie del metal. La corrosión se forma naturalmente en un ambiente que lo permita y es indeseada. En cambio, la pasividad se forma intencionalmente para proteger la pieza.

2. ¿Por qué un material puro es más inestable que un material corroído?

En estado puro, las energías son mayores; por lo tanto, los materiales tienden a combinarse para disminuir su energía, produciéndose la corrosión.

3. Mecanismo de corrosión homogénea de acero en un ambiente pH=3. Ánodo

Al existir una diferencia de potencial en la pieza, se crea un ánodo y un cátodo, lo que genera un flujo de electrones. En este caso, el ambiente ácido actúa como electrolito que consume los electrones, produciéndose la corrosión en la zona anódica y quedando protegida la catódica.

Soluciones ácidas:

4. Pasos de transformación de una molécula C₂H₆ hasta C₁₀₀₀₀H₂₀₀₀₀

Primero, el gas etileno (C₂H₆) se pasa por bombas y catalizadores. En este proceso, se eliminan dos hidrógenos, creando un doble enlace. Luego, este enlace se rompe para generar un monómero de etileno. Por polimerización por adición, la molécula crece hasta la molécula final. Para evitar que se sigan agregando monómeros y no sobrepasar el tamaño deseado, se completa con radicales, en este caso, ¿radical Cl?

5. Corrosión de los siguientes pares galvánicos: Cu-Fe, Si-Fe, C-Fe

• Cu-Fe: Se corroe el acero y se protege el cobre.
• Si-Fe: (Falta información)
• C-Fe: (Falta información)

6. Mecanismo de corrosión de una celda de concentración de oxígeno, una de tensiones y una de uniones metálicas

• Corrosión de una celda de concentración de oxígeno: La transferencia de electrones se produce de una zona de baja concentración de oxígeno a una de alta concentración. El metal que se encuentra en disolución de baja concentración de oxígeno se comporta como ánodo, y el que se encuentra en la de alta concentración se comporta como cátodo.
• Corrosión bajo tensiones: Es un proceso de fisuración del tipo frágil que se inicia en discontinuidades superficiales tales como rayas, picaduras, etc. Para que pueda avanzar, necesita de una acción simultánea de esfuerzos de tracción, ambiente agresivo y aleación. La fisura avanza en dirección perpendicular al esfuerzo de tracción.
• Corrosión por rendijas: Es el proceso que ocurre cuando se unen dos metales como abrazaderas, empaquetaduras, etc. La rendija permite la entrada de electrolito, pero este no circula por ella. Se forman microceldas de concentración que actúan en el interior por cambios químicos locales, como baja concentración de oxígeno, falta de inhibidores o acumulación de iones agresivos.

7. Formación de ácido clorhídrico en el fondo de una picadura de acero inoxidable. Reacciones y resultados finales

Si se disuelve la capa pasiva del acero inoxidable, queda en contacto con el ambiente, iniciándose la corrosión localizada donde se forma una picadura. Se incorporan a la reacción los iones cloro presentes que disuelven el cromo, formando cloruro de cromo. Se forma una celda galvánica en la que el fondo se comporta como ánodo por defecto de oxígeno y la superficie como cátodo.

La reacción libera iones metálicos, y la presencia de iones cloro en el ambiente forma ácido clorhídrico de acuerdo a la siguiente reacción:

HCl = ácido clorhídrico.

¿Qué otro efecto catastrófico se puede agregar en relación con el mecanismo de corrosión en este caso?

Las picaduras, además, pueden actuar como serios concentradores de esfuerzos.

8. ¿Qué es un inhibidor de corrosión? Describa su efecto

Los inhibidores agregados al electrolito producen una polarización del ánodo o cátodo, frenando las reacciones químicas correspondientes y reduciendo así la rapidez de corrosión.

