Corrosión

     Desde que el hombre comenzó a explotar los minerales y específicamente aquellos que por su naturaleza química requerían absorber energía para liberarlos del compuesto original, como es el caso de los metales, desde ese momento también descubrió la tendencia del metal en liberar esa energía para regresar a su estado inicial en forma de corrosión.

     La corrosión afecta de muchas formas, desde el punto de vista de presentación visual, así como también, desde el punto de vista estructural, en la construcción de piezas, equipo y maquinaria, cuyos esfuerzos a los que son sometidos pueden en determinado momento representar un riesgo y ser causa de destrucción, accidentes y en fin pérdida de todo tipo de recursos invertidos.

      De ahí que entender este fenómeno, conocer los medios donde se produce, los tipos y formas como se presenta, las alternativas de protección que existen para su control y mantenimiento preventivo son principalmente los motivos de estudio e investigación de este trabajo.

     La corrosión es un fenómeno natural que afecta en distinto grado a los metales, cuya esencia electroquímica implica la donación de electrones por el metal que se corroe, por lo tanto una determinación eléctrica de la tendencia del metal a donar electrones puede servir como criterio básico de la facilidad de la corrosión.

     En los ambientes corrosivos por las distintas variables que intervienen, ya sean químicas, físicas o mecánicas; no es posible encontrar un método único para solucionar los distintos casos de corrosión, por lo que a su vez se requiere disponer de distintos métodos anticorrosivos para prevenirla.  La corrosión no se puede evitar, más el objetivo principal está en controlarla, ya sea en el metal, en la interfase o en el medio ambiente corrosivo.

     Son muchos los métodos, para los distintos grados de protección que se pretenden; los cuales en grado de importancia están: el diseño evitando puntos sensibles de ataque en la estructura, utilizando recubrimientos protectores metálicos y no metálicos, especificando materiales resistentes a la corrosión, usando protección catódica, y alterando los medios por medio de inhibidores.

     En la protección por medio de recubrimientos ya sean metálicos o no metálicos (Galvanizado y Pinturas protectoras), el aspecto más importante radica en la preparación de las superficies para lo cual se han desarrollado normas de limpieza.

El grabado en metal es un proceso controlado de corrosión, donde la oxidación del metal ocurre en las líneas del dibujo hecho sobre el barniz. El proceso puede acelerarse mediante electrólisis, siguiendo el principio de sacrificio metálico.  Para este grabado se utiliza una placa de acero inoxidable, hierro o aluminio y se conecta al electrodo positivo de una fuente de corriente directa; el electrodo negativo se conecta a una placa de cobre y se utiliza agua con sal como electrolito.

La corrosión puede describirse en primer término como una reacción de oxidación, en realidad, la corrosión es la causa general de la alteración y destrucción de la mayor parte de los materiales naturales o fabricados por el hombre. Si bien esta fuerza destructiva ha existido siempre, no se le ha prestado atención hasta los tiempos modernos, como efecto de los avances de la civilización en general y de la técnica en particular, donde aproximadamente un 25% de la producción anual de acero es destruida por la corrosión.

La corrosión de los metales constituye el despilfarro más grande en que incurre la civilización moderna y que las roturas en los tubos de escape y silenciadores de los automóviles, la sustitución de los calentadores de agua  o boilers domésticos, a falla de un oleoducto del petróleo crudo, aparte de tener en cuenta el daño causado muchas veces irreversible, por las fugas de aceite derramado, así como el posible paro laboral de la refinería y los consiguientes problemas de desabastecimiento al público en general y lo que ello puede llegar a acarrear.    Nada metálico parece ser inmune a este tipo de acontecimientos.

LAS TUBERÍAS DE AGUA

La corrosión forma parte del diario vivir.  Pero por desgracia, hasta que sus efectos se hacen visibles nos damos cuenta de ello. Por ejemplo cuando existe la ruptura en una tubería de agua, al abrir la llave del agua, en vez de presentar su transparencia habitual tiene una cierta tonalidad o coloración obscura y al probarla, se percibe un sabor distinto, que se parece bastante a cuando nos llevábamos a la boca algunas monedas de cambio.  En esos momentos, ha empezado a romperse el material de la tubería galvanizada o el acero de la red del agua potable.

Al cabo de poco tiempo, al abrir la llave del agua caliente del lavabo, empieza a salir bastante turbia y rojiza, con gran cantidad de partículas en suspensión.  Algunas de éstas parecen ser de arcilla que estarían sedimentadas sobre la pared de las tuberías distribución y que se han incorporado al agua al pasar con presión por los conductos de agua.  Otras partículas más, tienen un aspecto gelatinoso y una coloración pardo rojiza (característica del hidróxido férrico).   Y cuando hacemos la misma comprobación con la llave del agua fría, sale limpia e incolora.

