INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TIJUANA Agosto-Diciembre 2015.
Ing. Bioquímica.
Integrantes: González Cornejo Marla
13211554
Márquez Ramírez María Fernanda 13211895
Materia: Cinética Química y Biológica
Docente: M.C. Méndez Valenzuela Eduardo
Trabajo de Investigación Unidad 6 “Mecanismos de Replicación y Regulación Genética”
Tijuana, B. C. a jueves 26 de mayo mayo del 2017. 2017.
CONTENIDO Introducción y Objetivos……………………………………………………………………………3
Unidad VI Electroquímica……………………………………………………………………………………… 4
6.1 Conductancia, características de las interfaces en electroquímica, celdas electroquímicas y reacciones químicas…………………………………………………………………………………5 6.2 Energía de Gibbs (interacciones ión-disolvente. Teoría de la doble capa)………………… 6 6.3 Potenciales electroquímicos y efectos electrocinéticos (leyes de Faraday y potencial de electrodos)………………………….……………………………………………………………… 8 6.4 Tipos de electrodos y sus actividades………………………………………………………… 9 6.5 Corrosión……………………………………………………………………………………….16 6.6 Protección catódica y anódica………………………………………………………………....25 Conclusión…………………………………………………………………………………………. 28 Referencias………………………………………………………………………………………… 29
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CONTENIDO Introducción y Objetivos……………………………………………………………………………3
Unidad VI Electroquímica……………………………………………………………………………………… 4
6.1 Conductancia, características de las interfaces en electroquímica, celdas electroquímicas y reacciones químicas…………………………………………………………………………………5 6.2 Energía de Gibbs (interacciones ión-disolvente. Teoría de la doble capa)………………… 6 6.3 Potenciales electroquímicos y efectos electrocinéticos (leyes de Faraday y potencial de electrodos)………………………….……………………………………………………………… 8 6.4 Tipos de electrodos y sus actividades………………………………………………………… 9 6.5 Corrosión……………………………………………………………………………………….16 6.6 Protección catódica y anódica………………………………………………………………....25 Conclusión…………………………………………………………………………………………. 28 Referencias………………………………………………………………………………………… 29
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INTRODUCCIÓN Electroquímica, es una parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electroquímica es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes. Una de las aplicaciones más importantes de la electroquímica es el aprovechamiento de la energía producida en las reacciones reacciones químicas mediante su utilización utilización como energía eléctrica, eléctrica, proceso que se lleva a cabo en las baterías. Dentro de éstas se encuentran las pilas primarias y los acumuladores o pilas secundarias. Las baterías poseen una fuerza electromotriz que está dada por la diferencia algebraica de los potenciales potenciales de electrodos electrodos en condiciones condiciones estándar. Esto nos lleva al proceso de electrólisis electrólisis que tiene lugar cuando se aplica una diferencia de potencial entre 2 electrodos produciéndose una reacción óxido-reducción, esta última consiste en reacciones de transferencia de electrones, en donde una sustancia se oxida cuando los pierde y se reduce cuando los gana, ambos procesos son dependientes. Todo lo anterior ha permitido la aplicación de estos conocimientos en diferentes áreas como la medicina, lo que ha generado una mejor calidad de vida.
OBJETIVOS a) Relacionar conceptos y procesos de corrosión y anticorrosivos b) Analizar procesos electrolíticos y conocer sus características, factores y leyes enunciadas por Michael Faraday. c) Exponer algunas de las aplicaciones de la electrolisis
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ELECTROQUÍMICA Electroquímica parte de la química que trata de la relación entre las corrientes eléctricas y las reacciones químicas, y de la conversión de la energía química en eléctrica y viceversa. En un sentido más amplio, la electroquímica es el estudio de las reacciones químicas que producen efectos eléctricos y de los fenómenos químicos causados por la acción de las corrientes o voltajes. Es por ello, que el campo de la electroquímica ha sido dividido en dos grandes secciones. La primera de ellas es la Electrólisis, la cual se refiere a las reacciones químicas que se producen por acción de una corriente eléctrica. La otra sección se refiere a aquellas reacciones químicas que generan una corriente eléctrica, éste proceso se lleva a cabo en una celda o pila galvánica. Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la caída de potencial eléctrico, es creada como consecuencia de la reacción química, se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también llamado batería o celda galvánica. La descomposición electrolítica es la base de un gran número de procesos de extracción y fabricación muy importantes en la industria moderna. La sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de papel, rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una disolución de sal común en agua. La reacción produce cloro y sodio. El sodio reacciona a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo sosa cáustica. El cloro obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y papel. Una aplicación industrial importante de la electrólisis es el horno eléctrico, que se utiliza para fabricar aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se calienta una carga de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A continuación, se deposita el metal electrolíticamente. Los métodos electrolíticos se utilizan también para refinar el plomo, el estaño, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por procesos electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza. La galvanotecnia, otra aplicación industrial electrolítica, se usa para depositar películas de metales preciosos en metales base. También se utiliza para depositar metales y aleaciones en piezas metálicas que precisen un recubrimiento resistente y duradero. La electroquímica ha avanzado recientemente desarrollando nuevas técnicas para colocar capas de material sobre los electrodos, aumentando así su eficacia y resistencia. Tras el descubrimiento de ciertos polímeros que conducen la electricidad, es posible fabricar electrodos de polímeros. 4
6.1. CONDUCTANCIA, CARACTERÍSTICAS DE LAS INTERFACES EN ELECTROQUÍMICA, CELDAS ELECTROQUÍMICAS Y REACCIONES QUÍMICAS. La conductancia eléctrica es la facilidad que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica; la electroquímica se encarga de estudiar las reacciones usando la corriente eléctrica que circula a partir de un circuito y mediante las síntesis la interfaz de un conductor eléctrico puede ser un metal o un semiconductor y debe haber un conductor iónico tal como disolución o un sólido.
