Treball de Recerca de Batxillerat: Treball de Recerca de Batxillerat: Oxidació i Corrosió: Anàlisi Oxidació i Corrosió: Anàlisi experimental de la corrosió de experimental de la corrosió de diferents metalls. diferents metalls. Nom i cognoms de l’autora: Claudia Ardid Ruiz Matèria: Química Nom del centre: IES Compte de Rius (TARRAGONA) Nom del tutor: Josep Mª Aliaga Tomàs
Oxidació - Corrosió: Anàlisi experimental de la corrosió de diferents metalls
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Treball de Recerca de Batxillerat:Treball de Recerca de Batxillerat:O x id a c ió i C o r r o s ió : A n à l is i O x id a c ió i C o r r o s ió : A n à l is i e x p e r im e n t a l d e la c o r r o s ió d e e x p e r im e n t a l d e la c o r r o s ió d e d i f e r e n t s m e t a l ls .d i f e r e n t s m e t a l ls .
Nom i cognoms de l’autora: Claudia Ardid RuizMatèria: QuímicaNom del centre: IES Compte de Rius (TARRAGONA)Nom del tutor: Josep Mª Aliaga Tomàs
MotivacióMotivació Com a estudiant de la matèria de Química, sabia de
l’existència del fenomen de la corrosió i oxidació. Sabia que el fenomen de la corrosió dels metalls és un fenomen
quotidià i d’una gran importància econòmica. Estem envoltats d’aquest processos que semblen senzills
però són complexos. Així, vaig veure una oportunitat per aprofundir-hi.
1.- Objectius del Treball de 1.- Objectius del Treball de Recerca: Recerca: Els objectius del meu treball de recerca eren: Aprofundir en el coneixement de la corrosió de forma teòrica. A través de la pràctica veure l’evolució dels metalls en diferents
paràmetres i la seva afectació.
Hipòtesis:“La nostra hipòtesis del present treball de recerca serà que els diferents paràmetres mencionats anteriorment influeixen, de formes diferents, en la corrosió dels metalls.”
Part Teòrica
2- El procés d’oxidació-reducció
2.1.- Nombre d’oxidació. Agents oxidant i reductor
2.2.- Parells redox i reaccions redox
2.3.- Potencials de reducció. Sèrie electroquímica dels metalls. Piles redox
3.- El fenomen de la corrosió dels metalls
3.1.- Procés de corrosió d’un metall
3.2.- Factors que afecten la corrosió d’un metall. Tipus de corrosió
3.3.- Mètodes per evitar o retardar la corrosió d’un metall
3.4.- Acers inoxidables
2.- El procés de l’oxidació-2.- El procés de l’oxidació-reducció.reducció.2.1.- Nombre d’oxidació . Agents oxidant i
reductor.
Per introduir el concepte de l’oxidació des del punt de vista químic,
cal conèixer el concepte de nombre d’oxidació (Annex-1): El nombre d’oxidació és la suma de càrregues positives i negatives
d’un àtom, la qual cosa indica el nombre d’electrons que l'àtom ha acceptat o cedit. Com més elevat és el nombre, més oxidada està la forma.
2.1.- Nombre d’oxidació. Agents oxidant i reductor.En el fenomen de l’oxidació, cal que existeixin dos substàncies. Es pot
trobar més informació a l’Annex-1:• L’agent oxidant: És la substància que conté l’element que disminueix
el seu nombre d’oxidació. Aquest element es redueix i fa oxidar un altre.
• L’agent reductor: És la substància que conté l’element que augmenta el seu nombre d’oxidació. Aquest element s’oxida i fa reduir un altre.
2 . 2 . - R e a c c io n s r e d o x .2 . 2 . - R e a c c io n s r e d o x .
OXIDACIÓ: és el procés de pèrdua d’electrons per part d’un reductor.
REDUCCIÓ:és el procés de guany d’electrons per part d’un oxidant. És
el procés invers de l’oxidació.
Perd electrons. Guanya electrons.
Actúa com a agent reductor. Actua com agent oxidant.