La aparición de lugares húmedos en las paredes o las goteras son una consecuencia inmediata.  Al inspeccionar con más detalle la zona en que ha aparecido la gotera, en algunas ocasiones existe la sorpresa de que la aparición de la humedad, que se creía era debida a la perforación de la tubería por el lado del agua, ha tenido lugar en cambio en la parte exterior del tubo.  Cuando el fontanero arreglar el tubo que presentaba la perforación,  se puede observar que el ataque perforante provenía del exterior, pero el responsable de la desperfecto en la tubería, no era el agua transportada, sino el material de construcción que se hallaba en estrecho contacto con el exterior del tubo.

Al analizar con más cuidado, se puede observar que la zona afectada coincidía con la existencia de "restos" de yeso que por descuido pusieron los albañiles en la tierra durante la etapa de fijación de los tubos.

El yeso (CaSO₄), tiene la particularidad ser corrosivo por sí mismo frente a materiales metálicos como el hierro y el acero galvanizado, es higroscópico, (absorbe el agua), por lo cual tiene bastante tendencia a captar y retener la humedad y con estas reacciones prosigue la corrosión hasta sus últimas consecuencias.

LA LAVADORA AUTOMÁTICA

Otro caso de corrosión que se presenta con frecuencia es en la lavadora automática.  Cierto día, al hacer funcionar la máquina lavadora, se escucha que hace algunos ruidos extraños.  Al inspeccionar detenidamente, se encuentra con la sorpresa de que el tambor, con tiene una fisura.  No había ni rastro de herrumbre, solamente unos ruidos extraños.

El tambor, a pesar de ser de acero inoxidable, sufrió un cierto tipo de corrosión, conocido por los especialistas como corrosión fisurante, precisamente por el tipo de daño provocado que es imperceptible hasta que se produce la falla.

LOS AUTOMÓVILES

En los autos, la corrosión empieza con unas pequeñas manchitas y picaduras minúsculas en la defensa del carro, que si bien no afectan su resistencia mecánica, sí estropean su presentación.  Luego, es posible que se localicen puntos aislados de ataque en las partes cubiertas por molduras que iban fijas en agujeros de la carrocería; cada vez que lavamos el carro se  observa la acumulación de herrumbre que sale de debajo de tales molduras.

Éste efecto de agentes corrosivos sobre la carrocería se agrava en las zonas costeras, por la influencia de la brisa marina que llega a ponerse en contacto  gotitas cargadas de cloruro de sodio (NaCl).  La corrosión aumenta con el grado de humedad y la temperatura, el contenido de gases sulfurosos en la atmósfera.  Por ello, frecuentemente se pueden ver en ciudades costeras e industriales un verdadero enjambre de auténtica chatarra rodante.

CONSTRUCCIONES DE CONCRETO

Cualquier buen observador puede haber notado, en las grandes ciudades o en las zonas costeras, la aparición de manchas de herrumbre en las estructuras de concreto, por ejemplo, en un estacionamiento subterráneo, un puente o en los postes de las líneas de distribución de corriente eléctrica.

Estas estructuras están reforzadas interiormente con varillas de acero, las cuales se cubren de concreto (mezcla de cemento Portland, arena, agua y agregado de pH alto, aproximadamente 12) con el objeto de proporcionar una adecuada resistencia mecánica a la estructura.  En condiciones normales de una atmósfera limpia, no debe ocurrir nada que afecte a la estructura, ya que el concreto es un medio perfectamente compatible con el acero, precisamente por el alto valor del pH.  Sin embargo, debido a su propia constitución, el concreto contiene una gran cantidad de poros, los cuales pueden estar interconectados y son permeables a líquidos y gases.  Esto es de gran importancia para el proceso de corrosión del acero de refuerzo, pues tanto el oxígeno como el agua pueden difundirse hacia el acero a través de la estructura de concreto.  Por ejemplo, cuando está en frecuente contacto con agua de mar, a través de la propia porosidad del concreto la sal puede llegar a las varillas de acero.

LA CORROSIÓN DE ENVASES METÁLICOS PARA CONSERVAS

Cuando guardamos una lata de conserva de alimentos durante mucho tiempo, podemos tener la sorpresa de encontrarlo con un hinchamiento anormal, de tal manera que la desechamos.  Esta deformación abombada es debida a la acumulación de gas hidrógeno y es una manifestación extrema de la corrosión.  Significa el final de la vida útil de la conserva y ocurre, por lo general, tras un prolongado período de almacenamiento.

Las consecuencias prácticas de la corrosión, que afectan tanto al envase como al producto envasado, incidiendo más o menos desfavorablemente sobre la calidad de la conserva, como: En los cambios de los atributos sensoriales (color, olor, sabor), y características nutritivas del producto envasado; (desestañado de la hojalata con pérdida de su aspecto brillante, o bien un desestañado intenso localizado en los envases barnizados, que puede originar el rechazo del consumidor por presentación inadecuada); (incorporación de iones metálicos, como estaño (SN⁺²), hierro (Fe⁺²) y plomo Pb⁺²), al producto envasado).

Los materiales de uso más frecuente en la fabricación de los envases son el aluminio, hojalata latas cromadas, aunque la hojalata sigue siendo el material de mayor utilización.

