Óxido en el acero: Por qué se produce y formas eficaces de eliminarlo

El acero es parte integrante de nuestra vida cotidiana y de nuestra producción, pero la cantidad de acero que se pierde cada año en el mundo debido a la oxidación es inmensa. De ahí la importancia de proteger el acero de la corrosión.

¿Cuál es el principio de la oxidación del acero?

Podemos explorar esto mediante un pequeño experimento, como se muestra en la figura siguiente: En el primer tubo de ensayo, añadimos una pequeña cantidad de cloruro cálcico (que absorbe el vapor de agua del aire, desempeñando un papel desecante), e introducimos un clavo, sellando el tubo de ensayo herméticamente.

En el segundo tubo de ensayo, introducimos un clavo, lo sumergimos en agua destilada hervida y enfriada rápidamente y, a continuación, vertemos aceite vegetal para formar una capa de aceite en la superficie del agua.

En el tercer tubo de ensayo, introducimos un clavo y añadimos una pequeña cantidad de agua destilada para que parte del clavo quede sumergido. Observamos y registramos regularmente los fenómenos en los tres tubos de ensayo durante una semana.

A partir de los resultados del experimento, podemos ver que los clavos de la primera y la segunda probeta no se oxidaron, pero el clavo de la tercera probeta sí se oxidó y apareció un óxido marrón rojizo en la superficie del clavo. Esto demuestra que la oxidación del hierro requiere la participación de agua y oxígeno.

El proceso de corrosión de los productos de hierro y acero es una reacción química compleja. El óxido, normalmente de color marrón rojizo, adopta diferentes formas en diversas condiciones. Se compone principalmente de óxido de hierro (III) hidratado (Fe2O3-nH2O) e hidróxido de hierro (III) [Fe(OH)3]. La estructura suelta del óxido en la superficie del acero no impide que el hierro interno se exponga al oxígeno y al vapor de agua, lo que en última instancia provoca la oxidación completa del hierro.

¿Sabes cómo quitar el óxido de una superficie de hierro?

Los métodos habituales de eliminación del óxido se dividen en dos categorías: físicos y químicos. Los métodos físicos suelen emplear técnicas abrasivas, como papel de lija, muelas abrasivas, cepillos de alambre de acero y lana de acero para eliminar el óxido. Los métodos químicos implican una reacción entre un ácido y el óxido, con el propósito de eliminar el óxido.

De hecho, mantener los productos de acero aislados del agua y el oxígeno puede evitar la oxidación. Por lo tanto, el método más sencillo para evitar la oxidación es mantener una superficie limpia y seca en los productos de acero. También se puede evitar la oxidación formando una capa protectora en la superficie, utilizando aceite, pintura, esmalte o revestimiento plástico.

En la vida cotidiana, medidas como la pintura se aplican con frecuencia sobre objetos como carrocerías y cubos, mientras que las máquinas requieren un recubrimiento de aceite mineral.

Además, se pueden utilizar métodos como la galvanoplastia o el revestimiento por inmersión en caliente para aplicar una capa de metal resistente a la oxidación, como zinc, estaño, cromo o níquel, sobre la superficie de acero. Estos metales crean una densa capa de óxido que impide que el hierro se oxide aislándolo del agua y del aire.

Además, el acero puede alearse para alterar su estructura interna, por ejemplo, añadiendo cromo o níquel al acero ordinario para producir acero inoxidable, lo que mejora eficazmente la resistencia a la oxidación de los productos de acero.

Los desoxidantes habituales en la vida cotidiana contienen principalmente ácido clorhídrico y ácido sulfúrico diluido, que pueden reaccionar con el óxido de hierro. Las ecuaciones de reacción son:

Fe₂O₃+6HCl=2FeCl₃+3H₂O
Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

Los eliminadores de óxido penetran en la superficie del acero a través de grietas en las capas de óxido e impurezas, haciendo que estas capas se disuelvan y se desprendan, eliminando así el óxido, las impurezas y la piel de óxido de la superficie del acero. Sin embargo, los ácidos tienen propiedades corrosivas, por lo que es necesario llevar ropa protectora durante la eliminación del óxido.

Además, la reacción entre el ácido y el hierro produce hidrógeno, que puede explotar si se expone a llamas abiertas, por lo que está estrictamente prohibido fumar durante las operaciones de eliminación de óxido.

Tanto el ácido clorhídrico como el ácido sulfúrico diluido pueden reaccionar con el óxido de hierro, pero ¿cuál es mejor para la eliminación industrial del óxido?

Las principales consideraciones son la eficacia de la eliminación del óxido, el coste de producción del ácido, el transporte y almacenamiento del ácido, y la seguridad y protección del medio ambiente.

¿Qué es más eficaz para eliminar el óxido, el ácido clorhídrico o el ácido sulfúrico? Al colocar clavos oxidados en volúmenes y concentraciones de iones de hidrógeno iguales de ácido clorhídrico y ácido sulfúrico, descubrimos que el ácido clorhídrico es más eficaz para eliminar el óxido. Los experimentos también muestran que, en igualdad de condiciones, la velocidad de reacción del ácido sulfúrico diluido con los óxidos metálicos es más lenta que la del ácido clorhídrico.