La celda electroquímica es cualquier dispositivo que transforma la energía química de una síntesis de óxido y reducción en energía eléctrica. Hay varios ejemplos de celdas como la celda de concentración que viene siendo aquella que contiene o puede lograr contener un mismo tipo de iones en diferentes concentraciones.
A partir de la celda galvánica se usa para la diferencia de electrodos entre cada uno debido la reacción de óxido-reducción que se genera en una disolución, por lo que si se produce corriente eléctrica al terminar la reacción se sabe que la diferencia es cero. Para la celda electrolítica una diferencia de electrodos llega a generarse a partir de un generador de corriente externa que causa esta reacción.
En la celda de Daniel si las disoluciones estuvieran en un mismo contenedor los iones Cobre empezaran a sintetizar con ayuda del Zinc la separación de las disoluciones, donde los electrones se mueven desde el ánodo hacia el cátodo a través del alambre conductor y el voltímetro. Pero los cationes se mueven hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo sin el puente salino, el conjunto de cargas.
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6.2. ENERGÍA DE GIBBS (INTERACCIONES IÓN-DISOLVENTE. TEORÍA DE LA DOBLE CAPA). Por medio de la energía libre de Gibbs genera el hacer trabajo, por lo que el cambio de energía libre representa la cantidad máxima de trabajo útil que se obtiene de la reacción, por ejemplos Si la diferencia de energía de Gibbs es negativo significa que hay energía libre se le debe aplicar un potencial eléctrico suficiente para que la misma se lleve a cabo.
Pero si supongamos que es negativa entonces aparte que se aproxima al cero es posible que la reacción, es decir, la síntesis puede ser utilizada para generar energía eléctrica, y el mayor ejemplo seria al menos una pila de combustible. Las interacciones ion-disolvente son solo una parte responsable de la falta de idealidad de una disolución de un electrolito.
También cuando un ion se encuentra en una disolución, no solo está rodeado de los dipolos del disolvente sino que existen otros iones, por lo tanto, hay interacciones de tipo ion-ion ya sean atractivas o repulsivas y afectan a las propiedades de las disoluciones iónicas ya que interfieren en el flujo de los iones a través de la disolución.
Para la explicar la Teoría de la doble capa se establecieron ciertos modelos como los que se presentan a continuación: El primero se desarrolló en 1879 por Hermann von Helmholtz donde explica que los iones se hallaban en una solución del suelo donde eran fuertemente atraídos sobre la superficie de las partículas, en las cuales formaban una capa bien rígida con cargas negativas en la superficie.
Pasó bastante tiempo, para que se diese a conocer a la comunidad científica un nuevo modelo hasta que el francés Louis Georges Gouy y el británico David Chapman, decían que los iones de la solución del suelo era atraídos sobre la superficie de las partículas formando una nube, aunque los iones más fuertes eran retenidos conforme están mas cercas de las partículas. 6
Aunque el modelo de Gouy y Chapman parten de que la carga iónica se distribuye por la disolución a partir de la posición dada por el OHP, por lo que el modelo implica un desarrollo matemático de cierta complejidad, mientras que el modelo decia que toda la carga iónica que contrarresta a la distribución de la capa del metal se concentra en el OHP.
Por otro lado, al desarrollar una teoría que explicara el comportamiento de los iones en la disolución, se tuvo que analizar la idea original de Gouy y Chapman donde alteraron la geometría del modelo de la doble capa para convertirá en una figura esférica, más la teoría de Debye y Hückel era que los mismos iones se acomodan alrededor de otras figuras esféricas.
Ahora por medio de Stern estableció que los iones de la solución del suelo eran totalmente atraídos sobre la superficie de las partículas, pero inmediatamente eran paralizadas las partículas que elaboraban una capa imprégnante mientras que los que se encontraban bien lejos quedaban retenidos haciendo una nube. 7
6.3 POTENCIALES ELECTROQUÍMICOS Y EFECTOS ELECTROCINÉTICOS (LEYES DE FARADAY Y POTENCIAL DE ELECTRODOS Las leyes de Faraday están basadas en las investigaciones electroquímicas publicadas por medio de Michael Faraday desde 1834. La Primera ley de Faraday habla de la electrólisis donde la masa de una sustancia es depositada en un electrodo durante la electrólisis por lo que es igual a la cantidad de electricidad transferida al electrodo y cuando se dice la cantidad de electricidad significa que es la cantidad de carga eléctrica.
La segunda ley de Faraday también habla de los electrólisis donde dice que para una determinada cantidad de electricidad la masa depositada de una especie química en un electrodo, lo mismo es que si nos referimos al peso del elemento y el peso de una sustancia es su masa molar será dividido por la unidad dependiendo de la reacción que tiene lugar en el material.
Imaginemos que al introducir una barra de Zinc en agua, una pequeña parte de los átomos de Zinc pasan a la disolución en forma de cationes generándose una situación de equilibrio, por lo que una diferencia de potencial se le conoce como el potencial de electrodo y el potencial de electrodo depende fundamentalmente del tipo de metal, la actividad de los iones y la temperatura.
