LABORATORIO DE DEGRADACIÓN DE MATERIALES PRACTICA Nº 02 1. TITULO. Leyes de oxidación de metales. 2.
OBJETIVOS. 2.1. Determinar experimentalmente las leyes de oxidación del cobre y el latón a alta temperatura.
2.2. Determinar experimentalmente las constantes de las leyes cinéticas para el cobre y el latón.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO. La oxidación es una reacción química en la que un metal o un no metal cede electrones. La reacción química opuesta a la oxidación se conoce como reducción, es decir cuando una especie química acepta electrones. Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta. Por esta razón, se prefiere el término general de reacciones redox. (reducción-oxidación) (reducción-oxidación) El nombre de "oxidación" proviene de que en la mayoría de estas reacciones, la transferencia de electrones se da mediante la adquisición de átomos de oxígeno (cesión de electrones) o viceversa.
Oxidación en alta temperatura: Cuando un metal es expuesto a un gas oxidante a temperaturas elevadas la corrosión puede ocurrir por la reacción dir e dir ecta con el ga gass sin la pr esencia de un ele el ectrolito líquido. Este tit ipo de corrosión se
refiere
como un manchado, oxidación en
alta temperatura mostrado. La velocidad de ataque se incrementa sustancialmente con la temperatura, la película superficial típicamente aumenta como un resultado de la reacción en las interfaces oxido/gas u oxido/metal debido al transporte de cationes o aniones a tr avés del oxido, oxido , el cual se comporta como un electrolito solido. Para un oxido no poroso el transporte iónico a través de la costra es la velocidad que controla el proces proceso. La estabilid stabilidad ad termod rmodiinámica, la la est estr r uctura uctura co con de defe fecctos iónicos y ciertos rasgos morfológicos de la costra formada son factores claves que determinan la resistencia de una aleaci aleac ión a un medi medio ambiente espe esp ecífico. El crecimiento inicial de la película es comúnmente rápido . Si la costra es un sólido no poroso y cubre totalm totalmente la superficie del metal, la velocidad de reacción
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decrecer á cuando el espesor llegue a unos miles de Angstroms tanto como el transporte de especies reactivas a través de la película sean los que controlen el proceso. La subsecuente velocidad de corrosión dependerá de mecanismos de transporte, los cuales pueden ser debidos a potenciales electrolíticos o gradientes de concentración o a emigración a lo largo d e trayectorias pr efer enciales, y de este modo pueden seguir una o varias leyes de velocidad. " Cuando un proceso de difusión es controlante de la velocidad, la cinética usualmente sigue una ley de velocidad parabólica , y esta progresivamente decrece con el tiempo, se forma una capa compacta y continua protectora de Cr 2O3 para aquellas aleaciones con contenidos suficientes de tramo. Si la costra es porosa (o es formada por especies en fase vapor) o no cubre completamente la superficie se tiene que una velocidad de reacción lineal es la que se cumple. Esta última circunstancia puede determinarse de la relación de Pilling-Bedwor th, lo cual es el cociente del volumen del óxido producido al metal consumido por oxidación; valores de 1 o mayores resultan en un óxido que cubre completamente la superficie y usualmente con un comportamiento protector" A altas temperaturas el crecimiento de los óxidos protectores puede ser tan rápido que los esfuerzos compr esivos resultantes de una relación Pilling-Bedworth mayores a 1 resulten lo suficientemente grandes tal que la costra (aleación) se deforme y posiblemente se rompa como un mecanismo de alivio; en algunos casos la protección ofrecida por tales costras puede ser baja. Las características deseadas para una costra de óxido protector son:
Alta estabilidad termodinámica (energías libres de formación de Gibbs altamente negativas) de manera que integre perfectamente otro posible producto de reacción.
Relación Pilling-Bedworth mayor que 1, de modo que el óxido cubra completamente la superficie metálica.
Bajo coeficiente de difusión de las especies reactantes (cationes metálicos y aniones del corroyente) de manera que la costra tenga una velocidad de crecimiento lento.
Buena adherencia al metal base; el cual usualmente involucra un coeficiente de expansión térmica cercano al del metal, y suficiente plasticidad en alta temperatura para resistir fractura con los esfuerzos de expansión térmica diferencial.