LA CORROSIÓN ELECTROQUÍMICA

En presencia de un medio acuoso, la corrosión es de naturaleza electroquímica.  Tal corrosión es un proceso espontáneo que denota la existencia de una zona anódica (que sufre la corrosión), una zona catódica y un electrolito, siendo imprescindible la presencia de estos tres elementos para que este tipo de corrosión pueda existir (se requiere asimismo de contacto eléctrico entre la zona anódica y la catódica).

El término ánodo se emplea para describir aquella porción de una superficie metálica en la que tiene lugar la corrosión (disolución) y en la cual se liberan electrones como consecuencia del paso del metal en forma de iones, al electrolito. La reacción que sucede en el ánodo, por ejemplo para el caso del zinc, es una reacción de oxidación:

Zn°  ---->  Zn ⁺² (electrolito) +   2e^-

Como los electrones, en un conductor metálico, se mueven en sentido compuesto al convencional, en el ánodo la corriente eléctrica sale del metal para entrar a la solución. El término cátodo se aplica a la porción de una superficie metálica en la cual los electrones producidos en el ánodo se combinan con determinados iones presentes en el electrolito.

Las reacciones catódicas más comunes en presencia de agua son:

2H⁺ + 2 e^- --->  H₂ (g)

O_2(g) + 2 H₂O + 4 e^---->   4 OH^— (medio alcalino)

O_2(g) + 4 H⁺ + 4 e^---->   2 H₂O (medio ácido) 

Básicamente todos los métodos que existen para lograr controlar la corrosión de los materiales metálicos, son intentos para interferir con el mecanismo de corrosión, de tal manera que se pueda hacer que éste sea lo más ineficiente posible. Por ejemplo, disminuyendo el flujo de electrones entre los componentes metálicos de la celda de corrosión por el aumento de la resistencia eléctrica del metal, de alguna manera disminuiría la corriente de corrosión y, por tanto, la velocidad de corrosión. Esto generalmente no se practica, pero disminuir el flujo de corriente en el componente electrolítico de la celda de corrosión produciendo el mismo efecto, y esto sí es practicable.

RECUBRIMIENTOS PROTECTORES

Estos recubrimientos se utilizan para aislar el metal del medio agresivo.  En primer lugar existen recubrimientos metálicos y no-metálicos que se pueden aplicar al metal por proteger, sin una modificación notable de la superficie metálica.

Recubrimientos no-metálicos: Como las pinturas, barnices, lacas, resinas naturales o sintéticas., grasas, ceras, aceites, empleados durante el almacenamiento o transporte de materiales metálicos ya manufacturados y que proporcionan una protección temporal.

Recubrimientos orgánicos de materiales plásticos: Esmaltes vitrificados resistentes a la intemperie, al calor y a los ácidos.

Recubrimientos metálicos: Pueden lograrse recubrimientos metálicos mediante la electrodeposición de metales como el níquel, zinc, cobre, cadmio, estaño, cromo, entre otros.

Inmersión en metales fundidos: Zinc (galvanización en caliente), aluminio (aluminizado), etc.

Proyección del metal fundido mediante una pistola atomizadora. Metalizaciones al zinc, aluminio, estaño, plomo, etc.

Reducción química (sin paso de corriente): electroles. Por ese procedimiento se pueden lograr depósitos de níquel, cobre, paladio, etc. Recubrimientos formados por modificación química de la superficie del metal. Los llamados recubrimientos de conversión consisten en el tratamiento de la superficie del metal con la consiguiente modificación de la misma.  Entre las modificaciones químicas de la superficie del metal podemos distinguir tres tipos principales:

Recubrimientos de fosfato: El fosfatado se aplica principalmente al acero, pero también puede realizarse sobre zinc y cadmio.  Consiste en tratar al acero en una solución diluida de fosfato de hierro, zinc o manganeso en ácido fosfórico diluido. Los recubrimientos de fosfato proporcionan una protección limitada, pero en cambio resultan ser una base excelente para la pintura posterior.

Recubrimiento de cromato. Se pueden efectuar sobre el aluminio y sus aleaciones, magnesio y sus aleaciones, cadmio y zinc.  Por lo general, confieren un alto grado de resistencia a la corrosión y son una buena preparación para la aplicación posterior de pintura.

Recubrimientos producidos por anodizado. El anodizado es un proceso electrolítico en el cual el metal a tratar se hace anódico en un electrolito conveniente, con el objeto de producir una capa de óxido en su superficie. Este proceso se aplica a varios metales no-ferrosos, pero principalmente al aluminio y a sus aleaciones. Proporciona una buena protección y también resulta un buen tratamiento previo para la pintura posterior.

Se pueden incluir también entre los recubrimientos con modificación de la superficie del metal los procesos de cementación.  En este proceso, se convierte la superficie externa de la porción metálica que se quiere proteger, en una aleación de alta resistencia a la corrosión.  El proceso consiste en calentar la superficie metálica en contacto con polvo de zinc (sherardizado), polvo de aluminio (calorizado) o un compuesto gaseoso de cromo (cromado). Se obtienen capas de un considerable espesor.