Se sabe que todo proceso electroquímico es influido por la velocidad con que se desarrollan tres procesos que es la transferencia de masa, como la carga eléctrica desde el interior de la solución hacia la interfase entre el metal y la solución, así como también la transferencia electrónica a través de la interfase y la reacción química que procede o sigue a la transferencia electrónica.
La estructura de la membrana determina la magnitud de los efectos electrocinéticos los cuales están basados en la formación de una doble capa en la interfase solido-liquido, donde está constituida por una gran capa de iones aglomerados al sólido, y una parte está constituida por iones libres en la masa liquida. Por lo que la doble capa genera una diferencia de potencial entre la superficie de unión de las capas. Sin embargo, los efectos electrocinéticos se producirán en todas las membranas selectivas independientemente que sea el tamaño de los poros cuando el diámetro de los poros es grande, los efectos electrocinéticas se hacen muy imperceptibles.
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6.4 TIPOS DE ELECTRODOS Y SUS ACTIVIDADES Los métodos potenciométricos de análisis se basan en las medidas del potencial de celdas electroquímicas en ausencia de corrientes apreciables. Dicho de otra manera, los métodos potenciométricos son aquellos que miden la diferencia de potencial entre dos electrodos de una célula galvánica en condiciones de intensidad de corriente cero, siendo su objetivo determinar la concentración de los analitos a partir de los datos de potenciales de electrodo.
Desde el comienzo del siglo XX, las técnicas potenciométricas se han utilizado para la detección de los puntos finales en los métodos volumétricos de análisis. Más reciente son los métodos en los que las concentraciones de los iones se obtienen directamente del potencial de un electrodo de membrana selectiva de iones. Tales electrodos están relativamente libres de interferencias y proporcionan un método rápido y conveniente para estimaciones cuantitativas de numerosos aniones y cationes importantes.
El equipo requerido para los métodos potenciométricos es sencillo y económico. Está formado por dos electrodos sumergidos en una disolución y conectados a un pHmetro o milivoltímetro. Uno de los electrodos es el electrodo indicador, que se escoge de tal manera que el potencial de semicélula responda a la actividad de la especie en disolución que se quiere determinar. El otro electrodo es el electrodo de referencia cuyo potencial permanece invariable en determinadas condiciones.
El potencial de la célula está dado por:
Ecélula = Eindicador - Ereferencia + Eij
siendo Eij el indicador de unión líquida.
Ejemplo de una celda para determinaciones potenciométricas
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El electrodo indicador es de gran importancia en las medidas potenciométricas, ya que debe interaccionar con la especie de interés, de manera que su potencial (E
indicador )
refleje la actividad de esa
especie en disolución y no la de otras especies que se encuentren en la misma muestra, que pueden representar interferencias.
La importancia de disponer de electrodos indicadores que respondan selectivamente a numerosas especies de interés analítico, ha estimulado el desarrollo de los mismos que se pueden clasificar en:
Electrodos de referencia
Electrodos indicadores metálicos
Electrodos selectivos de iones
Electrodos de membrana sensibles a los gases
Electrodos de membrana biocatalítica: biosensores
Electrodos de Referencia Con esta definición se conoce a aquel electrodo cuyo potencial de semicelda es conocido, constante y completamente insensible a la composición de la disolución en estudio. Un electrodo de referencia ideal tiene las siguientes características: 1) Es reversible y obedece a la ecuación de Nerst 2) Presenta un potencial constante todo el tiempo 3) Retorna a su potencial original después de haber estado sometido a pequeñas corrientes 4) Presenta poca histéresis con ciclos de temperatura
Pese a que no hay ningún electrodo de referencia que se ajuste por completo a estas características, son varios los que se acercan mucho.
Electrodos de calomelanos: Están compuestos de mercurio en contacto con una solución saturada de cloruro de mercurio (I) que contiene también una concentración conocida de cloruro de potasio. La semicelda de este electrodo se puede representar como: Hg / Hg2 Cl2 (sat), K Cl (x M ) //
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siendo x la concentración molar de cloruro de potasio en la disolución. El potencial de electrodo para esta semicelda está determinado por la reacción: -
-
Hg2Cl2 (s) + 2 e <====> 2 Hg ( l ) + 2 Cl
que también depende de la concentración x de cloruro, por lo cual, esta cantidad se debe especificar en la descripción del electrodo. De los electrodos de este tipo, el más utilizado es el electrodo de calomelano saturado ( ECS ) debido a la gran facilidad con la que se puede preparar. Sin embargo presenta ciertos inconvenientes tales como que su coeficiente de temperatura es significativamente mayor en comparación con otros; y también que al cambiar la temperatura, el valor del nuevo potencial se alcanza lentamente debido al tiempo requerido para restablecer el equilibrio de solubilidad del cloruro de potasio y de calomelanos. El potencial del electrodo de calomelano saturado a 25ºC es de 0,2444 V.
Electrodos de plata / cloruro de plata El sistema es semejante al anterior y consiste en un electrodo de plata sumergido en una disolución saturada de cloruro de potasio y cloruro de plata: Ag / Ag Cl (sat), K Cl (xM) //
Cuya semirreacción es: Ag Cl (s) + e- <==> Ag (s) + Cl-
E0= 0,199 V
Los modelos comerciales de este electrodo son semejantes en apriencia externa a los electrodos de calomelanos, si bien en estos de plata / cloruro de plata, el tubo interno se reemplaza por un
Ejemplo de un electrodo de calomelano saturado típico
alambre de plata recubierto con una capa de clopruro de plata que se encuentra sumergido en una dicolución de cloruro de potasio saturada con cloruro de plata.
