Reacción galvánica: Principios fundamentales y su impacto en la corrosión de metales

Introducción

La reacción galvánica es un proceso electroquímico que ocurre cuando dos metales con distinto potencial electroquímico entran en contacto dentro de un medio conductor, generando un flujo de electrones que favorece la corrosión del metal menos noble. Este proceso es significativo en la ingeniería de materiales y la protección contra la corrosión, debido a que afecta considerablemente la vida útil y la seguridad de estructuras metálicas expuestas a ambientes agresivos.

En entornos industriales, la presencia de celdas galvánicas no controladas representa un problema, especialmente en sistemas de tuberías, estructuras marinas, instalaciones petroquímicas; entre otras, donde la degradación prematura de componentes metálicos puede derivar en fallos estructurales con consecuencias económicas y operacionales considerables. La formación de pares galvánicos incrementa la velocidad de corrosión del metal anódico, y puede inducir corrosión localizada, como picaduras y grietas, aumentando la susceptibilidad a daños estructurales.

A lo largo de este artículo, se analizarán, los procesos electroquímicos involucrados en la reacción galvánica, los factores que causan este tipo de corrosión, y los métodos de prevención utilizados en la industria, como la correcta selección de materiales, el uso de recubrimientos protectores, la implementación de protección catódica por ánodos de sacrificio y el diseño estructural adecuado. La mitigación efectiva de la corrosión galvánica es necesaria para garantizar la fiabilidad y sostenibilidad de los sistemas metálicos en diversas aplicaciones industriales.

Reacción galvánica, como ocurre y consecuencias en materiales metálicos

¿Qué es una reacción galvánica?

La reacción galvánica entre dos metales es una reacción redox, representa el principio en que se basa la corrosión galvánica de los materiales metálicos.

Reacción galvánica en procesos redox

Se conoce como reacciones redox a las reacciones químicas en las que ocurre una transferencia electrónica entre los átomos o moléculas involucrados. Ese intercambio se refleja en el cambio de estado de oxidación de los reactivos, el reactivo que cede electrones experimenta oxidación y el que los recibe, reducción¹.

Las reacciones de oxidación-reducción (redox) son la base de los procesos electroquímicos responsables de la degradación de los metales en ambientes agresivos. En particular, la reacción galvánica es un fenómeno electroquímico que se produce cuando dos metales de diferente potencial de reducción entran en contacto eléctrico dentro de un electrolito, generando una transferencia de electrones que acelera la corrosión del metal menos noble (ánodo).

Electroquímica de la reacción galvánica²

La electroquímica de este tipo de reacciones se fundamenta en los procesos de óxido-reducción. Toda reacción redox involucra una reacción de oxidación y una de reducción, es decir, está compuesta por dos semirreacciones:

• Reacción de oxidación: Donde ocurre la pérdida de electrones, la cual se observa por un aumento en el número de oxidación del elemento: M → M⁺ⁿ + n^e-
• Reacción de reducción: Donde existe una ganancia de electrones, indicada por una disminución en el número de oxidación del elemento: R⁺ⁿ + n^e- → R

La oxidación y la reducción ocurren simultáneamente. No pueden ocurrir una sin la otra; cada electrón ganado por una especie es cedido por la otra.

Un ejemplo de reacción redox espontánea es la que tiene lugar cuando un trozo de metal de Zn se introduce en una solución de sulfato de cobre, a medida que avanza la reacción el color azul típico de la disolución del ion Cu²⁺ se desvanece, debido a que los iones de Cu²⁺ se depositan como Cu sobre la lámina de Zn. Al mismo tiempo, el Zn se disuelve transformándose en Zn²⁺. Las semirreacciones que tienen lugar son:

1. Reacción de oxidación: Zn(s)  →  Zn⁺⁺(ac)  +  2e⁻ 
2. Reacción de reducción: Cu⁺⁺(ac)  +  2e⁻ →  Cu(s) 
3. La reacción global es: Zn(s)  +  Cu++(ac)  Zn++(ac)  +  Cu(s) 

Cada una de las semirreacciones ocurre en compartimentos diferentes llamados semiceldas. Una de ellas está formada por una lámina de Cu sumergida en una solución de CuSO₄ y la otra por una lámina de Zn sumergida en una solución de ZnSO₄. Las láminas de Zn y Cu reciben el nombre de electrodos y están conectados por un conductor eléctrico, formando una cupla galvánica, como se puede apreciar en la figura 1.