És oxidat per un agent oxidant. És reduït per un agent reductor.
Disminueix el seu estat o númerod’oxidació.
Augmenta el seu estat o nombre d’oxidació.
2 . 2 . - P a r e l ls r e d o x2 . 2 . - P a r e l ls r e d o x A qualsevol oxidant d’un tipus se li pot associar un reductor:
“parell redox”(Ox/Red).
2 . 3 . - P o t e n c ia ls d e r e d u c c ió2 . 3 . - P o t e n c ia ls d e r e d u c c ióEl procés redox és també el fonament de les piles voltaiques o galvàniques.El potencial d’elèctrode ens permet mesurar la diferència de concentració química en una cel·la electroquímica o galvànica, inventada per Luigi Galvani el 1780.
PROCÉS REDOX d' OXIDACIÓ del FERRO METALL PROCÉS REDOX d' OXIDACIÓ del FERRO METALL per OXIGEN DE L’ATMOSFERA. per OXIGEN DE L’ATMOSFERA.
En la reacció d’oxidació del Ferro en ambient àcid ocorre el següent:
• El Ferro s’oxida (perd electrons). Actua com a AGENT REDUCTOR.
• L’Oxigen es redueix (guanya els electrons cedits pel Ferro). Actua com a AGENT OXIDANT.
AGENT OXIDANT
AGENT REDUCTOR
2 . 3 . - S è r ie e le c t r o q u ím ic a d e ls m e t a l ls . P i le s r e d o x .La sèrie electroquímica dels metalls ens indica quins metalls s’oxiden
més. Es pot trobar més informació a l’Annex-3.
La pila voltaica o pila electroquímica permet de produir corrent
elèctric a partir d’una reacció redox. Està formada per: - L’ànode és l’elèctrode en què es produeix l’oxidació. - El càtode és l’elèctrode en què es produeix la reducció. - Els electrons circulen de l’ànode al càtode pel conductor extern.
3.- Fenomen de la corrosió dels 3.- Fenomen de la corrosió dels metalls.metalls.3.1.- Procés de corrosió d’un metall.La corrosió és la transformació i destrucció dels elements metàl·licsiniciada a la seva superfície i que, amb el temps, pot arribar a afectara la totalitat de l’element. És un fenomen natural en el qualintervenen: La peça manufacturada. L’ambient.
3.2.- Factors que afecten a la corrosió d’un metall.3.2.- Factors que afecten a la corrosió d’un metall.
Els fenòmens corrosius es produeixen per corrosió directa o corrosió
electroquímica. Es poden agrupar en quatre grans blocs segons els
agents que les ocasionen: de tipus biològic. corrents erràtics. tensions acumulades. de tipus atmosfèric.
•De tipus biològics.De tipus biològics.
Consisteixen en bacteris que poden actuar alterant el pH del medi oproduint. Afecta principalment a les canonades metàl·liquessoterrades i és difícil de combatre.
•Corrents erràtics.Corrents erràtics.Les fuites de productes contaminants o explosions habituals a lleslínies de ferrocarril i torres elèctriques poden produir corrosió.S’utilitzen recobriments bituminosos per evitar-ho.
•Tensions acumulades.Tensions acumulades.Corrosió accelerada i triangular degut a les tensions mecàniquesexternes o internes. Especial atenció als llautons, on es pot evitar lacorrosió amb tractaments tèrmics.
•De tipus atmosfèric.De tipus atmosfèric.L’atmosfera conté la presència de partícules en suspensió a l’aire, d’elevats graus d’humitat i d’atmosferes marines o molt polucionades.
3.3.- Mètodes per evitar o retardar la corrosió 3.3.- Mètodes per evitar o retardar la corrosió d’un metall. d’un metall. Els materials estan exposats contínuament a diversos ambients
d’interacció material-ambient que provoquen la pèrdua o el
deteriorament de les propietats físiques. Els mecanismes de
deteriorament són diversos segons el metall, la ceràmica o el polímer.
El principal mitjà per prevenir la corrosió és la selecció de materials.