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Los electrodos de plata / cloruro de plata tienen la ventaja de que pueden utilizarse a temperaturas superiores a 60ºC, mientras que los electrodos de calomelanos no. Por otra parte los iones Hg (I) reaccionan con menos componentes de la muestra que los iones plata. Tales reacciones pueden conducir a la obturación de la unión entre el electrodo y la disolución del analito.
Electrodos de indicadores metálicos Electrodos redox Electrodos que responden al potencial redox de una disolución formada por una o más parejas redox. Los más utilizados son aquellos constituidos por oro, platino, paladio u otros metales inertes. Estos electrodos actúan como una fuente o como un sumidero de los electrones transferidos desde un sistema redox presente en la disolución. Hay que resaltar que los procesos de transferencia de los electrones en los electrodos inertes no suelen ser reversibles y por lo tanto, lo electrodos inertes no responden a muchas de las semirreacciones de las tablas de electrodos de una forma predecible.
Electrodos de primera clase Están formados por un metal en contacto con una disolución que contiene sus iones. Por ejemplo un hilo de plata en una disolución de nitrato de plata. El potencial del electrodo responde a la actividad de los iones plata en disolución, entre otros. Estos electrodos no son muy utilizados en el análisis potenciométrico porque presentan una serie de inconvenientes tales como:
No son muy selectivos ya que responden no sólo a sus propios cationes sino también a otros cationes más fácilmente reducibles.
Algunos de estos electrodos metálicos tan sólo se pueden utilizar en disoluciones básicas o neutras ya que en disoluciones ácidas se disuelven.
Algunos metales se oxidan tan fácilmente que su uso queda restringido a disoluciones previamente desaireadas, esto es, disoluciones a las que previamente se las ha eliminado el oxígeno.
Ciertos metales, tales como hierro, cromo, cobalto y níquel no proporcionan potenciales reproducibles
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Electrodos de segunda clase Están formados por un metal en contacto con una disolución saturada de una de sus sales poco solubles. Se basan en la propiedad de que algunos metales no sólo responden hacia sus propios cationes, sino que también son sensibles a la actividad de aniones que forman precipitados poco solubles o complejos estables con dichos cationes. Por ejemplo, el potencial de un electrodo de plata será una medida reproducible de la actividad del ión cloruro en una solución saturada de cloruro de plata. Así, la reacción del electrodo es: Ag Cl (s) + e
-
<===> Ag (s) + Cl - (ac)
E0 = 0,222 V
Cuya ecuación de Nerst está dada por: Eind = E0Ag Cl - 0,0592 log aCl - = E0AgCl/Ag+ 0,0592 pCl
Esta ecuación muestra que el potencial de un electrodo de plata es proporcional a pCl, el logaritmo negativo de la actividad del ión cloruro, por lo que en una solución saturada de cloruro de plata, el electrodo de plata sería un buen indicador de segunda especie para los iones cloruro. Por las mismas razones, el mercurio también sería un buen indicador de segunda especie para el indicador Y - del AEDT.
Electrodos de tercera clase Un electrodo de tercera clase implica dos equilibrios que afectan a la pareja redox M ejemplo, un electrodo de tercera clase que responda al ión Ca como ligando común para el Ca
2+
2+
n+
/ M. Por
se puede obtener utilizando AEDT
2+
y Hg . La reacción de intercambio electrónico implica a la pareja
redox Hg2+ / Hg. Un electrodo metálico se convierte en un electrodo de tercera clase cuando se hace que responda a un catión diferente. Por ejemplo: Sea el electrodo de mercurio utilizado para la determinación del pCa de disoluciones que contienen calcio. Se introduce en la disolución una pequeña concentración de AEDT con Hg (II). Si además introducimos una disolución del AEDT que contenga calcio, se establece un nuevo equilibrio:
CaY2- <====> Ca2+ + Y4-
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Combinando ambos equilibrios (el del Hg (II) con el del calcio en la disolución de AEDT, se consigue que el electrodo de mercurio se transforme en un electrodo de tercera clase para el ión calcio.
Electrodos de membrana o electrodos selectivos de iones
Los electrodos selectivos de iones (ESI) implican la medida de un potencial de membrana, es decir, permiten la determinación rápida y selectiva de numerosos cationes y aniones por medidas potenciométricas directas. Se les denomina electrodos selectivos de iones por la gran selectividad que tienen. La respuesta de la célula electroquímica, por tanto, se basa en la interacción entre la membrana y el analito que altera el potencial a través de dicha membrana. La selectividad de la respuesta de potencial hacia la especie de interés depende de la especifidad de la interacción de la membrana con esa especie.
Electrodos de membrana líquida y polimérica Están formados por un disolvente insoluble en agua en el que se disuelve un intercambiador iónico orgánico que sea hidrofóbico y que reacciona selectivamente con el ión de interés. Se empapa una membrana sólida porosa con este líquido y se incorpora al electrodo selectivo de iones. La preparación de los electrodos de membrana polimérica se realiza cubriendo un hilo de Cu, Pt o Au con un cambiador iónico dispersado en un polímero. En estos electrodos, se elimina la disolución de referencia interna que llevan los ESI clásico, por lo que pueden construirse de menor tamaño y con menos dificultades. Los límites de detección, selectividades e intervalo de operación son comparables con los convencionales. Son especialmente útiles en los laboratorios de análisis clínicos para la determinación 2+
+
-
de Ca , K y Cl .
Electrodos de membrana sólida Formados por un monocristal o por pastillas prensadas de las sales de los iones de interés. El cristal o la pastilla debe tener algo de conductividad eléctica y presentar una solubilidad baja en el sidolvente en el que el electrodo va a utilizarse.
