Corrosione, ossidazione e ruggine sono processi correlati ma distinti. La corrosione è il graduale deterioramento dei materiali, in particolare dei metalli, causato da interazioni chimiche con l'ambiente circostante. L'ossidazione, la corrosione e altre reazioni chimiche portano alla decolorazione, alla deformazione o alla metamorfosi del materiale. Per questo motivo, le differenze e le relazioni tra corrosione, ossidazione e ruggine sono essenziali.

Contribuisce a determinare la durata dei materiali, riducendo al minimo gli effetti economici negativi e aumentando la sicurezza in vari settori. Tale comprensione fornisce alle industrie misure e strategie per ridurre il tasso di degrado dei materiali, migliorando così la durata dei componenti critici. Ciò, a sua volta, riduce i costi di riparazione e sostituzione. L’adozione a livello globale delle migliori pratiche di prevenzione della corrosione potrebbe comportare risparmi significativi, stimati tra il 15 e il 35% del costo dei danni, pari a una cifra compresa tra US$375 miliardi e US$875 miliardi all’anno^[1]. È fondamentale regolare questi fenomeni per prevenire guasti catastrofici che possono mettere a rischio vite umane in settori essenziali come l’edilizia e i trasporti. Inoltre, queste conoscenze danno origine a innovazioni, come lo sviluppo di nuovi materiali resistenti alla corrosione. Contribuiscono alla realizzazione di prodotti migliori e più sostenibili, in quanto sono un fattore chiave del cambiamento.

Definire la corrosione

La corrosione è un tipo di degrado che colpisce materiali come i metalli a causa della reazione chimica tra il materiale e l'ambiente circostante, dando origine a prodotti antieconomici, non sicuri e non salubri. Questa degradazione può avvenire attraverso diverse fasi. Di solito porta alla formazione di ossidi, idrossidi o composti simili all'interno della sostanza che ha intaccato/distrutto la costruzione originale del materiale.

Tipi di corrosione

La coronazione può presentarsi in varie forme a seconda degli ambienti e dei materiali a contatto con gli agenti corrosivi. I tipi più comuni includono:

1. Corrosione galvanica

Si verifica quando due metalli diversi si collegano elettricamente in un ambiente umido. Il metallo anodico si deteriora a una velocità maggiore rispetto a quando esiste indipendentemente, mentre il metallo catodico si deteriora a una velocità minore. La differenza di potenziale tra due metalli è fondamentale nella corrosione galvanica e comporta l'equazione di Nernst:

E_Cellula=E⁰_catodo-E⁰_anodo-(RT/nF) ln([Ox]/[Red] )

E_Cellula=potenziale cellulare, E⁰=potenziali elettrodici standard, R=Costante di gas, T=temperatura, n=numero di elettroni trasferiti e F è la costante di Faraday.

2. Corrosione da vaiolatura

La corrosione per vaiolatura è un tipo di corrosione localizzata che crea piccoli e profondi fori nel materiale. È particolarmente pericolosa perché può portare a un rapido cedimento del materiale, anche con una perdita complessiva minima. Il fattore di pitting è applicabile per valutare l'impatto della corrosione per vaiolatura. Un fattore di pitting più elevato indica che la corrosione per vaiolatura è grave.

Fattore Pitting=(Profondità della buca più profonda)/Perdita media di spessore dovuta alla corrosione

3. Corrosione interstiziale

Questo tipo di corrosione comporta lo sviluppo di celle a concentrazione di ossigeno in pozzetti, fessure o sottopassi. Di conseguenza, la soluzione locale può ristagnare, causando una corrosione localizzata. La corrosione interstiziale si verifica, ad esempio, intorno alla giuntura di una lastra metallica dove il metallo si unisce a una guarnizione o quando si utilizzano bulloni e dadi. La velocità della corrosione interstiziale dipende da fattori quali la concentrazione di ioni cloruro ([Cl^-] e il pH della soluzione all'interno della fessura:

Tasso di corrosione ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

In questa equazione, ΔG è la variazione dell'energia libera di Gibbs, R è la costante dei gas e T è la temperatura.

