Procesos de oxidación y resistencia a la oxidación

Introducción

La oxidación es probablemente la más básica de las reacciones químicas en la naturaleza y la industria. En esencia, es un proceso por el que un material pierde electrones y a menudo también experimenta un cambio de fase, físico o químico. Desde la oxidación de los puentes de acero hasta la oxidación controlada del combustible en los vehículos, la oxidación produce todo tipo de tecnologías y fenómenos naturales. Para diseñar materiales capaces de sobrevivir en entornos difíciles es necesario tener unos conocimientos básicos sobre la oxidación y, lo que es más importante, saber cómo suprimirla o regularla.

Cómo funciona

La oxidación química rara vez se produce sola. Se produce simultáneamente con la reducción en una reacción redox. Un elemento pierde electrones (oxidación) y otro gana electrones (reducción). Por ejemplo:

[Fe + O2 → Fe2O3]

El hierro (Fe) pierde electrones con el oxígeno para formar óxido de hierro, también llamado óxido.

Las reacciones redox impulsan importantes procesos en los sistemas industriales y biológicos:

- Metalurgia: Para fundir y refinar metales se recurre a la reducción y la oxidación en condiciones controladas.

- Generación de energía: Las baterías y las pilas de combustible convierten las reacciones redox en energía eléctrica útil.

- Sistemas biológicos: La glucosa se oxida en la respiración celular para producir ATP, la moneda de energía del cuerpo.

Por qué es importante la resistencia a la oxidación

Aunque la oxidación favorece las reacciones positivas, la oxidación incontrolada puede ser desastrosa para los materiales y los sistemas. Los metales expuestos al aire, al agua o a altas temperaturas se estropean gradualmente porque reaccionan con el oxígeno, el azufre o el vapor de agua.

Aquí interviene laresistencia a la oxidación: define la resistencia de un material a tales condiciones sin estropearse. Es especialmente crucial en:

-Aeroespacial: Los álabes de las turbinas a reacción deben resistir la oxidación por encima de temperaturas de 1.000°C.

-Transporte: Los sistemas de escape y los catalizadores dependen de aleaciones resistentes a la oxidación para garantizar su estabilidad a largo plazo.

-Electrónica y semiconductores: Recubrimiento de dispositivos sensibles con películas finas para evitar su exposición al oxígeno.

-Energía y procesos químicos: Reactores, tuberías e intercambiadores de calor requieren materiales que no se vean afectados por gases o líquidos oxidantes.

Ejemplos de materiales resistentes a la oxidación

Algunos materiales tienen inherentemente una alta resistencia a la oxidación debido a la formación de películas de óxido estables y adherentes para evitar reacciones posteriores.

- Acero inoxidable: Forma una capa autorreparadora de óxido de cromo (Cr₂O₃) que resiste la difusión de oxígeno.

- Titanio: Forma una fina capa de TiO₂, muy protectora incluso a altas temperaturas.

- Cerámica (alúmina o circonio): Ya estables en condiciones oxidativas, ideales para revestimientos de barrera térmica.

- Superaleaciones a base de níquel: Mantienen escamas protectoras de óxido por encima de 1.100°C, utilizadas en turbinas y motores de aviación.

Ejemplos de metales resistentes a la oxidación

Factores que influyen en la resistencia a la oxidación

La resistencia a la oxidación de un material es función de numerosos factores, que se influyen mutuamente:

1. 1. Composición del material:

Los elementos de cromo, aluminio y silicio mejoran la resistencia mediante el desarrollo de óxidos estables.

El acero inoxidable con >12% de Cr presenta una buena resistencia a la oxidación por aire.

2.Temperatura:

La velocidad de oxidación crece exponencialmente con la temperatura.

La oxidación a 800°C puede ser diez veces superior a la oxidación a 400°C.

3. Entorno:

La humedad, los compuestos de azufre y los halógenos pueden activar la oxidación y alterar las películas protectoras de óxido.

4.Estado de la superficie:

Las superficies lisas y limpias facilitan la formación de películas de óxido protectoras.

Las superficies rugosas y sucias pueden oxidarse de forma anormal.

5.Capas de protección:

Las capas físicas de recubrimientos metálicos, recubrimientos cerámicos o pinturas protegen contra los agentes corrosivos y el oxígeno.

Métodos generales de mejora de la resistencia a la oxidación

La resistencia a la oxidación puede aumentarse mediante la elección del material y los métodos de protección adecuados. Las técnicas incluyen la aleación, los tratamientos superficiales y los revestimientos protectores para aumentar la durabilidad del material en condiciones de oxidación.

Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

¿Qué es la oxidación en palabras sencillas?

La oxidación es un proceso químico en el que un material pierde electrones, reaccionando normalmente con el oxígeno y produciendo óxidos.

¿Por qué es importante la resistencia a la oxidación?

Se refiere a lo bien que un material puede resistir entornos oxidativos o de altas temperaturas sin perder resistencia o funcionalidad.

¿Qué metales tienen una alta resistencia a la oxidación?

Las aleaciones a base de cromo, níquel y titanio, así como los materiales que contienen aluminio y silicio.

¿Es posible mejorar la resistencia a la oxidación sin cambiar la composición de la aleación?

Sí. Técnicas como el anodizado, el revestimiento o el pulido de la superficie pueden mejorar considerablemente la protección contra la oxidación.

¿Cómo afecta la temperatura a la oxidación?

Un aumento de 100 °C en la temperatura puede duplicar aproximadamente la velocidad de oxidación, por lo que la protección a altas temperaturas es extremadamente importante.