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Electrodos de membrana de vidrio El primer ESI de esta clase fue el electordo de vidrio para la medida de pH. Los vidrios de determinadas composiciones responden al pH debido al potencial de membrana que se genera por un intercambio iónico con los iones H +, que se produce en la capa exterior hidratada de la membrana de vidrio sumergida en la disolución. La respuesta de la membrana para el H + se puede entender como un potencial de superficie que resulta -
+
+
de la reacción de intercambio iónico entre el O y el H en el gel hidratado. Aunque los H tienen gran afinidad por el O - de la membrana, cuando un electrodo selectivo de vidrio se sumerge en una disolución en la que la actividad de los iones H + es muy baja, es posible que otros iones monovalentes reaccionen también con el O - produciendo interferencias. El potencial generado se denomina error alcalino.
Electrodos de membrana sensibles a los gases Los electrodos sensibles a los gases consisten en un ESI en contacto con una capa fina de un electrolito acuoso que se encuentra en el interior de otro ESI rodeada de una membrana permeable a los gases. Los gases pasan a través de la membrana, se disuelven en el electrólito y modifican la situación de equilibrio del sistema. Esta modificación es detectada por el ESI y está relacionado con la presión parcial del gas en la muestra.
Electrodos de membrana biocatalítica: biosensores: Están formados por un ESI, o un electrodo sensible a los gases en contacto con una capa fina de un material biocatalítico. El biocatalizador convierte el sustrato (analito) en un compuesto que puede ser detectado por el electrodo. Los electrodos de este tipo se conocen como biosensores. La capa de biocatalizador está constituída por una enzima inmovilizada que es escogida por su selectividad catalítica hacia el analito. Por ejemplo, la ureasa inmovilizada en un gel de poliacrilamida situado en el extremo de un ESI para el ión NH 4+, da lugar a un electrodo selectivo para la determinación de la urea.
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6.5 CORROSIÓN La corrosión es definida como el deterioro de un material metálico a consecuencia de un ataque químico por su entorno. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción química, la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, la salinidad del fluido y las propiedades de los metales en cuestión. En la podemos observar un claro ejemplo de una corrosión severa debida a medios severos como lo es el agua de mar.
Corrosión debida a medios severos
Oxidación es cuando en una reacción química se pierden electrones.
Reducción es cuando se ganan electrones.
Control de la Corrosión La corrosión puede controlarse o prevenirse mediante diferentes métodos. Desde el punto de vista industrial, la economía de la situación suele determinar el método utilizado. Por ejemplo, un ingeniero quizá tenga que determinar si es más económico sustituir periódicamente cierto equipo o fabricarlo con materiales que son sumamente resistentes a la corrosión pero más caros para que sean más durables. Algunos de los métodos de control de corrosión comunes se muestran en la Figura.
Métodos comunes de control de la corrosión 16
Tipos de corrosión Corrosión uniforme. Es aquella corrosión que se produce con el adelgazamiento uniforme producto de la pérdida regular del metal superficial. Esto ocurre por la atmósfera quien es la que produce mayor cantidad de daños en el material por lo que se ven atacados por oxígeno y al agua, La severidad de esta clase de corrosión se incrementa cuando la sal, los compuestos de sulfuro y otros contaminantes atmosféricos están presentes.
Industriales: Son los que contienen compuestos sulfurosos, nitrosos y otros agentes ácidos que pueden promover la corrosión de los metales. En adición, los ambientes industriales contienen una gran cantidad de partículas aerotransportadas, lo que produce un aumento en la corrosión.
Urbana: es un ambiente muy similar al industrial ya que generalmente se encuentra cerca de dichas zonas en grandes urbes, por lo que se ve afectado en gran medida por la lluvia ácida que se genera en las zonas industriales y es transportada por lo vientos de la región. Otro importante contaminante de este ambiente es el dióxido de carbono (CO2) producido por el gran flujo vehícular que existe en estas zonas.
Marinos: Esta clase de ambientes se caracterizan por la presencia de sales (NaCl) e iones cloruro (un ión particularmente perjudicial que favorece la corrosión de muchos sistemas metálicos.), en las cercanías al mar. El primero es un contaminante natural y llega a la atmósfera por medio de los vientos provenientes del interior del mar. La intensidad debido a los grados de salinidad en la atmósfera depende de la distancia al borde del mar ya que la concentración de sales y la velocidad de corrosión disminuye notoriamente luego de unos cuantos metros de la costa.
Rurales: En estos ambientes se produce la menor clase de corrosión atmosférica, caracterizada por bajos niveles
de
compuestos
ácidos
y
otras
especies
agresivas. Existen factores que influencian la corrosión atmosférica. Ellos son la Temperatura, la Presencia de Contaminantes en el Ambiente y la Humedad.
