Protección catódica de una tubería: elegir ánodo de sacrificio y dimensionarlo
Una tubería de acero (Fe) enterrada en un suelo húmedo de resistividad media debe protegerse con ánodos de sacrificio. Datos: E°(Mg²⁺/Mg) = −2,37 V; E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V; E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V; E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V. El ingeniero dispone de ánodos de Mg, Zn y Cu y debe elegir uno. La corriente de protección estimada es de 15 mA y se exige una autonomía mínima de un año sin mantenimiento. Un proveedor ofrece ánodos de Zn de 500 g a buen precio; otro defiende el Mg «porque su potencial es mucho más negativo y protegerá mejor». Los ensayos previos indican pH del suelo 6,5, buena aireación y riesgo de que un ánodo demasiado activo genere hidrógeno y despegue el recubrimiento de la tubería.
1. Indica qué metales pueden actuar como ánodo de sacrificio y calcula la fem de la pila que formarían con el hierro. Explica por qué el cobre no sirve.
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El ánodo de sacrificio debe oxidarse en lugar del hierro, es decir, tener potencial de reducción menor que E°(Fe²⁺/Fe) = −0,44 V.
- Mg: E°celda = E°cátodo − E°ánodo = (−0,44) − (−2,37) = +1,93 V
- Zn: E°celda = (−0,44) − (−0,76) = +0,32 V
- Cu: E°celda = (+0,34) − (−0,44) = +0,78 V, pero con el hierro como ánodo: el Cu sería el cátodo y aceleraría la corrosión del acero (pila galvánica invertida). Nunca puede ser ánodo de sacrificio.
Ambos, Mg y Zn, son termodinámicamente viables (E°celda > 0). La fem solo dice si el proceso es espontáneo, no a qué velocidad ocurrirá ni si la protección será excesiva: eso depende de la resistividad del suelo, del recubrimiento y de la corriente real.
2. Con una corriente de protección de 15 mA, calcula la masa de zinc consumida en un año y valora si el ánodo de 500 g ofertado cumple la autonomía exigida.
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Q = I·t = 0,015 A × (365 × 24 × 3600 s) = 0,015 × 3,154×10⁷ = 4,73×10⁵ C
n(e⁻) = Q/F = 4,73×10⁵/96 485 = 4,90 mol de electrones
Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻ ⇒ n(Zn) = 2,45 mol ⇒ m = 2,45 × 65,4 = 1,6×10² g de Zn al año
(Comparación: con Mg, 24,3 g·mol⁻¹, serían solo 2,45 × 24,3 ≈ 60 g, porque el Mg tiene más capacidad teórica por kg.)
Decisión: 500 g cubren más de tres años al 100 % de eficiencia de corriente. Como en campo la eficiencia es menor y parte del ánodo se consume en reacciones parásitas, el margen es razonable pero debe confirmarse con el criterio habitual de sobredimensionar un 50–100 % y con la comprobación periódica del potencial tubo-suelo.
3. El proveedor de Mg sostiene que «cuanto más negativo sea el potencial, mejor protección». Evalúa esa afirmación en este caso concreto.
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La afirmación confunde fuerza motriz con eficacia. El Mg da 1,93 V frente a los 0,32 V del Zn: mucha más fuerza motriz, pero también sobreprotección. Con exceso de corriente catódica sobre el acero se genera H2 en la superficie (2 H2O + 2 e⁻ → H2 + 2 OH⁻), lo que produce desprendimiento del recubrimiento (disbonding catódico) y consume ánodo inútilmente; en el enunciado ya se advierte ese riesgo. El Zn, con 0,32 V, es suficiente y más estable en suelos de resistividad baja o media.
Criterios de elección reales: resistividad del suelo (Mg para suelos muy resistivos donde hace falta más tensión; Zn para suelos conductores), pH, presencia de cloruros, recubrimiento y control del potencial tubo-suelo (protección catódica correcta ≈ −0,85 V frente al electrodo de Cu/CuSO4, con límite de −1,2 V para evitar sobreprotección).
Conclusión: elegir Zn; el argumento «más negativo = mejor» es incorrecto y puede dañar la tubería.