La oxidación del hierro

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Bien es sabido que los metales (algunos) al aire se oxidan y en ese proceso aparece una costra que llega a resquebrajar cualquier capa de pintura que tuviera encima. Esto se da mediante dos procesos distintos pero ligados uno al otro; uno es químico y el otro físico.
Para poder explicarlo se usará como ejemplo ilustrativo el hierro. Primero se verá la parte química, correspondiente a una oxidación electroquímica y posteriormente la física, con un cambio en la ordenación atómica.

 

Química: Oxidación

El hierro en contacto con el oxígeno del aire produce la reacción general siguiente:

Ánodo: 2 (Fe–> Fe3+)
Cátodo: 3/2 (O–> 2 O2-)

2 Fe0+3/2 O–> Fe2O3

Aunque esta oxidación tiene varios pasos intermedios, para el objetivo de este post es suficiente tener solo en cuenta el inicio y final de ella.

La facilidad conque se da la reacción anterior es debida al potencial de reducción del par Fe3+/Fe0=-0’33v  produciendo que el hierro tenga tendencia a oxidarse con el simple contacto con el aire, incrementándose si el ambiente es húmedo. Tan importante es este proceso de oxidación que tiene un elevado impacto económico; cerca del 5% de la producción de hierro se emplea en reponer el oxidado.

Para poder evitar la oxidación se emplean múltiples y variados métodos que intentan evitarla, o porl o menos ralentizarla. Pinturas y capas aislantes evitan ese contacto con el oxígeno del aire pero una simple rayadura o deterioro de la capa permite la oxidación extendiéndose esta  bajo la capa aislante cual infección.

 

Física: Ordenación atómica

El hierro metálico posee varios tipos de ordenaciones atómicas (formas alotrópicas) dependiendo desde la temperatura a la cual ha solidificado. Existes tres de estas formas; hierro-alfa con un empaquetamiento BCC (Cúbica centrada en el cuerpo). Hierro-delta  también BCC y el hierro-gamma con FCC (Cúbica centrada en las caras). Ambos empaquetamientos BCC tienen una ocupación del 68% del espacio del cubo que generan los átomos de los vértices y el FCC del 74%. Para entender mejor los empaquetamientos y como se realizan los cálculos en el post Cómo apilar bien pelotas, naranjas o incluso átomos se puede entender fácilmente.

Empaquetamiento BCC

La forma alotrópica usada industrialmente es la gamma por tener esta gran capacidad de formar soluciones sólidas por sus espacios interatómicos grandes. Puede llegar a disolver hasta un 2% de carbono, formándose así acero.

Al irse oxidando el hierro-gamma va cambiando de empaquetamiento ya que tiene que acomodar los nuevos átomos de oxígeno que se están agregando. El Fe2O3 posee una estructura llamada hexagonal compacta, la cual acomoda los átomos de hierro en 2/3 de los huecos formados entre capas superpuestas de oxígenos.

Tanto el empaquetamiento FCC como el hexagonal compacta poseen un porcentaje de ocupación del 74% en su celda unidad. La hexagonal compacta del Fe2O3 de los oxígenos debe introducir los átomos de hierro en los huecos, por lo que la celda unidad deberá aumentar de tamaño para poder acomodarlos.

 

El óxido

Con esto tenemos que tanto el aumento de tamaño, como el cambio del empaquetamiento es el causante de la aparición de las costras en el hierro que hacen disminuir ostensiblemente la dureza y resistencia del hierro metálico.

El hierro forjado sufre de este tipo de corrosión. La malla metálica si queda expuesta a los elementos puede oxidarse ostensiblemente e ir desmenuzando el hormigón a su alrededor con la consiguiente disminución de resistencia. El reciente accidente en Vigo pudiera tratarse de este proceso.

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