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Corrosión localizada La segunda forma de corrosión, en donde la pérdida de metal ocurre en áreas discretas o localizadas, esta se divide
Corrosión Galvánica. La corrosión galvánica se presenta, cuando dos metales diferentes en contacto o conectados por medio de un conductor eléctrico, son expuestos a una solución conductora. En este caso, existe una diferencia en potencial eléctrico entre los metales diferentes y sirve como fuerza directriz para el paso de la corriente eléctrica a través del agente corrosivo, de tal forma que el flujo de corriente corroe uno de los metales del par formado. Mientras más grande es la diferencia de potencial entre los metales, mayor es la probabilidad de que se presente la corrosión galvánica debiéndose notar que este tipo de corrosión sólo causa deterioro en uno de los metales, mientras que el otro metal del par casi no sufre daño. El metal que se corroe recibe el nombre de metal activo, mientras que el que no sufre daño se le denomina metal más noble. La relación de áreas entre los dos metales es muy importante, ya que un área muy grande de metal noble comparada con el metal activo, acelerará la corrosión, y por el contrario, una mayor área del metal activo comparada con el metal noble disminuye el ataque del primero. La corrosión galvánica a menudo puede ser reconocida por el incremento del ataque junto a la unión de los metales, este tipo puede ser controlado por el uso de aislamientos o restringiendo el uso de uniones de metales cuando ellos forman diferencias de potencial muy grande en el medio ambiente en el que se encuentran. La diferencia de potencial puede ser medida, utilizando como referencia la serie galvánica de los metales y aleaciones que se presentan más adelante, en la serie de los potenciales tipo (standard) de óxido de reducción. Otro método para reducir la corrosión galvánica, es evitar la presencia de grandes áreas de metal noble con respecto a las de metal activo, acelerará la corrosión, y por el contrario, una mayor área del metal activo comparada con el metal noble disminuye el ataque del primero.
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Comportamiento anódico-catódico del acero con capas de zinc y estaño expuestas a la at mosfera. a)se corroe el cinc. b)se corroe el acero
Corrosión por erosión. Es cuando el movimiento del medio corrosivo sobre la superficie metálica incrementa la velocidad de ataque debido a desgaste mecánico, este recibe el nombre de corr osión por erosión. La erosión generalmente se atribuye a la remoción de películas superficiales protectoras, como por ejemplo, películas de óxido formadas por el aire, o bien, productos adherentes de la corrosión. La corrosión por erosión, generalmente tiene la apariencia de picaduras poco profundas de fondo. La corrosión por erosión prospera en condiciones de alta velocidad, turbulencia, choque, etc., y frecuentemente se observa en impulsores de bombas, agitadores y en codos y cambios de dirección de tuberías. Los líquidos con suspensión conteniendo partículas sólidas duras pueden igualmente causar este tipo de problema.
Corrosión por cavitación en el esquema del mecanismo de turbulento remolino de aguas
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Corrosión Por Agrietamiento. Definimos como agrietamiento por corrosión al proceso físico-químico a través del cual los metales, cuando están sometidos a esfuerzos mecánicos, simultaneados con una exposición a ambientes corrosivos, presentan una fatiga estructural que desemboca en la aparición de fisuras y grietas con resultado de una disminución de su resistencia intrínseca. No se suelen observar grandes extensiones afectadas, lo cual resulta bastante engañoso, y consecuentemente peligroso, debido a que las grietas formadas, aparentemente superficiales, tienen la particularidad de ser de contextura fina pero profunda, lo cual redunda en un elevado riesgo de rotura.
Ejemplos corrosión por agrietamiento Corrosión por Picadura o “Pitting”.
Es altamente localizada, se produce en zonas de baja corrosión generalizada y el proceso (reacción) anódico produce unas pequeñas “picaduras” en el cuerpo que afectan (figura 21) .Puede observarse generalmente en superficies con poca o casi nula corrosión generalizada. Ocurre como un proceso de disolución anódica local donde la pérdida de metal es acelerada por la presencia de un ánodo pequeño y un cátodo mucho mayor.
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Esta clase de corrosión posee algunas otras formas derivadas:
Corrosión por Fricción o Fretting: es la que se produce por el movimiento relativamente pequeño (como una vibración) de 2 sustancias en contacto, de las que una o ambas son metales. Este movimiento genera una serie de picaduras en la superficie del metal, las que son ocultadas por los productos de la corrosión y sólo son visibles cuando ésta es removida.
Corrosión por Cavitación: es la producida por la formación y colapso de burbujas en la superficie del metal (en contacto con un líquido). Es un fenómeno semejante al que le ocurre a las caras posteriores de las hélices de los barcos. Genera una serie de picaduras en forma de panal.
Corrosión Selectiva: es semejante a la llamada Corrosión por Descincado, en donde piezas de cinc se corroen y dejan una capa similar a la aleación primitiva. En este caso, es selectiva porque actúa sólo sobre metales nobles como al Plata-Cobre o Cobre-Oro. Quizá la parte más nociva de esta clase de ataques está en que la corrosión del metal involucrado genera una capa que recubre las picaduras y hace parecer al metal corroído como si no lo estuviera, por lo que es muy fácil que se produzcan daños en el metal al someterlo a una fuerza mecánica
Corrosión por "Pitting"
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Corrosión Por Fricción. Es la que se produce por el movimiento relativamente pequeño (como una vibración) de 2 sustancias en contacto, de las que una o ambas son metales. Este movimiento genera una serie de picaduras en la superficie del metal, las que son ocultadas por los productos de la corrosión y sólo son v isibles cuando ésta es removida.
Corrosión por fricción
Corrosión selectiva. Es semejante a la llamada Corrosión por Descincado en donde piezas de Zinc se corroen y dejan una capa similar a la aleación primitiva. En este caso, es selectiva porque actúa sólo sobre metales nobles como al Plata-Cobre o Cobre-Oro. Quizá la parte más nociva de esta clase de ataques está en que la corrosión del metal involucrado genera una capa que recubre las picaduras y hace parecer al metal corroído como si no lo estuviera, por lo que es muy fácil que se produzcan daños en el metal al someterlo a una fuerza mecánica.
Corrosión Microbiológica (MIC). Es aquella corrosión en la cual organismos biológicos son la causa única de la falla o actúan como aceleradores del proceso corrosivo localizado.