Serie electromotriz

 En 1780 el italiano Luis Galvani,  realizó un experimento en los músculos de las ancas de una rana recién muerta, observando que éstos se contraían y pataleaban al tocarlos con las barras de metal de distintos tipos.  Alejandro Volta (de 24 años) poco tiempo después descubrió que la causa de la contracción muscular en las ancas de la rana se percibía con el paso de una corriente eléctrica producida por dos metales distintos; además investigó la forma de producir electricidad químicamente y en 1800, después de una amplia experimentación, inventó el dispositivo que se conoce actualmente como pila voltaica.  En el colocó una serie de pequeñas placas de plata y zinc, una arriba de la otra, separándolas con una tela humedecida de agua salada; produciendo de esta manera una corriente eléctrica, originando la primera pila eléctrica.  Luego la perfeccionó reemplazando las placas por los elementos cobre y zinc, sumergidos en una solución de ácido sulfúrico contenida en un recipiente.

En su diario Galvani menciona: "... Preparé una rana con una porción de la médula espinal separada del canal vertebral, dejando únicamente los nervios crurales conectados a las extremidades posteriores.  La preparación fue colocada sobre un cuadrado de vidrio. Con un conductor uní la médula espinal a una máquina electrostática y con otro conductor uní la máquina a la parte aislada de otro cuadrado de vidrio.  Después gire la máquina electrostática y levanté, con un aislante, el conductor que iba a la médula espinal y lo apliqué a la parte inferior del vidrio que tenía la cubierta aislante, a la vez que el otro lado del arco tocaba la médula espinal.  Ello produjo numerosas contracciones musculares...".

Galvani llegó a la correcta conclusión de que la contracción de los músculos era debida los estímulos eléctricos y supuso que la corriente se originaba en los tejidos del animal como una especie de fluido.  Pero Volta demostró que el origen de la electrificación estaba en el contacto de los dos metales distintos, cobre y hierro, que se realizaba a través del músculo húmedo de la rana.  De acuerdo con esto Volta amplió el efecto del contacto. 

 Han pasado al derredor de 230 años desde aquellos días en que Volta y Galvani estaban enfrascados en una controversia en la que cada uno utilizaba los mismos hechos como apoyo a sus respectivas hipótesis.  Uno veía a la rana como fisiólogo y explicaba sus observaciones postulando la existencia de electricidad animal.  Para el otro, todo era un problema de física y consideraba a la rana como un simple electrómetro que servía para detectar la electricidad generada por los metales en contacto.  Los dos tenían razón por cuanto a los mecanismos involucrados en la generación de la electricidad, pero ambos estaban equivocados al suponer que estos dos mecanismos eran mutuamente excluyentes.

Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la  energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica

Cuando metales distintos están separados por un electrolito o una capa delgada de un gas, capaces de actuar sobre ellos, se establece entre dichos metales una diferencia de potencial. Los diversos metales pueden ordenarse en una serie, en la cual cada uno de ellos sea más electropositivo que los que le siguen.

     La serie electromotriz puede explicar cuantitativamente,  la tendencia y el porqué de una adherencia de cobre metálico sobre un clavo de acero cuando se sumerge el clavo en una solución de sulfato de cobre.  En este caso la fase noble la constituye el cobre que se encuentra en disolución y la activa o base el clavo de acero.  La serie nos indica que existe una diferencia de potencial, bajo condiciones estándar, entre el cobre y el hierro de 0.78 volts, siendo el hierro el metal con mayor tendencia a ionizarse.  De esta manera el cobre que está en solución como iones cobre, tomará los electrones liberados al formarse los iones hierro y pasará a depositarse como metal sobre el clavo.  Es decir, una vez más, fue la presencia de un par galvánico.

     EMPLEO DE LA SERIE ELECTROMOTRIZ

    Esta serie puede utilizarse en muchas  formas.

1. Determinación de la espontaneidad de las reacciones redox.

2. Completar y balancear las ecuaciones de reacción de sustitución sencilla

y clasificar el tipo de reacción. 

3. Cálculo de potenciales que se pueden obtener por la combinación adecuada de dos semireacciones.

Al explicar la fuerza electromotriz (FEM), se debe saber que:

Para poder suministrar corriente eléctrica, es necesaria la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos que sea capaz de bombear o  impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

 Una diferencia de potencia se puede usar para suministrar energía, y con ello sostener una corriente, en un circuito externo se llama fuerza electromotriz, (FEM) término acuñado por Volta  aunque se trata de una palabra equivocada, ya que no es una fuerza. 

 Prácticamente, la FEM es el voltaje medio entre las terminales de la fuente cuando No se toma corriente de ella ni se le entrega corriente. Es decir, la FEM es una acción no electrostática sobre las cargas en los conductores que da lugar a una separación de las cargas y que las hace permanecer separadas, siendo una magnitud que cuantifica una transferencia de energía ( de la pila a las cargas del circuito) asociada a un campo no conservativo y se mide en voltios. 