9. Principio de la protección catódica. Teórico y práctico

Se puede controlar la corrosión por el método de protección catódica, por el que se suministran electrones a la estructura metálica que se desea proteger. El suministro de electrones se puede hacer a través de ánodos de sacrificio y corrientes impuestas.

• Ánodos de sacrificio: Consiste en unir un material más anódico que el metal en el que encontramos la celda galvánica y formar una nueva celda. Este metal pasa a ser el ánodo en la nueva celda y provee los electrones necesarios para proteger el sistema.
• Corrientes impuestas: En este sistema, una fuente externa de corriente continua se emplea para entregar electrones a un ánodo insoluble. Estos ánodos se consumen muy lentamente comparados con los ánodos de sacrificio y son pequeños.

10. ¿Qué es corrosión, oxidación y pasividad?

• Corrosión: Es el deterioro del material como resultado de un ataque químico del entorno.
• Oxidación: Es la reacción mediante la cual los metales ceden iones metálicos al electrolito (ambiente en el cual están, solución acuosa, etc.).
• Pasividad: Capa protectora que impide la corrosión en condiciones en las que debería existir. Se obtiene al someter al metal a soluciones oxidantes concentradas.

11. Corrosión galvánica entre dos elementos de distinto potencial

El elemento más electronegativo se comportará como ánodo, liberando electrones y corroyéndose. Estos electrones circulan a las zonas de mayor potencial, denominado cátodo, donde se consumen, protegiéndose este elemento.

12. Ejemplos de cuatro pares galvánicos típicos, indicando cuál es el ánodo y cuál es el cátodo

13. Efecto de superficie en corrosión. Relación de área desfavorable. ¿Por qué se recomienda proteger el cátodo del medio ambiente?

Una relación de área desfavorable es una gran área catódica y una pequeña anódica (A_a/A_c << 1). Se sabe que el ánodo se corroe para proteger el cátodo, el cual consume los electrones que le transfiere el ánodo. En la medida que el ánodo se corroe, aumenta la densidad de corriente en él, con el consiguiente aumento de la velocidad de corrosión.

Es conveniente proteger el cátodo del ambiente. Esto se logra pintando la superficie, así se restringe el consumo de electrones; solo se ocuparán si quedó un área sin pintar.

14. Efecto de una celda de concentración de oxígeno sobre un material ferroso (cómo ocurre la corrosión)

La zona de menor concentración de oxígeno se vuelve anódica con respecto a la zona de mayor concentración de oxígeno, que se vuelve catódica. Se forma una celda de concentración de oxígeno que acelera la corrosión uniforme en la zona de menor concentración.

15. Elementos mínimos necesarios para la corrosión en un ambiente normal

Electrones, agua y oxígeno.

¿Qué factores aceleran la velocidad de corrosión?

La velocidad de corrosión es aumentada por: ácidos, tensiones, diferencias de concentración de oxígeno, impurezas y temperatura.

¿Qué diferencia la corrosión de la oxidación?

• Oxidación: Fe₂O₃ (óxido de hierro). Solo se produce con presencia de oxígeno.
• Corrosión: Fe(OH)₃ (hidróxido de hierro). Debe haber agua en el ambiente.

¿Qué es la herrumbre?

Es el óxido que se genera sobre el cátodo y no sobre el ánodo. Estando estos en contacto, en presencia de agua y oxígeno, hay una fuerte demanda de electrones en el cátodo que son suministrados por el ánodo.

16. Consumo de electrones en una solución ácida sin oxígeno y una aireada (con aire disuelto)

(Falta información)

¿Qué se entiende por corrosión galvánica? En una corrosión galvánica, ¿qué sucede con el ánodo y el cátodo (reacciones)?

Corrosión galvánica: Es la corrosión que se produce en un metal por diferencia de potencial en presencia de un electrolito, donde la parte más electronegativa se comportará como ánodo, corroyéndose, y la parte más electropositiva, como cátodo, protegiéndose.