Las semirreacciones como se presentan en la imagen anterior (figura 1), ocurren en forma espontánea. Por el contrario, si se añade Cu metálica a una disolución de sulfato de cinc, no ocurre reacción porque el Cu metálico no es oxidado por el Zn⁺⁺. La facilidad de oxidación de los metales depende de su potencial estándar, de acuerdo a la serie galvánica de potenciales estándar de reducción o de oxidación.

Implicaciones de la reacción galvánica en materiales metálicos

Esta interacción presenta implicaciones negativas, como la corrosión acelerada, conocida como corrosión galvánica, y positivas, al aplicarse en la protección de estructuras metálicas. Bajo este contexto su estudio es fundamental en ingeniería de materiales y protección contra la corrosión en aplicaciones industriales.

1. Implicaciones negativas: Corrosión galvánica

La reacción galvánica puede tener un impacto significativo en la integridad del material y la estructura. La ocurrencia de esta reacción entre sistema de materiales metálicos disímiles culpados en un medio electrolito acelera el proceso de corrosión de uno de los metales conocida como corrosión galvánica, debido a la transferencia electronica (corriente electrica) entre los dos metales, lo que conlleva a fallas estructurales y a la degradación de los materiales, daño funcional en componentes metálicos, debilitando materiales, afectando la integridad de estructuras y equipos; además, puede comprometer la seguridad y durabilidad de materiales en la construcción, la industria y el transporte. Prevenir este fenómeno es clave para preservar la eficiencia y vida útil de los materiales metálicos. 

2. Implicaciones positivas: Protección catódica por ánodos de sacrificio

Aunque parece contradictoria, la reacción galvánica puede contribuir a la preservación de los materiales. Este mecanismo electroquímico se emplea en la protección catódica mediante ánodos de sacrificio, donde metales altamente activos (con mayor tendencia a corroerse), como zinc, aluminio o magnesio, se cuplan a estructuras de acero u otros metales menos reactivos (más nobles). En este proceso, en este caso el material más activo actúa como ánodo y se corroe en lugar del metal a proteger, mitigando la corrosión y prolongando la vida útil de la estructura. Este sistema se aplica en embarcaciones, plataformas marinas, tanques de almacenamiento y tuberías enterradas, proporcionando una defensa eficaz contra la degradación metálica.

Fundamentos de la corrosión galvánica

¿Qué es la corrosión galvánica?

La corrosión galvánica, también denominada corrosión bimetálica, es un fenómeno electroquímico que se produce cuando dos metales de diferente potencial electroquímico se encuentran en contacto directo dentro de un medio conductor o electrolito. La diferencia de potencial entre ambos metales genera una transferencia de electrones, estableciendo así una celda galvánica en la que el metal menos noble actúa como ánodo y experimenta un proceso acelerado de disolución, mientras que el metal más noble se convierte en el cátodo, favoreciendo reacciones de reducción que limitan su degradación. En la siguiente imagen (figura 2), se muestra una representación gráfica del proceso electroquímico de este tipo de corrosión.

El proceso electroquímico involucrado es impulsado por la diferencia de potenciales de electrodo entre los dos metales, donde el metal de mayor potencial representa el cátodo, y el de menor potencial es el ánodo. Los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través de la conexión eléctrica, mientras que los iones se mueven a través del electrolito, cerrando el circuito eléctrico.

Serie galvánica o serie de fuerza electromotriz

La serie galvánica es una clasificación de metales y aleaciones según su potencial electroquímico en un medio específico (tabla.1), es un concepto fundamental para entender la corrosión galvánica. Los metales en la parte inferior de la serie, como el magnesio y el zinc, son más anódicos y propensos a la corrosión, mientras que los que están en la parte superior, como el oro y el platino, son más catódicos y resistentes a la corrosión.

¿Cómo se relaciona la serie galvánica con la corrosión de los metales?

La serie galvánica ayuda a predecir el comportamiento de los metales con diferentes potenciales galvánicos de acuerdo a la posición que ocupan en la tabla galvánica o serie de fuerza electromotriz, cuando se encuentran en contacto en presencia de un electrolito. La diferencia de potencial entre los metales en la serie galvánica determina la velocidad y severidad del ataque corrosivo, cuanto mayor es la separación en la serie, más intensa será la corrosión del ánodo.

En la figura.3, se aprecia una imagen representativa del proceso de corrosión galvánica entre el acero y el cobre³. En esta interacción, el metal menos noble (ánodo) se corroe más rápidamente, mientras que el más noble (cátodo) se protege.

Este principio es significativo en el diseño de estructuras metálicas, selección de materiales compatibles y aplicación de métodos de protección, como la protección catódica con ánodos de sacrificio. Comprender este mecanismo electroquímico en ingeniería de la corrosión, es importante para evitar este tipo de corrosión, mediante los métodos de control más adecuados.