Como fuente de fuerza electromotriz se entiende cualquier dispositivo capaz de suministrar energía eléctrica dinámica, ya sea utilizando medios químicos, como las baterías, o electromecánicos, como ocurre con los generadores de corriente eléctrica

  

El Potencial Estándard de Reducción es la espontaneidad, o la tendencia a que sucedan reacciones redox entre dos especies químicas. Una reacción redox se puede suponer que es la suma de dos semirreacciones.  La celda voltaica al funcionar genera cierto voltaje. Su valor se determina al restar el potencial del ánodo del potencial del cátodo.  Así, el potencial de la pila (Eº) estará dado por la diferencia de los dos potenciales de electrodo:

Eº pila =  Eº reducción - Eº oxidación  o lo que es lo mismo.

FEM = Eº Celda = Eº cátodo - Eº ánodo

Es necesario aclarar que el “potencial de electrodo” es la carga electrostática que tiene un electrodo, y el “potencial de reducción” es la carga electrostática que tiene un electrodo asociado a una reacción de reducción. Se que produce por la reacción de la celda que no está en equilibrio.

La información contenida en esta serie electromotriz, representa simplemente la tendencia termodinámica (el potencial) de los varios sistemas ahí en lista destinados a corroerse. Cuanto más negativo sea el valor de potencial E°_H mayor será la tendencia a la corrosión.

 

Potenciales estándar (reducción) en solución acuosa a 25 ^oC.

 

 

Potenciales estándar (reducción) en solución acuosa a 25 ^oC.

 

Pilas

En términos generales las pilas son dispositivos que producen energía eléctrica a partir de energía química con reacciones tipo redox que se desarrollan espontáneamente.

Todas las pilas contienen principalmente un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito que puede ser líquido, sólido  (o en pasta). Al conectar los electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se produce una corriente eléctrica.

Aquellas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía ha sido consumida, se denominan pilas primarias o voltaicas. Las pilas en las que el producto químico puede ser reconstituido se llaman pilas secundarias o acumuladores.

Las palabras ánodo y cátodo ha veces son confusas ya que el ánodo se refiere al polo positivo y todos los aniones (iones negativos) se desplazan hacia él que se descarga de forma selectiva, mientras que el cátodo es el polo negativo, porque los cationes (iones positivos) se mueven hacia él para ser selectivamente descargados. 

 

Mientras tanto, para las pilas voltaicas o generadores electroquímicos (pilas o baterías), el ánodo y el cátodo tienen distinta polaridad que en las celdas electrolíticas, o sea, el ánodo es el polo negativo, mientras que el cátodo es el polo positivo.  Esto se debe a la teoría que afirma que todos los ánodos son los terminales que se someten a la oxidación o la liberación de electrones, y todos los cátodos son los terminales que se someten a la reducción.

 

La pila primaria comúnmente es una pila seca y en la actualidad es una versión mejorada y menos costosa que se utiliza de manera similar a la original.  En ella el electrolito es una pasta disuelta en agua que consiste en una mezcla de cloruro de amonio (NH₄Cl) y cloruro de zinc (ZnCl₂).  El electrodo negativo es de zinc, igual que la parte exterior de la pila, y el electrodo positivo es una barra de carbono (grafito) rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso IV (MnO₂). Esta pila produce una fuerza electromotriz de alrededor de 1.5 voltios que le dan la capacidad de ser utilizadas en aparatos de control remoto, linternas, relojes, o radio-transistores, siempre que el consumo de energía no sea demasiado grande.

Las reacciones químicas que se presentan son:

1. El zinc (electrodo negativo) es oxidado según la siguiente semireacción. 

Polo Negativo - (Ánodo - Oxidación):

 2. El electrodo positivo es el dióxido de manganeso 

Polo Positivo + (Cátodo - Reducción):

Las reacciones secundarias que se presentan y el agotamiento de las sustancias químicas activas aumentan la resistencia interna de la batería, provocando que la fuerza electromotriz disminuya.  Las pilas de zinc-carbono son muy propensas a fugas porque el ánodo es el contenedor y se deteriora durante su uso ya que cuando la pila se ha utilizado durante un cierto tiempo, el contenedor de zinc se vuelve más delgado, porque el metal de zinc se oxida a iones zinc (2⁺) solubles y el cloruro de amonio que hay dentro de la pila reacciona con el zinc. Al ocurrir esto, el contenedor de zinc se adelgaza; el cloruro de zinc comienza a salirse de la batería.  Una pila de este tipo no debe dejarse dentro del dispositivo eléctrico pues puede dañarlo.  Al establecerse fugas, la pila se vuelve pegajosa a causa de la pasta húmeda que se escapa a través de los agujeros en el recipiente de zinc o por el cierre con la tapa superior.

La vida útil de éste tipo de pilas o baterías es alrededor de 1.5 años.

Una tecnología llamada OLED.

Diodo Orgánico Emisor de Luz (OLED por sus siglas en inglés)  Organic Light Emitting Diode.  Esta basado en substancias que contienen gran cantidad de carbonos, como el azúcar, la madera y la mayoría de los plásticos.  