Hi han diversos tipus de protecció:
Protecció per recobriment. Protecció per capa química. Protecció catòdica. Corrents impreses. Inhibidors.
• Protecció per recobriment.Protecció per recobriment.a) Recobriments no metàl·lics:- Pintures i vernissos:s’intenta aïllar el metall de l’ambient.- Plàstics: resistents a l’oxidació i flexibles, però resisteixen poc al
calor. El més utilitzat és el PVC.- Esmalts i ceràmics: resisteixen a altes temperatures i desgasts.
b) Recobriments metàl·lics
- Immersió: Es recobreix el metall en un bany de metall fos i forma una fina capa protectora
- Electrodeposició: pas de corrent elèctric per dins d’una dissolució on el càtode tenim la peça a protegir. Per electròlisi sobre el metall es forma una capa d’un metall protector (zinc: galvanització).
• Protecció per capa química.Protecció per capa química.La reacció de peces amb un agent químic forma una capa protectora.Dos tipus:- Cromat: aplicació d’una solució d’àcid cròmic sobre el metall i
formació d’una capa d’òxid de crom - Fosfatació: aplicació d’una solució d’àcid fosfòric sobre el metall,
que forma una capa de fosfats protectora.
• Protecció per capa catòdica.Protecció per capa catòdica.Es situa el metall per a protegir com a càtode i un altre d’ànode, el
qual es sacrifica (es corroeix i destrueix) donant els seus electrons al
metall a protegir. S’utilitza en canonades subterrànies.
•Corrents impreses.Corrents impreses.S’utilitza un voltatge extern que para el flux d’electrons necessari per
a que la reacció de corrosió continuï.
•InhibidorsInhibidorsS’afegeixen productes químics al metall per a disminuir la velocitat de corrosió. Per exemple: sals de crom als radiadors dels cotxes.
3.4.- Acers inoxidables.3.4.- Acers inoxidables.Són aliatges de Ferro i d’una quantitat elevada de crom i níquel que fa quees creï una pel·lícula molt fina d’òxid de crom que el protegeix de la
corrosió.
Per tal de dur a terme la part experimental vaig escollir cinc metalls a tractar: Ferro Coure Alumini Plom ZincPer tal de mesurar la corrosió en els metalls esmentats vaig escollir diferents ambients: Intempèrie Atmosfera humida H2O dolça H2O salada Vinagre Coca-Cola Intempèrie amb vernís Atmosfera humida amb vernís H2O salada amb vernís Corrents elèctric Atmosfera contaminant
Part ExperimentalPart Experimental
Per tal de mesurar la corrosió dels diferents metalls en els diferents ambients escollits vaig utilitzar
11 peces de cadascun. Va ser un procés molt llarg i laboriós.
9 de les peces les vaig tenir durant dos mesos i setmanalment les eixugava, els hi canviava l’aigua, els hi treia la pols, etc. Posteriorment les pesava en a balança i recollia la massa de cada metall en unes taules que vaig crear per tal d’ordenar totes les dades obtingudes setmanalment. També vaig prendre fotos cada setmana a tots els metalls per veure el progrés de la corrosió de cadascun visualment.
Els metalls de corrent elèctric els vaig tenir durant quinze dies amb un corrent continu de 4’5 V, utilitzant el següent muntatge:
Els metalls en atmosfera contaminant van estar durant una setmana, dins de la campana de gasos del laboratori de l’institut , en vasos de precipitats tancats i amb metabisulfit sòdic, creant així un ambient contaminant de diòxid de sofre ( SO2).