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La MIC se produce generalmente en medios acuosos en donde los metales están sumergidos o flotantes. Por lo mismo, es una clase común de corrosión. Su accionar está asociado al pitting (picado) del oxígeno o la presencia de ácido sulfhídrico en el medio se clasifican las ferrobacterias).Los organismos biológicos presentes en el agua actúan en la superficie del metal, acelerando el transporte del oxígeno a la superficie del metal, acelerando o produciendo, en su defecto, el proceso de la corrosión.
Corrosión microbiológica causada por ferrobacterias.
Corrosión bajo tensión. La corrosión bajo tensión (CBT) es un mecanismo de rotura progresivo de los metales que se crea por la combinación de un medio ambiente corrosivo y de una tensión de tracción mantenida. El fallo estructural debido a la CBT es muchas veces, imprevisible y aparece tanto tras pocas horas como tras meses o años de servicios satisfactorios. Se encuentra, frecuentemente, en ausencia de cualquier otro tipo de ataque corrosivo. Virtualmente, todas las aleaciones son sensibles a la CBT en un medio ambiente específico y con un conjunto de condiciones .La Figura presenta el triángulo de la corrosión bajo tensión, en el cual cada lado debe estar presente para que la CBT aparezca.
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La tensión de tracción necesaria para la CBT está “estática”, y puede ser residual y/o ap licada (véase la tabla debajo). El agrietamiento progresivo debido a tensiones “cíclicas” se llama la “fatiga -corrosión”. El límite entre la CBT y la fatiga-corrosión no es evidente a cada vez. Sin embargo, como los mecanismos que provocan cada fenómeno son distintos, se separan y se consideran como mecanismos de rotura diferentes. El shot peening controlado, introduciendo una tensión residual de compresión en la superficie del material, actúa sobre los dos fenómenos y puede impedirlos o retrasarlos.
Corrosión por hidrógeno. Son fenómenos destructivos que se relacionan de manera directa con la presencia de hidrógeno atómico o molecular, exceptuando la formación de hidruros, no producen oxidación metálica y no constituyen fenómenos típicos de corrosión aunque por su procedencia o efecto similar son tratados por los encargados de estudiar estos fenómenos de la corrosión. Suelen suceder
en gases a elevadas temperaturas o en electrólitos a bajas temperaturas, los que
suceden en electrólitos
se caracterizan por su predominio de los efectos físicos y físico-químicos
sobre las acciones químicas y electro-químicas, por lo que se incluyen dentro de los tipos de corrosión con efectos mecánicos.
Corrosión electroquímica (celda electroquímica) Son aquellas en las cuales la energía eléctrica que procede de una fuente externa provee reacciones químicas no espontáneas. En la Figura se puede observar una celda electroquímica de Zn-Cu con sus componentes.
Celda Electroquímica
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6.6 PROTECCIÓN CATÓDICA Y ANÓDICA Luego de haber analizado la corrosión y sus formas, es momento de ver qué conocimientos se tienen hoy en día para prevenirla. Antes de ver un análisis un tanto más profundo a las formas de proteger sobre la corrosión, hablaremos un poco sobre la Protección Catódica y la Protección Anódica. La protección catódica ocurre cuando un metal es forzado a ser el cátodo de la celda corrosiva adhiriéndole (acoplándolo o recubriéndolo) de un metal que se corroa más fácilmente que él, de forma tal que esa capa recubridora de metal se corroa antes que el metal que está siendo protegido y así se evite la reacción corrosiva. Una forma conocida de Protección Catódica es la galvanización, que consiste en cubrir un metal con Zinc para que éste se corroa primero. Lo que se hace es convertir al Zinc en un ánodo de sacrificio, porque él ha de corroerse antes que la pieza metálica protegida. Por otro lado, la protección anódica es un método similar que consiste en recubrir el metal con una fina capa de óxido para que no se corroa. Existen metales como el Aluminio que al contacto con el aire son capaces de generar espontáneamente esta capa de óxido y por lo tanto, se hacen resistentes a la corrosión. Aun así, la capa de óxido que recubre al metal no puede ser cualquiera. Tiene que ser adherente y muy firme, ya que de lo contrario no serviría para nada. Por ejemplo, el óxido de hierro no es capaz de proteger al hierro, porque no se adquiere a él en la forma requerida.
Selección de materiales La selección de los materiales que vayamos a usar será factor decisivo en el control de la corrosión a continuación se enunciaran algunas reglas generales para la selección de materiales:
Para condiciones no oxidantes o reductoras tales como ácidos y soluciones acuosas libres de aire, se utilizan frecuentemente aleaciones de Ni y Cr.
Para condiciones oxidantes se usan aleaciones que contengan Cr.
Para condiciones altamente oxidantes se aconseja la utilización de Ti y
Los elementos cerámicos poseen buena resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas pero son quebradizos, su utilización se restringe a procesos que no incluyan riesgos.
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Recubrimientos Recubrimientos metálicos Los recubrimientos se aplican mediante capas finas que separen el ambiente corrosivo del metal, es decir que puedan servir como ánodos sacrificables que puedan ser corroídos en lugar del metal subyacente. Los galvanizados son un buen ejemplo de este caso. Un recubrimiento continuo de zinc y estaño aísla el acero respecto al electrolito. A veces se presentan fallas con estos metales, cuando el riesgo de corrosión es muy elevado se recomienda hacer un recubrimiento con Alclad. El Alclad es un producto forjado, compuesto formado por un núcleo de una aleación de aluminio y que tiene en una o dos superficies un recubrimiento de aluminio o aleación de aluminio que es anódico al núcleo y por lo tanto protege electroquímicamente al núcleo contra la corrosión.