Un LED (Light Emitting Diode), es el encargado de convertir la electricidad en luz.

Un OLED son varias capas, una de material orgánico en medio de dos diodos, un ánodo y un cátodo y este conjunto va entre una placa de vidrio arriba (sello) y otra placa de cristal (sustrato).  Cuando la corriente eléctrica se aplica a los dos conductores, una luz brillante, electro-luminiscente se produce directamente desde la materia orgánica.  

Recibe el nombre de AM OLED = Matriz activa de dispositivo OLED.

Los colores que se producen son puros cuando se estimula el pixel adecuado en la matriz principal que se organiza con los pixeles de colores básicos, rojo, verde y azul sobre un circuito impreso. El espesor de esta capa orgánica se ajusta para producir la luz más intensa en cada uno de los colores básicos sin necesitar de un polarizador.  Es por ello que los colores resultantes son tan puros.

Todas estas características hacen del OLED un producto muy esperado por las empresas de pantallas, ya que además de ser fáciles de fabricar se consiguen dispositivos mucho más delgados y ligeros que los obtenidos con tubos catódicos de tecnología CRT.  Frente a las pantallas LCD ofrece la ventaja de poder ser vista desde cualquier ángulo a parte de no necesitar luz de fondo.  Y la última y no por ello menos importante, el consumo eléctrico es muy bajo.

Las futuras tecnologías basadas en el OLED podrán ofrecer en el futuro pantallas de solo un milímetro de grosor pudiendo tener pantallas tan grandes como las antiguas pantallas de cine de 8mm o incluso toda la pared, y se podrán usarlas como pantallas de computadora, videojuegos, televisión, en anuncios publicitarios, teléfonos móviles, lap tops y cualquier sistema de comunicación.

 

Pilas secundarias

Pila secundaria o acumulador: se utiliza en aparatos de motor y automóviles.  Puede recargarse revirtiendo la reacción química.  Es una batería de plomo y ácido de las más utilizadas en la actualidad.  Esta batería contiene entre tres y seis pilas conectadas en serie, camiones, aviones y otros vehículos. Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo. Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrolito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrolito produciendo nuevamente sulfato de plomo.

 

En los acumuladores se proporciona energía eléctrica desde una fuente exterior que se almacena en forma de energía química.  La reacción química de este tipo de pilas  es secundaria y reversible, es decir, se produce en un sentido cuando se carga la pila, y en sentido opuesto cuando se descarga. Por ello, una pila secundaria puede descargarse una y otra vez.

Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo. Al recargar la pila, las reacciones químicas descritas anteriormente se revierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Produce unos 2 V por pila. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años.

Redox ambiente, industria, seres vivos

Entre los 20 y 50 km por encima del nivel del mar, está comprendida la zona de la atmósfera donde se concentra casi todo el ozono atmosférico, por ello es común llamarle “la capa de ozono”.  Las concentraciones de ozono en esta capa llegan a ser alrededor de entre 5 y 10 partes por millón (ppm), pudiendo parecer pequeña, pero si se tuviera ésta concentración a nivel de la superficie terrestre, ocasionaría graves daños a los seres vivos.  Ahora bien, dada la altura donde se ubica la capa de ozono resulta de primordial importancia a la humanidad ya que sirve como filtro para las peligrosas radiaciones ultravioletas del Sol. 

La formación de ozono, es un ejemplo de reacción red-ox donde por efecto de la luz ultravioleta se rompe la molécula de oxígeno para dar lugar a dos radicales libres.

Alrededor del 90% del ozono está contenido en la estratosfera mientras que el 10% restante está localizado en la troposfera que es la parte más baja de la atmósfera donde ocurren todos los fenómenos climáticos.  Este ozono troposférico es peligroso para los seres vivos al formar parte del denominado smog fotoquímico principalmente en áreas urbanas.

  En el proceso de destrucción del ozono las moléculas absorben la radiación ultravioleta rompiendo el O₃  en moléculas y átomos libres de oxígeno.

Ahora bien, el problema de la ruptura de la capa de ozono es otra cosa.  Alrededor del año 1985 se reveló un importante adelgazamiento en la capa de ozono sobre la Antártica, y posteriormente se comprobó un fenómeno similar sobre el Polo Norte.   

De esta forma se descubrió que el ozono se ha estado destruyendo paulatinamente debido a la contaminación antropogénica.  La principal causa la contaminación es debida a ciertos compuestos fluorocarbonados presentes en los aerosoles (sprays), sistemas de aire acondicionado y refrigeración, originados por la actividad industrial de los seres humanos.  La destrucción del ozono se produce cuando ésta molécula se separa normalmente en sus radicales libres, pero por desgracia debido a la contaminación ambiental, la misma radiación ultravioleta hace reaccionar las moléculas de cloro de los gases emitidos por los sprays que contienen clorofluorocarbonos; para combinarse con las moléculas de ozono destruyendo así los radicales libres que se combinan con los halógenos formando compuestos diferentes al oxígeno ya que los halógenos son mucho más reactivos que el O₂ impidiendo la formación de oxígeno nuevamente en la capa de ozono.  Este proceso tan dañino, es capaz de destruir hasta 100.000 moléculas de ozono por cada átomo de cloro y sólo se detendrá cuando el átomo de cloro se mezcle con algún compuesto químico que lo neutralice.