Para analizar las reacciones que ocurren tanto en el ánodo como en el cátodo, vamos a tomar como metal al hierro en presencia de un electrolito de agua más oxígeno.

Serie galvánica en un determinado electrolito

Ordenación de elementos metálicos conforme a sus potenciales electroquímicos con referencia a un electrodo estándar (hidrógeno) en un electrolito, donde se corroe el más electronegativo, protegiendo a otro metal.

¿Por qué en un par galvánico es más ventajoso que un cátodo sea de poca superficie? (comparada con el ánodo)

(Falta información)

17. Aleaciones empleadas para fabricar ánodos de sacrificio

Aleaciones base magnesio, base zinc y base aluminio.

Parámetros empleados para especificar su capacidad, su vida (desgaste) y los requerimientos del material a proteger

Los parámetros empleados para la elección de un ánodo de sacrificio adecuado para la situación dependen de factores como:

• Capacidad eléctrica del ánodo.
• Resistividad del electrolito.
• Temperatura a la cual será expuesto.

Materiales Plásticos

1. Definiciones: Polímero radical, monómero, mero y copolímero

• Polímero radical: Es un conjunto de átomos que presenta un electrón libre que puede enlazarse en forma covalente a un electrón desapareado.
• Monómero: Compuesto molecular simple que puede unirse covalentemente con otros para formar cadenas moleculares largas.
• Mero: Unidad que se repite en la cadena polimérica de la molécula.
• Copolímero: Generalmente son dos meros diferentes en una cadena, cuya mezcla produce mejoras en las propiedades físicas y mecánicas.

2. Definición de material plástico. Ventajas de un termoplástico y de un termofijo

Plástico: Es un sólido compuesto de moléculas orgánicas grandes llamadas “polímeros”.

Ventajas de un termoplástico:

• Los termoplásticos son relativamente blandos y dúctiles.
• Son reciclables, se ablandan al calentarse y recuperan su dureza original al enfriarse.

Ventajas de un termofijo:

• Alta rigidez.
• Estabilidad térmica.
• Estabilidad dimensional.
• Resistencia a la fluencia y deformación bajo carga.
• Se pueden usar rellenos para disminuir el costo del producto final.

3. Esquema de la molécula de butadieno (C₄H₆)

(Falta información gráfica)

4. Diferencias en el moldeo de polietileno en matriz refrigerada por agua y matriz aislante

La pieza de polietileno moldeada en una matriz aislante va a tener un enfriamiento lento. Este enfriamiento posterior de un recocido a cierta temperatura va a permitir el alineamiento en forma de malla de las moléculas, quedando un orden cristalino, material duro.

Si el enfriamiento es rápido, como el producto moldeado en una matriz refrigerada por agua, no hay tiempo suficiente para que las moléculas se ordenen, quedando un material amorfo y flexible.

5. ¿Por qué el PVC es reciclable y el poliéster no?

Porque el PVC es un material termoplástico y el poliéster es termofijo.

6. Cambios en el etileno para producir teflón

Los radicales hidrógenos se deben cambiar por radicales flúor.

7. ¿Por qué se ablanda un termoplástico al ser templado y un termofijo se destruye?

Un termoplástico, al ser templado, tiene la capacidad de ablandarse, debilitándose los enlaces de Van der Waals sin romper la molécula polimérica. En cambio, los materiales termofijos, al ser calentados, no pueden cambiar de forma y los excesos de temperatura descomponen las moléculas, quedando inutilizables; es decir, no se pueden ablandar por ser una sola molécula con enlaces 100% covalentes.

8. Degradación de un plástico. Ejemplo

Ejemplo: Melamina + calor a 150ºC = se descompone.

Los polímeros, al ser sometidos a ciertas condiciones externas, en este caso temperatura, se descomponen, sacando radicales de la molécula y dejando enlaces libres. Estos, en conjunto con el oxígeno, van a formar enlaces covalentes cruzados entre cadenas.