Entonces, en términos de producción, transporte y uso seguro, ¿qué tiene más ventaja, el ácido clorhídrico o el ácido sulfúrico? La preparación industrial del ácido clorhídrico implica la electrolización de salmuera saturada para producir hidrógeno y gases de cloro. Los gases reaccionan para formar cloruro de hidrógeno, que es absorbido por el agua para formar ácido clorhídrico.

El cloruro de hidrógeno no puede disolverse indefinidamente en agua, por lo que el ácido clorhídrico concentrado tiene una fracción de masa de soluto de unos 37% como máximo. El ácido sulfúrico, por su parte, se obtiene tostando pirita a altas temperaturas para producir dióxido de azufre, que reacciona con el oxígeno para formar trióxido de azufre. El ácido sulfúrico concentrado absorbe el trióxido y forma óleum, que se convierte en ácido sulfúrico añadiendo agua.

Por tanto, en términos de materias primas, proceso de preparación e impacto ambiental, el ácido clorhídrico es superior al ácido sulfúrico. El ácido clorhídrico concentrado debe almacenarse en botellas de vidrio o barriles de plástico sellados, y transportarse en camiones cisterna de acero especialmente fabricados y revestidos de caucho.

El ácido sulfúrico concentrado puede tener una fracción másica de hasta 98%, y su almacenamiento y transporte pueden facilitarse utilizando recipientes de acero o aluminio. En este sentido, el ácido sulfúrico es más fuerte que el ácido clorhídrico.

El ácido clorhídrico con una fracción de masa de soluto mayor es volátil, y el gas cloruro de hidrógeno evaporado tiene un fuerte efecto irritante y corrosivo sobre el cuerpo humano, mientras que el ácido clorhídrico con una fracción de masa de soluto menor es relativamente estable.

El ácido sulfúrico concentrado debe diluirse antes de su uso. Esta dilución produce una cantidad significativa de calor, que puede causar quemaduras fácilmente. Además, la corrosividad del ácido sulfúrico concentrado es mucho mayor que la del ácido clorhídrico concentrado. De ello se deduce que el uso de ácido clorhídrico es más seguro.

Basándose en la información anterior, es evidente que el ácido clorhídrico ofrece mejores efectos de eliminación del óxido, menores costes y un uso más seguro.

Además, también podemos fabricar un antioxidante relativamente ecológico en un laboratorio de química. El primer paso es poner 18 g de ácido cítrico, 0,8 g de dextrina, 3 g de molibdato sódico, 1,1 g de ácido fosfórico y 60 g de agua en un tanque mezclador y remover uniformemente a temperatura ambiente durante 30 minutos.

En el segundo paso, se añaden 8 g de glicerina a la solución mezclada y se agita uniformemente a temperatura ambiente durante 10 minutos a una velocidad de agitación de 25 r/min. En el tercer paso, se añaden 0,06 g de yoduro sódico a la solución mezclada y se agita uniformemente a temperatura ambiente durante 30 minutos a una velocidad de agitación de 25 r/min.

Sustituir el ácido clorhídrico y el ácido sulfúrico diluido por ácido cítrico puede resolver el problema actual de que el antioxidante contamina el medio ambiente. La glicerina puede mejorar la adherencia del eliminador de óxido a la superficie metálica. Además, este eliminador de óxido no sólo elimina el óxido, sino que también tiene propiedades antioxidantes.

Aunque la oxidación del acero conlleva una pérdida de recursos metálicos, este proceso también tiene sus ventajas. Por ejemplo, el polvo de hierro, ingrediente clave de los absorbentes de oxígeno que suelen encontrarse en los envases de repostería, aprovecha el principio de la oxidación para consumir oxígeno, evitando así que se estropeen los alimentos.

Además, la oxidación del hierro es una reacción exotérmica. Este fenómeno se ha aprovechado para producir "parches calentadores". Los principales componentes de un parche calefactor son polvo de hierro, vermiculita, carbón activado, sales inorgánicas (como la sal de mesa) y agua. En condiciones naturales, la velocidad de la reacción de oxidación del hierro es lenta.

Para acelerar esta reacción, se utiliza polvo fino de hierro con una gran superficie. El papel del carbón activado es formar una célula primaria para promover la reacción, mientras que su fuerte capacidad de adsorción almacena agua en su estructura suelta. Las sales inorgánicas trabajan con el carbón activado para formar una célula primaria y promover la reacción. La vermiculita, un mineral de aluminosilicato de hierro y magnesio, sirve como medio de almacenamiento térmico.

En un laboratorio de química, podemos fabricar nosotros mismos estos parches calentadores. Mezclando polvo de hierro, carbón activado, sal de mesa y vermiculita en una proporción de masa de 5:2:2:2. Esta mezcla (la vermiculita es opcional) se vierte en un vaso de precipitados, se añaden unas gotas de agua y se mezcla bien con una varilla de vidrio.

A continuación, se introduce en una bolsa de tela no tejida y se sella dentro de una bolsa autosellable (o utilizando una selladora de plástico). Cuando se necesite, se puede sacar para su uso. Debe tenerse en cuenta que cuanto más finas sean las partículas de polvo de hierro y carbón activado (idealmente de 100 mallas para el polvo de hierro y de 150 mallas para el carbón activado), más rápida será la reacción y más notable será el aumento de temperatura.