Protección catódica de un depósito de acero con magnesio y cobre
Un depósito de acero (hierro) de 12 m² de superficie y 6 mm de espesor está enterrado en un suelo húmedo y se conecta mediante un cable a un bloque de magnesio para protegerlo de la corrosión. Cerca pasa una tubería de cobre que, en una reparación, queda en contacto eléctrico con la pared del depósito. Datos de potenciales estándar (V): Fe²⁺/Fe = −0,44; Mg²⁺/Mg = −2,37; Cu²⁺/Cu = +0,34; O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ = +0,40. La corriente de protección medida es de 15 mA. El técnico debe decidir si mantiene el bloque de magnesio, lo sustituye por zinc (Zn²⁺/Zn = −0,76 V) o instala una junta aislante en la tubería de cobre. Además, quiere estimar la duración del bloque de magnesio de 500 g.
1. Identifica ánodo y cátodo en el par Mg-Fe, escribe las semirreacciones y la reacción global, calcula E° de la pila y ΔG° para el proceso de protección. Justifica si el magnesio protege al hierro.
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El Mg tiene el potencial de reducción más negativo, así que se oxida y actúa como ánodo: Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ (E°ox = +2,37 V). El Fe es el cátodo y en medio neutro aireado reduce oxígeno: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ (E°red = +0,40 V). Global: 2 Mg + O₂ + 2H₂O → 2 Mg(OH)₂. E°pila = 0,40 − (−2,37) = 2,77 V. ΔG° = −nFE° = −4 × 96 485 × 2,77 = −1,07×10⁶ J = −1,07×10³ kJ por cada 2 mol de Mg. Al ser espontánea, el Mg se sacrifica y protege al Fe (protección catódica). Si se usara el par Fe²⁺/Fe como cátodo, E° = 1,93 V, también espontáneo.
2. Calcula la masa de magnesio consumida en 90 días si la corriente se mantiene en 15 mA y estima cuánto duraría un bloque de 500 g. Indica qué supuestos haces.
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Q = I·t = 0,015 A × (90 × 24 × 3600 s) = 0,015 × 7 776 000 = 116 640 C. Moles de electrones = 116 640/96 485 = 1,209 mol e⁻. Como Mg²⁺ implica 2 e⁻, moles de Mg = 0,6045 mol; masa = 0,6045 × 24,3 = 14,7 g. Un bloque de 500 g duraría, a corriente constante, 500/14,7 × 90 días ≈ 3,06×10³ días ≈ 8,4 años. Supongo que toda la corriente corresponde a la oxidación del Mg y que no hay corrientes parásitas; si el contacto con cobre aumenta la corriente, el consumo será mayor y la duración menor.
3. Evalúa el efecto del contacto con la tubería de cobre y decide razonadamente entre mantener el magnesio, sustituirlo por zinc o instalar una junta aislante.
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El Cu es más noble (E° = +0,34 V) que el Fe (E° = −0,44 V). En contacto eléctrico, el Fe se convierte en ánodo de un par galvánico Fe-Cu y se oxida antes: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻; el Cu actúa de cátodo y no se corroe. Esto acelera la corrosión local del depósito, aunque el Mg siga conectado. La decisión correcta es instalar una junta aislante que rompa el contacto Fe-Cu y mantener el Mg; si se sustituye por Zn (E° = −0,76 V), también protege porque es más activo que el Fe, pero con menor fuerza impulsora, lo que puede ser insuficiente en suelos muy resistivos. No conviene dejar el contacto con cobre confiando solo en el Mg.