Recubrimientos inorgánicos En algunos casos es necesario hacer recubrimientos con material inorgánico, los más usados son el vidrio y los cerámicos, estos recubrimientos proporcionan acabados tersos y duraderos. Aunque si se expone un pequeño lugar anódico se experimenta una corrosión rápida pero fácil de localizar.
Recubrimientos orgánicos El uso de pinturas, lacas, barnices y muchos materiales orgánicos poliméricos han dado muy buen resultado como protección contra la corrosión. Estos materiales proveen barreras finas tenaces y duraderas para proteger el sustrato metálico de medios corrosivos. El uso de capas orgánicas protege más el metal de la corrosión que muchos otros métodos. Aunque debe escogerse muy bien, ya que hay procesos que incluyen tratamientos con alcoholes que en algún momento pueden disolver los materiales orgánicos.
Diseño Este quizá el método más efectivo para el control de la corrosión, ya que si hacemos un buen diseño y una buena planeación podemos evitar dicho fenómeno, a continuación se enumeraran algunas reglas generales que se deben seguir:
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Se debe tener en cuenta la acción penetrante de la corrosión junto con los requerimientos de la fuerza mecánica cuando se considere el espesor del metal utilizado. Esto se utiliza para tuberías y tanques que contengan líquidos.
Son preferibles los recipientes soldados que los remachados para reducir la corrosión por grieta
Se deben usar preferiblemente metales galvánicamente similares para prevenir para prevenir la corrosión galvánica. Si se atornillan metales no similares galvánicamente se deben usar arandelas no metálicas para eliminar contactos eléctricos entre los materiales.
Es preciso evitar tensión excesiva y concentraciones de tensión en entornos corrosivos, para prevenir la ruptura por corrosión por esfuerzos, especialmente en aceros inoxidables, latones y otros materiales susceptibles a este tipo de corrosión.
Se deben evitar recodos agudos en sistemas de tuberías por donde circulan fluidos. En estas áreas donde cambia la dirección del fluido bruscamente se potencia la corrosión por erosión.
Se deben diseñar los tanques y recipientes de una manera que sean fáciles de limpiar y desaguar, ya que el estancamiento de sustancias corrosivas provoca la aparición de celdas por concentración.
Se debe hacer un diseño eficiente de aquellas piezas que se espera queden inservibles en poco tiempo, para que sean fáciles de reemplazar.
Es importante también diseñar sistemas de calefacción que no den lugar a zonas puntuales calientes, los cambios de calor ocasionan corrosión.
Alteración por el entorno Las condiciones ambientales son muy importantes para el control de corrosión, algunos métodos usados son:
Bajando la temperatura se consigue disminuir la velocidad de reacción, por ende se disminuye el riego de corrosión.
Eliminar el oxígeno de las soluciones acuosas reduce la corrosión especialmente en las calderas de agua.
La reducción de la concentración de iones corrosivos en una solución que está corroyendo un metal puede hacer que disminuya la velocidad de corrosión, se utiliza principalmente en aceros inoxidables.
La adición de inhibidores que son principalmente catalizadores de retardo disminuye las probabilidades de corrosión. Los inhibidores son de varios tipos: los inhibidores de absorción que forman una película protectora, los inhibidores barrenderos que eliminan oxígeno. 27
CONLUSIÓN La pila desde su creación y posterior evolución ha sido significativa, debido a la producción de energía eléctrica que realiza, al igual que el acumulador, pero cabe destacar que este último resulta más cómodo a diferencia de la pila, ya que éste puede recargarse. Estos adelantos han provocado que el hombre busque procesos en los cuales aplicar energía eléctrica para fines industriales y automovilísticos. Es así como la electrólisis y los procesos relacionados con ella, han permitido que el hombre la realice en técnicas como el galvanizado y el cobreado, con en el fin de que los productos provocados en esta reacción puedan emplearse en el diario vivir. Al ser expuesto un metal al medio ambiente, éste provoca que se corroa lo que ha generado que el hombre busque la manera de contrarrestar este efecto, ya que lo deja inhabilitado para utilizarlo en nuevas estructuras, es por ello, que normalmente para evitar este proceso se ocupen anticorrosivos, los que pueden recubrir o alearse con el metal, para esto ocupa algunos metales como zinc, níquel y cromo, con el objeto de prolongar indefinidamente la duración del metal en el medio, un claro ejemplo de esto es el acero inoxidable, el cual está presente en la construcción de edificios y casas, utensilios de cocina, herramientas, etc. Todos los procesos anteriores tiene en común que aplican las reacciones de óxido-reducción, que se han traducido en diversos adelantos en áreas como la construcción e industrias, así como también en la medicina, lo que ha permitido afrontar nuevas enfermedades con el uso de la corriente eléctrica a partir de energía química, pero al mismo tiempo también se ha podido diagnosticar enfermedades, con el fin de prevenir y estar alerta ante cualquier síntoma del paciente. Gracias a científicos como Volta, Leclanché y Daniell las reacciones de óxido-reducción se han podido aplicar en diferentes ámbitos de la vida del ser humano, por ejemplo las pilas y los acumuladores, los cuales son elementos cotidianos en nuestra vida, ya que se emplean en artefactos como linternas, radios, relojes, baterías de motores, entre otros. Finalmente se concluye que gracias a los aportes científicos y tecnológicos se ha permitido que estos avances vayan en beneficio de la humanidad.
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