Materiali suscettibili di corrosione

La resistenza alla corrosione dipende dalla composizione del materiale, dalla sua struttura e dall'ambiente in cui si trova il materiale metallico o non metallico. Il ferro e l'acciaio sono particolarmente inclini alla ruggine perché si ossidano rapidamente, soprattutto quando entrano in contatto con umidità e ossigeno. Sebbene l'alluminio sviluppi uno strato di ossido passivo, subisce anche la corrosione per vaiolatura e interstiziale in condizioni contenenti cloruri. Rame e sue leghe sono suscettibili di corrosione galvanica. Ciò è particolarmente vero quando sono a contatto con metalli come l'alluminio o l'acciaio e sono esposti all'acqua. Come membro del gruppo di anodi utili per la protezione catodica, lo zinco agisce come anodo nei modelli di protezione galvanica per corrodere preservando il metallo vero e proprio.

Impatto industriale della corrosione

Gli effetti della corrosione si ripercuotono su tutta la catena del valore industriale, interessando la maggior parte, se non tutti, i settori che utilizzano i metalli. L’impatto di questa minaccia sulle economie è tale che le industrie subiscono ogni anno perdite per diversi miliardi di dollari a causa della corrosione. Il costo globale della corrosione è stimato a US$2.5 trilioni, pari al 3,4% del Prodotto Interno Lordo (PIL) mondiale nel 2013, con alcune stime che suggeriscono che attualmente superi i US$3 trilioni all’anno^[1]. La perdita comprende i costi di manutenzione e sostituzione delle strutture soggette a corrosione, la perdita di produzione dovuta alla corrosione e altri effetti correlati. Il deterioramento della sicurezza, dell’affidabilità e della durabilità sono alcune delle conseguenze della corrosione. La corrosione può causare il cedimento improvviso di strutture, mezzi di trasporto e infrastrutture come ponti, condotte e aeromobili. L’integrità strutturale si riduce a causa della corrosione, a causa dell’elevato rischio di cedimenti improvvisi.

Per quanto riguarda l’ambiente fisico, la corrosione comporta rischi quali il rilascio di sostanze pericolose da condotte e serbatoi di stoccaggio corrosi, nonché da strutture in cemento armato nell’ambito dell’ingegneria civile. Questo fenomeno comporta conseguenti pericoli per l’ambiente fisico e per l’uomo. Per affrontare queste sfide, gli ingegneri ricorrono a vari metodi di controllo della corrosione. Tali metodi comprendono la scelta di materiali e rivestimenti anticorrosivi, l’applicazione di protezione catodica e l’uso di inibitori di corrosione, tutti aspetti che richiedono conoscenze specifiche in materia di corrosione. Il mercato dei rivestimenti anticorrosivi, una strategia chiave di mitigazione, è stato valutato a 20,59 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede che crescerà fino a 33,28 miliardi di dollari entro il 2030, con un CAGR del 7,41%. ^[2].

Capire l'ossidazione

L'ossidazione è una reazione chimica primaria fondamentale in molti processi in natura e nell'industria. Fondamentalmente, l'ossidazione comporta la donazione o la condivisione di elettroni con altre specie, dove c'è una tendenza generale a perdere elettroni da parte di una sostanza, spesso un metallo, e a guadagnare elettroni da altre sostanze, di solito l'ossigeno.

L'ossidazione è un processo chimico generale che può avvenire indipendentemente dalla corrosione. Sebbene possa portare alla corrosione dei metalli, l'ossidazione non è sempre dannosa e può essere benefica, come nel caso della formazione di strati protettivi di ossido su metalli come l'alluminio.

Reazione chimica Processo di ossidazione

L'ossidazione è un processo chimico in cui un atomo o una molecola perde uno o più elettroni. Questo processo comporta tipicamente una riduzione, in cui un'altra sostanza prende gli elettroni rilasciati o persi dal materiale ossidato. Entrambi i processi sono reazioni redox (riduzione-ossidazione). La seguente equazione può rappresentare la forma generale di una reazione di ossidazione:

M→Mⁿ⁺+ne^–

Dove M è il metallo o la sostanza che subisce l'ossidazione. Mⁿ⁺ è la forma ossidata della sostanza (un catione nel caso dei metalli).n rappresenta il numero di elettroni persi. Ad esempio, nell'ossidazione del ferro, la reazione è:

Fe→Fe²⁺+2e^–

L'ossigeno è di solito l'agente ossidante nella maggior parte dei processi di ossidazione. Ciò significa che è quello che guadagna gli elettroni che il metallo o qualsiasi altra sostanza perde. Questo può portare alla formazione di ossidi, come ad esempio

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃

In questa equazione, il ferro (Fe) reagisce con l'ossigeno (O₂) per formare l'ossido di ferro (Fe₂O₃), che è la ruggine.