Factores que afectan la severidad de la corrosión galvánica

• La diferencia de voltaje entre los dos metales en la serie galvánica: Es el factor principal de mayor incidencia en la aceleración de la velocidad de corrosión; una mayor diferencia generalmente conduce a la celeridad de la corrosión.
• La naturaleza y agresividad del medio: El ambiente también juega un papel significativo; La presencia del electrolito es facilitar el flujo de iones entre el ánodo y el cátodo, completando el circuito electroquímico. La conductividad del electrolito, influenciada por su composición y temperatura, afecta la tasa de corrosión, por ejemplo, la presencia de iones de cloruro en el agua de mar puede acelerar la corrosión galvánica.
• Relación de área cátodo/ánodo: Un factor de importante consideración es la relación de área de la zona de contacto entre los material, es otro factor crítico; una pequeña área de ánodo en relación con el cátodo puede generar a una corrosión severa. Entre mayor sea la relación del ánodo respecto al cátodo, el proceso de corrosión ocurre con mayor velocidad

¿Cómo evitar la corrosión galvánica?

La corrosión galvánica es un fenómeno que puede evitarse o mitigarse tomando medidas adecuadas para prevenir la interacción entre metales diferentes y la exposición a un electrolito.

1. Selección de materiales compatibles: Elegir metales que estén cerca en la serie galvánica o que tengan un potencial electroquímico bajo.
2. Recubrimientos protectores: Aplicar recubrimientos protectores, como pinturas, barnices o recubrimientos de zinc, a los metales puede proporcionar una barrera entre los metales y el electrolito, reduciendo así la posibilidad de corrosión galvánica.
3. Aislamiento eléctrico: Si es posible, se pueden usar materiales no conductores, como plásticos o gomas, para aislar eléctricamente los metales que podrían entrar en contacto. Esto evita la transferencia de electrones y reduce la corrosión.
4. Inhibidores de corrosión: Los inhibidores de corrosión químicos pueden utilizarse para reducir la velocidad de corrosión galvánica. Estos productos químicos se aplican a la superficie de los metales y forman una capa protectora.
5. Utilizar metales de sacrificio: En algunos casos, se pueden utilizar metales de sacrificio que sean más activos que el metal principal. Estos metales se corroerán preferentemente en lugar del metal principal. Por ejemplo, en aplicaciones marinas, se utilizan ánodos de zinc o aluminio para proteger estructuras de acero
6. Separación física: Separar físicamente los metales con aislantes o juntas no conductoras puede prevenir el contacto directo entre ellos y, por lo tanto, reducir la corrosión galvánica. Las arandelas de otro material, en uniones de varios metales, es un claro ejemplo de separación física para prevenir la corrosión galvánica.
7. Diseño de ingeniería: Diseñar componentes y estructuras de manera que el agua y la humedad no se acumulen, o queden atrapadas entre metales en contacto puede ayudar a reducir la corrosión galvánica.
8. Monitoreo y mantenimiento: Realizar un monitoreo regular y un mantenimiento preventivo puede ayudar a detectar y abordar problemas de corrosión. Es importante tener en cuenta que la prevención de la corrosión galvánica, es fundamental en aplicaciones donde la corrosión puede tener consecuencias graves, como, por ejemplo, en la industria marina o en estructuras metálicas expuestas al ambiente. La elección adecuada depende de la aplicación específica y de la naturaleza de los materiales involucrados.

Conclusiones

La comprensión de los principios fundamentales de la reacción galvánica es fundamental para la selección adecuada de materiales y el diseño de sistemas de mitigación de la corrosión. Factores como la diferencia de potencial entre los metales, la composición del electrolito, la relación de áreas anódica y catódica, y las condiciones ambientales determinan la severidad del proceso corrosivo; por ende la ausencia de medidas preventivas, la combinación de materiales disímiles en un ambiente conductor puede acelerar la degradación de infraestructuras.

La corrosión galvánica representa un problema significativo en la ingeniería de materiales y la integridad estructural de componentes metálicos. Su correcto análisis y mitigación son fundamentales para prolongar la vida útil de las estructuras y evitar fallos prematuros. El conocimiento detallado de la serie galvánica, los factores que influyen en el proceso y los métodos de protección permite un control eficiente de este tipo de corrosión en aplicaciones industriales.

Referencias

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Redox
2. Bockris, J. O’M., & Reddy, A. K. N. (1970). Modern Electrochemistry. Springer.
3. Introduction to corrosion and corrosion inhibitors”; Materials Science, Engineering, 2015.