En 1987 los científicos insistieron ante las autoridades gubernamentales mundiales (de 191 países), durante el Protocolo de Montreal, a tomar las medidas necesarias para solucionar este grave problema y que se podría cerrar el hueco de la capa atmosférica en los próximos 50 años sólo si todos los países del mundo cumplieran este acuerdo evitando la emisión de clorofluorocarbonos.  Se considera que la mayor parte de los países cumplieron con los objetivos de este tratado  Debido al alto grado de aceptación e implementación, el tratado ha sido considerado como un ejemplo excepcional de cooperación internacional.  El tratado fue ajustado mediante varias enmiendas (1990 de Londres; 1992 de Copenhague; 1995 de Viena; 1997 de Montreal). La capa de ozono registra “una progresiva pero lenta recuperación” por lo que habrá que esperar hastael año 2050 para alcanzar los niveles anteriores a los años ochenta.

El agua influye en los procesos red-ox de los suelos al modificar la distribución del aire en el suelo,  por ello la difusión del oxígeno y la concentración de dióxido de carbono se altera.  La principal materia reductora del suelo, bajo un buen drenaje, resulta ser la materia orgánica, ya que se incorpora de forma reducida al suelo, elementos tales como O, C, N, S, Fe, Mn y Cu;  alterando los minerales del suelo y repercutiendo en su actividad biológica para el crecimiento de las plantas, modificando el pH y el color.  En el caso de algunas industrias, los lugares aledaños de la estructura del edificio en sí, pueden llegar a presentar contaminación del suelo debido a productos de deshecho, afectando de esta manera con otros elementos, tales como el selenio y cromo. 

Con los recientes sismos de 7.9, 8.8 y 8.9 grados en la escala de Richter y las más de 150 réplicas, así como con el posterior tsunami ocurridos en Japón el 11 de marzo 2011; los ingenieros de la empresa Tokyo Electric Power Co. (TEPCO), indican haber localizado una grieta de 20 cm en el muro de una fosa de concreto próxima al reactor 2 de la planta nuclear de Fukushima, con una filtración de radiación al mar que podría generar la peor crisis nuclear desde Chernobil en 1986.  

TEPCO intentará cubrir la grieta utilizando un polímero en polvo altamente absorbente en las tuberías ya que el proyecto por cubrir la grieta con hormigón, ha fallado debido a que la presencia continua de agua impide su solidificación.

Existe una alerta de radiación luego de detectarse en las algas marinas un nivel 126.7 veces mayor de los estándares permitidos por el gobierno del isótopo de yodo (I₁₃₁). Así mismo según los monitoreos realizados; el cesio encontrado (Cs₁₃₇) es 16.5 veces más alto de lo reglamentario.  Las partículas radioactivas están dispersas en el mar de Japón, sin embargo se cree que no llegaran a afectar a los peces de aguas profundas debido a la gran dilución del agua.

 

Por otra parte, tanto en la atmósfera como en la hidrosfera  el CO₂ es un gas con una concentración ligeramente mayor al 0.03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO₂ se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el dióxido de carbono se renueva en la atmósfera cada 20 años.

Cuando los seres vivos realizan la oxidación de los alimentos se produce CO₂. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces y hojas de las plantas y los organismos del suelo.  Los productos finales de la oxidación de alimentos son CO₂ y vapor de agua.  Las plantas verdes toman el CO₂ del aire y por medio de la reacción de fotosíntesis lo transforman en oxígeno liberándolo.  Este proceso se realiza diariamente en todo el mundo, por ello no es posible imaginar la cantidad de CO₂ empleado en éste tipo de reacción.  En la medida de que el CO₂ es consumido por las plantas, también es remplazado a través de la respiración de los seres vivos, por la descomposición de la materia orgánica y como producto final de combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc.

Los seres vivos acuáticos toman el CO₂ del agua ya que la solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la que tiene en el aire.

Las reacciones de redox en los seres vivos

Los procesos en los que tiene lugar la transferencia de electrones o de protones son cruciales en el metabolismo celular.  Los seres vivos obtienen la mayor parte de su energía libre a partir de la oxidación de carbohidratos, grasas y ciertos aminoácidos.

Para entender la síntesis de ATP (adenosín tri fosfato) es el de energía libre que cuantifica la cantidad de energía disponible para efectuar trabajo. Cualquier reacción química , tenga ésta lugar en una célula o no ocurre sólo en la dirección de menor energía libre .  La síntesis de ATP es el de energía libre que cuantifica la cantidad de energía disponible para efectuar trabajo.  Cualquier reacción química, tenga ésta lugar en una célula ocurre sólo en la dirección de menor energía libre y aproximadamente el 40% de la energía libre desprendida por la oxidación de la glucosa se conserva en la conversión de ADP a ATP.