Un plástico inicialmente deformable se transforma en un material cristalino de mayor dureza, rigidez y fragilidad.

9. Acción del diluyente (plastificante) dentro de un material plástico

Los plastificantes tienen baja presión de vapor y bajo peso molecular, por lo que son partículas diminutas que van a ocupar posiciones entre las grandes cadenas de polímeros, incrementando la distancia entre cadenas y reduciendo la fuerza de los enlaces secundarios de Van der Waals (f = 1/d⁶).

Son los responsables de dejar a los polímeros blandos, suaves, flexibles y elásticos.

10. ¿Por qué a través de una bolsa cerrada de polietileno con el tiempo se escapa el aire y no la humedad?

La molécula del polietileno forma una especie de malla, la cual solo va a ser permeable a moléculas pequeñas como la de oxígeno, pero no a moléculas grandes como la de agua.

11. Definiciones: Polímero por adición y elastómero

• Polímero por adición: Es el proceso en el cual reaccionan monómeros que se van uniendo uno a uno, a modo de cadena, para formar una macromolécula lineal.
• Elastómero: Son materiales de moléculas grandes, las cuales, después de ser deformadas a temperatura ambiente, recobran su estado inicial de equilibrio al liberar la fuerza que las deformó.

12. Origen de las propiedades características de los elastómeros. Diferencia entre caucho y elastómero

El origen de las propiedades de un elastómero es que las moléculas se encuentran enrolladas, pero están en equilibrio. Al aplicar una fuerza, se estiran; si se suelta, estas vuelven a su estado inicial. Esto es característico de este tipo de material y explica la buena elasticidad que poseen.

Si, al soltar la fuerza, la velocidad de recuperación es lenta, se habla de un elastómero. Si esta velocidad de recuperación es rápida, se habla de un caucho.

Un caucho es un elastómero, pero un elastómero no es un caucho.

13. Estructura atómica de un material confeccionado a partir de un polímero termoplástico y otro a partir de otro termofijo

• Termoplástico: A nivel de molécula, se encuentran unidas mediante enlaces covalentes. Entre moléculas, los enlaces son de Van der Waals. Esto es porque presenta dos enlaces activos, creándose solamente en forma lineal.
• Termofijos: La estructura atómica de un material solo presenta enlaces covalentes, es solo una molécula unida 100% covalente. Esto se debe a que el mero presenta más de dos enlaces activos.

14. Efecto del relleno en termoplásticos y termofijos

Los materiales de relleno mejoran las propiedades mecánicas de los polímeros, como la resistencia a la tracción y compresión. Además, disminuyen el costo del producto final, ya que estos materiales baratos sustituyen gran parte del volumen del polímero caro.

15. Al deformarse el caucho, ¿quién y cómo es responsable de la restitución de la forma original?

Las moléculas en equilibrio se encuentran enrolladas. Al ser aplicada una fuerza, se estiran. Al soltar esta fuerza, tienden a volver a su estado de mínima energía (enrolladas), con lo cual se explica la restitución a la forma original. En los cauchos, la devolución de las moléculas es rápida.

¿Qué sucede cuando se vulcaniza un elastómero a nivel atómico y físico?

• A nivel atómico: El azufre, a una temperatura aproximada de 150ºC, forma enlaces cruzados entre las moléculas, reemplazando los enlaces de Van der Waals por covalentes.
• A nivel físico: Se transforma un caucho natural blando e inestable a un material duro y térmicamente estable.

16. ¿Cómo afecta la ubicación espacial del radical metilo a las propiedades del caucho natural y dónde se ubica en cada caso?

Metilo = X₃

Cis caucho natural

X₃ y H están situados al mismo lado de la cadena. X₃ es más grande que H y se dobla la cadena. Material elástico.

Trans gutta percha

X₃ y H están en lados opuestos de la cadena. Material duro.