Procés experimentalProcés experimental
Després d’haver recollit totes les dades vaig fer una gràfica, una taula de valors i el percentatge de corrosió de cada metall utilitzant l’Excel. Tot això, juntament amb les fotos que mostraven un clar progrés de les peces, vaig aconseguir extreure les conclusions del treball. Es pot consultar més informació a l’Annex-4. A continuació mostraré cada l’ambient més corrosiu de cada tipus de metall, i les taules les quals mostren tots els metalls i la seva evolució:
Tractament de les dades experimentalsTractament de les dades experimentals
BAIXA MODERADA ALTA
< 0,5 0,5 - 1,5 > 1,5
NOTA:* El t% de corrosió està expressat en valors positius (+), que indiquen un guany de massa, o valors negatius (-), que indiquen una pèrdua de massa.Els valors de conclusió de la corrosió de cada metall s’ha fet seguint aquest criteri de Nivells de Corrosió:
Atm.contaminant Gris, superfície rugosa Marques blanques -3,95 Corrosió alta
ZINC: Vinagre Gràfica Taula de Dades
Temps (set) Massa (g)
INICI 5,43
1ªSETMANA 4,15
2ªSETMANA 3,98
3ªSETMANA 1,51
4ªSETMANA 0,69
4ª Setmana 6ª Setmana
7ª Setmana
ZINCS EN DIFERENTS AMBIENTSZINCS EN DIFERENTS AMBIENTS
ZINC Aspecte inicial del
metall Aspecte final del
metall t% de corrosió* Conclusió
Intempèrie Gris metàl·lic,
superfície rugosa Gris metàl·lic,
superfície rugosa 0,32 corrosió baixa
Atm. Humida Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall opac 0,87 corrosió moderada
H2O dolça Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall blanc,
superfície aspra 1,65 corrosió alta
H2O Salada Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall força blanc,
superfície aspra 1,28 corrosió moderada
Vinagre Gris metàl·lic,
superfície rugosa Dos trossos petits -87,29 corrosió alta
Coca-Cola Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall marronós,
superfície enganxosa -1,72 corrosió alta
Intemp.vernís Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall parcialment
negre -0,51 corrosió moderada
Atm. Humida vernís Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall opac 2,92 corrosió alta
H2O salada vernís Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall opac i
enfosquit 1,28 corrosió moderada
Corrent elèctric Gris metàl·lic,
superfície rugosa Metall opac -0,51 corrosió moderada
Atm.contaminant Gris metàl·lic,
superfície rugosa Gris metàl·lic,
superfície rugosa -0,17 corrosió baixa
CONCLUSIONS FINALS DEL Treball CONCLUSIONS FINALS DEL Treball De Recerca “OXIDACIÓ-CORROSIÓ”De Recerca “OXIDACIÓ-CORROSIÓ”
Els 5 metalls estudiats presenten corrosió (alta, moderada i baixa) en tots els medis estudiats.
El medi més corrosiu és el Vinagre (medi àcid amb un pH= 2,44). S’ha comprovat que són eficaces les proteccions dels metalls (vernís,corrent elèctric
de baix voltatge), ja que la corrosió és molt menor. Cal evitar el fenomen de la corrosió dels metalls perquè té una gran importància
econòmica per a les empreses, organismes públics i particulars s’han de gastar molts diners en protegir totes les estructures metàl·liques per evitar el desgast que provoca. Per tant, tots els esforços que es facin per mirar de reduir aquest fenomen tenen una gran importància econòmica.
Finalment, la nostra hipòtesis de partida s’ha confirmat: els diferents paràmetres plantejats al principi del treball afecten, de forma diferent, a varis tipus de metalls utilitzats en el treball.
Valoració PersonalValoració PersonalHavent acabat el treball, faré la valoració personal:
En un principi, el tema em semblava que havia estat molt tractat en
altres treballs de recerca, la qual cosa em donava la sensació de que
no seria interessant i no em cridaria l’atenció.
Però, conforme ha anat passant el temps m’ha agradat més el treball
i han succeït coses en els experiments que m’han sorprès i m’han fet
veure que l’oxidació i la corrosió dels metalls és un tema molt
interessant i gràcies al qual he après molt sobre processos que
ocorren cada dia, que els considerem normals però que en realitat
són complexos i interessants d’observar.
AgraïmentsAgraïments- Pr. J.M. Aliaga Tomàs.- Pr. J.M. Aleu del Departament de Fabricació
Mecànica.- A la meva germana Andrea.- Als meus pares.- Als amics.