El costrado en alta temperatura usualmente se piensa como óxidos pero también pueden ser sulfuros, carburos o mezclas de esas especies. Óxidos y sulfuros son componentes no estequiométricos y semiconductores, estos semiconductores Laboratorio de Degradación de Materiales
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pueden ser: tipo-p (o portador positivo), el cual puede tener vacancias en su red metálica, o un exceso de aniones en posiciones intersticiales. Tipo-n (o portador negativo), el cual puede tener un exceso de iones metálicos contenidos intersticialmente, o vacancias aniónicas en sitios de red. Para costrado controlado por difusión, la velocidad de crecimiento de la costra puede alterarse por la modificación de la concentración de defectos involucrados. Por ejemplo óxidos tipo-p muestran un incremento en la velocidad de transporte catiónico (incremento en la velocidad de oxidación) a un incremento de las presiones de oxidación, mientras que el transporte de óxidos tipo-n es esencialmente independiente de la presión de oxigeno. Ambos tipos de oxido pueden ser dopados por la adición de iones específicos para la red del oxido
4. MATERIALES Y EQUIPOS. 4.1. Materiales:
8 placas de latón 50 x100 x 2.5
8 placas de cobre 50 x100 x 2.5
Un soporte metálico.
Un cronometro digital
Lijas Nº 80, 1150, 360, 400 y 600
2 franelas
2 cepillos
2 depósitos de plástico
2 tenazas
Una secadora
250 ml de solución sulfato de cobre al 10%
250 ml de thinner
4.2. Equipos:
Balanza analítica electrónica de 0.1 mg de precisión.
Horno eléctrico. Rango de operación de 0 a 900 ºC.
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. 5.1. Lijado: Proceder a lijar las probetas, desde la lija más gruesa hasta la lija mas fina.
5.2. Desengrasado: Sumergimos la probeta en thinner y con ayuda de un cepillo ayudamos a quitar toda la grasa de la superficie de la probeta. Laboratorio de Degradación de Materiales
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5.3. Codificado: Codificar las probetas para que no se desordenen. 5.4. Pesado inicial (mi): Registrar el peso inicial en una balanza electrónica de una precisión de 0.1 mg
5.5. Oxidación de las placas metálicas: Ensamblar las 16 probetas de cobre y latón sobre un soporte metálico, luego colocar dentro del horno a una temperatura de 400 ºC, he ir retirando cada 20 minutos, 2 probetas de cobre y 2 de latón y dejar enfriar
5.6. Limpieza de la capa de óxido: Limpiar la capa de oxido de la superficie de las placas según el procedimiento descrito en la norma ISO 8407.
5.7. Pesado final (mf): Finalmente registrar la masa. 6. RESULTADOS. Tabla 01. Registro de datos para determinar la ley de oxidación del cobre a 271.125ºC Tiempo (minutos)
Código de Probeta
Masa Inicial (g)
Masa Final (g)
Pérdida de Masa (g)
Área expuesta (cm2)
(mi – mf)/(área) (g/cm2)
0 – 15
Cu – 01
102.9748
102.6998
0.2750
106.9875
0.00256957
15 – 30
Cu – 02
102.8254
102.4328
0.3926
106.465
0.00368759
30 – 45
Cu – 03
102.5204
102.1192
0.4012
106.111
0.00378094
45 – 60
Cu – 04
104.0879
103.656
0.4319
107.3026
0.00402543
W vs t 0.00045 0.0004 0.00035 0.0003 0.00025 0.0002 W vs t 0.00015 0.0001 0.00005 0 0
1000
2000
3000
4000
Figura 01. Gráfica (mi – mf)/área vs tiempo para determinar la ley de oxidación del cobre a 271.125 º C. Laboratorio de Degradación de Materiales
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Tabla 02. Registro de datos para determinar la ley de oxidación del latón a 271.125ºC Tiempo (minutos)
Código de Probeta
Masa Inicial (g)
Masa Final (g)
Pérdida de Masa (g)
Área expuesta (cm2)
(mi – mf)/(área) (g/cm2)
0 – 15
L – 01
133.9900
133.9620
0.0280
107.52
0.000261108
15 – 30
L – 02
133.9610
133.9230
0.0380
107.49
0.000354214
30 – 45
L – 03
135.5286
135.4888
0.0398
107.45
0.000371172
45 – 60
L – 04
130.0300
129.9889
0.0411
107.34
0.000382964
W vs t 0.00045 0.0004 0.00035 0.0003 0.00025 0.0002
W vs t
0.00015 0.0001 0.00005 0 0
1000
2000
3000
4000
Figura 02. Gráfica (mi – mf)/área vs tiempo para determinar la ley de oxidación del latón a 271.125 º C.