La respiración celular es una sucesión de reacciones químicas que ocurren dentro de la célula  permitiendo así la obtención de energía, a partir de los alimentos, que para incorporarse al ciclo de Krebs ser descompuestos previamente en pequeñas unidades denominadas grupos acetilo que a su vez se combinan con cuatro moleculas de carbono formando el oxalacetato que da lugar a la formación del ácido cítrico, produciendo CO₂, H₂O y energía.  Tiene lugar en distintas fases, pero la mayor cantidad de nucleótidos con valor energético se obtiene en la fase de la llamada respiración celular o ciclo de Krebs, aunque también se le conoce como ciclo del ácido cítrico o de los ácidos tricarboxílicos.

Consultar:  http://recursostic.educacion.es/ciencias/biosfera/web/alumno/2bachillerato/Fisiologia_celular/contenidos4.htm

  

Reacciones de oxidación reducción

En la vida cotidiana, las reacciones químicas se pueden observar en las transformaciones de la materia.  Como evidencia de ello existen: los cambios de color, los precipitados, la producción de gas o de calor.

Muchas ecuaciones químicas implican transferencia de electrones entre las substancias donde una de ellas se oxida y la otra se reduce.  Aunque la mayoría de las ecuaciones se pueden balancear a simple vista o con varios intentos de “tanteo”, un sin número de ellas requiere el procedimiento adecuado de oxidación – reducción.

Por OXIDACIÓN se entiende la pérdida de electrones en un átomo o en un ión, es decir, su número de valencia aumenta.

La REDUCCIÓN se interpreta  por la ganancia de electrones en un átomo o en un ión, es decir, su número de valencia disminuye.

De acuerdo al comportamiento que presenten las sustancias en una reacción, se pueden considerar como:

AGENTE OXIDANTE.-  Es aquel capaz de causar oxidación debido a que tiene algún elemento con tendencia a ganar electrones (es decir, se reduce).

AGENTE REDUCTOR.- Es aquel que provoca la reducción debido a que tienen algún elemento con tendencia a ceder electrones (es decir, se oxidan). 

Nótese que se cruzan los términos, es decir, la substancia que se reduce será el agente oxidante y la substancia que se oxida será el agente reductor.

En el balanceo de ecuaciones,  siempre se debe ajustar el número de átomos de reactivos y productos, colocando un coeficiente a la izquierda de los reactivos o de los productos con el fin de igualar los átomos en ambos lados de la ecuación, y así mantener la Ley de la conservación de la materia dictada por A.L. Lavoisier.

Para balancear una ecuación se debe tomar en cuenta que se cumpla con la ley de la conservación de la materia, es decir, buscar la igualdad entre los átomos tanto de reactivos como de productos mediante los coeficientes escritos antes de las fórmulas que indiquen el número de moléculas de cada sustancia.

Es indispensable tomar en cuenta que los coeficientes afectan a todos los subíndices de los átomos y que éstos subíndices nunca deberán alterarse.

Para determinar el número de oxidación de los elementos recuerde seguir las reglas que ayudarán a conocer con precisión el número de oxidación con que “trabaja” un elemento determinado:

1. El número de oxidación de cualquier elemento libre (o que se encuentre solo en la ecuación) es cero

2. El número de oxidación del Hidrógeno siempre será (H⁺¹) a excepción de los hidruros metálicos que es (H^-1).

3. El número de oxidación del Oxígeno es (O^-2) excepto en los peróxidos que es (O^-1).

4. El número de oxidación de los metales alcalinos (Grupo I A) es positivo e igual al número del grupo al que pertenece (Li⁺¹, Na⁺¹, K⁺¹, Rb⁺¹, Cs⁺¹, Fr⁺¹ )

5. El número de oxidación de los metales alcalinotérreos (Grupo II A) es positivo e igual al número del grupo al que pertenece (Be⁺²,  Mg⁺²  Ca⁺²,  Sr⁺²,  Ba⁺²,  Ra⁺²).

5. El número de oxidación de un ión, es igual a su carga.

6. La sumatoria de los números de oxidación de TODOS los átomos de un compuesto, es igual a cero.

En el balanceo de ecuaciones por el método red-ox se presentan los siguientes pasos:

1. Se escriben los números de oxidación de cada uno de los elementos que intervienen en la ecuación.

2. Se descartan los elementos que no hayan cambiado.

3. Se indican los elementos con las valencias que se han modificado, en una semireacción.

4. Se indican los números de los electrones ganados o perdidos involucrados para balancear la semirreacción.

5. Se multiplican en forma cruzada las semireacciones por los coeficientes obtenidos de los electrones, de tal manera que al sumarse se cancelen los electrones anotados y si es posible, se simplifican estos coeficientes.

6. Los coeficientes se agregan a las sustancias que hayan cambiado en su número de oxidación y luego se sigue el método de balanceo por tanteo.

NOTA: Es importante tomar en cuenta que cuando en los productos exista algún elemento diatómico, la cantidad de electrones que se oxide o reduzca se deberá multiplicar por dos.