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS. 7.1. A partir de la figura 01, se observa que la ley cinética que se ajusta para el cobre es la de tipo parabólica, en la cual se obtuvo un Kp igual a 7.746525x10 -10 g2/ (cm4.s). Por lo cual el comportamiento parabólico de la ley cinética del cobre es preferible ya que no incrementa la formación del óxido si no que con el tiempo este va disminuyendo.
7.2. En el caso del latón (figura 02), también se obtuvo una ley cinética semejante a una parábola, en la cual se obtuvo un Kp de 1.366788x10 -11 g2/ (cm4.s) menor al Kp del cobre; esto quiere decir que la velocidad con la que se forma la capa de óxido va disminuyendo conforme transcurre el tiempo.
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7.3. Con los Kps hallados tanto para el Cu como para el latón observamos que la velocidad con que se forma la capa de óxido en el latón es menor comparada con capa de óxido formada en el Cu.
8.
CONCLUSIONES. 8.1
Logramos determinar experimentalmente las leyes que rigen la oxidación del cobre y el latón a alta temperatura.
8.2
Se logró determinar experimentalmente las constantes de las leyes cinéticas para el cobre y el latón.
8.3
Se determinó que la formación de óxido en el latón es más lenta que la de la capa de óxido formada por el cobre.
9.
CUESTIONARIO. 9.1
Superponer los diagramas de la ley cinética (Cu y latón) y determinar cual presenta mejor resistencia a la oxidación., y ¿Por qué? W vs t 0.00045 0.0004 0.00035 0.0003 0.00025 0.0002 W…
0.00015 0.0001 0.00005 0 0
1000
2000
3000
4000
El latón presenta mejor resistencia a la oxidación debido a la forma que asume la curva trazada, es decir presenta una menor pendiente que la del cobre. Mientras más asintótica es la curva la ganancia de peso del óxido será menor, formándose una capa protectora.
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9.2
Esquematizar a mano alzada el antes y después de oxidar los metales e indicar el metal que presenta mejor comportamiento a la oxidación a altas temperaturas, y ¿Por qué?
Cu antes del ensayo
Cu después del ensayo
Latón antes del ensayo
Latón después del ensayo
El latón presenta mejor comportamiento a la oxidación a altas temperaturas, debido a que el óxido formado en la superficie es más uniforme, mientras que la del cobre presenta imperfecciones en su superficie debido a su menor conductividad eléctrica y/o iónica la que es atribuida a su gran espesor formado.
9.3
¿Qué tipo de metal (Cu o latón) seleccionaría para trabajar en estas condiciones?, y ¿por qué? Seleccionaría el latón, teniendo en cuenta que el valor de su kp es menor que el kp del cobre.
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10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. [1]. Otero, E. 1997. Corrosión y degradación de materiales. Editorial Síntesis. MadridEspaña. [2]. Corrosión seca, http://html.rincondelvago.corn/corrosion-seca.html [3]. Estrategias para el estudio del tema 7: http://www.inedcervera.com/c3900038/quimica_ingenieria/tema7.html
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11. ANEXOS 11.1. Cálculo de las constantes de las leyes cinéticas para el cobre: Como la gráfica se parece a una parábola: Tomamos dos puntos: (W 1; t1) y (W2; t2)
1 = √ ∗ 1 + 2 = √ ∗ 2 + 12 − 22 = 1 − 2 Reemplazando para (0.00368759; 1800) y (0.00378094; 2700) Kp = 7.746525x10 -10 g2/ (cm4.s) Reemplazando el Kp en la primera ecuación, hallamos: C = 1.22039x10 -5 g2/ cm4
11.2. Cálculo de las constantes de las leyes cinéticas para el latón: Como la gráfica se parece a una parábola: Tomamos dos puntos: (W 1; t1) y (W2; t2)
1 = √ ∗ 1 + 2 = √ ∗ 2 + 12 − 22 = 1 − 2 Reemplazando para (0.000354214; 1800) y (0.000371172; 2700) Kp = 1.366788x10 -11 g2/ (cm4.s) Reemplazando el Kp en la primera ecuación, hallamos: C = 1.0086537x10 -7 g2/ cm4
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