Esempi comuni di ossidazione nella vita quotidiana

L'ossidazione è un processo onnipresente che si verifica in molte situazioni quotidiane, spesso con effetti evidenti:

Arrugginimento di ferro e acciaio:

Quando il ferro o l'acciaio sono esposti all'ossigeno e all'umidità, reagiscono formando una sostanza bruno-rossastra chiamata ruggine, composta principalmente da ossido di ferro. Questo è un tipico caso di ossidazione che porta alla distruzione di oggetti metallici come utensili, veicoli e strutture.

Appannamento dell'argento:

Le posate e gli ornamenti in argento sono altri prodotti che possono arrugginire a causa dell'ossidazione. Infatti, se esposto all'aria, l'argento reagisce con i composti dello zolfo, portando alla formazione di solfuro d'argento, che è nero e aderisce alla superficie del metallo.

2Ag+H₂S→Ag₂S+H₂

Differenza tra ossidazione e corrosione

È fondamentale distinguere tra ossidazione e corrosione, sebbene siano comunemente intercambiabili. L'ossidazione è un tipo di reazione chimica in cui un composto perde elettroni, spesso in presenza di ossigeno. Può avvenire sia in composti organici che inorganici. È un processo più ampio che può essere utile, ad esempio, nel processo di combustione che porta alla produzione di energia o alla formazione di strati di ossido su alcuni metalli come l'alluminio.

D'altra parte, la corrosione è la degradazione di un materiale, in particolare dei metalli, attraverso l'azione chimica dell'ambiente circostante. È importante notare che mentre l'ossidazione è un tipo di corrosione, ad esempio l'arrugginimento del ferro, esistono altri tipi di corrosione, tra cui gli effetti di acidi, basi, umidità e sali. Inoltre, la corrosione è correlata a implicazioni indesiderate come il cedimento dei materiali, le perdite e i potenziali pericoli. La conoscenza dell'ossidazione e della corrosione è fondamentale in diverse aree applicative, poiché aiuta a trovare modi per mitigare il deterioramento dei materiali.

Principali differenze ed effetti dell'ossidazione e della corrosione

Sebbene l'ossidazione e la corrosione siano correlate, si tratta di due processi diversi con effetti diversi sui materiali. L'ossidazione è un processo chimico in cui una sostanza perde elettroni, in genere coinvolgendo l'ossigeno, e può verificarsi sia nei materiali organici che in quelli inorganici. È un processo più esteso che può essere costruttivo, come nei processi di accensione durante la combustione o la formazione di uno strato di ossido su metalli come l'alluminio.

Tuttavia, si differenzia dalla corrosione. La corrosione è il deterioramento dei materiali, in particolare dei metalli, attraverso l'interazione chimica con l'ambiente circostante. Se l'ossidazione è una forma di corrosione, come l'arrugginimento del ferro, la corrosione comprende altri tipi di reazioni, comprese quelle che si verificano a causa di acidi, basi, umidità e sali. La corrosione ha generalmente effetti negativi che si traducono in deterioramento dei materiali, perdite finanziarie e rischi per la sicurezza e la salute. È fondamentale comprendere la differenza tra ossidazione e corrosione in molte aree di studio, poiché contribuisce alla formulazione di metodi efficaci per superare il deterioramento dei materiali.

Che cos'è la ruggine?

La ruggine è un tipo di corrosione che colpisce il ferro e le leghe affini come l'acciaio. Si tratta di un materiale scaglioso di colore bruno-rossastro che si deposita sulla superficie del ferro a causa di una reazione chimica tra ferro, ossigeno e umidità. La ruggine è comune in molti usi industriali e quotidiani perché danneggia la resistenza e l'estetica dei prodotti a base di ferro.

Il processo di formazione della ruggine

La formazione della ruggine è un processo chimico che richiede diverse fasi per essere completato. La prima fase comprende la formazione di ossidi di ferro con l'aiuto di acqua e ossigeno e l'ossidazione del ferro. Il processo generale è il seguente:

Reazione di ossidazione

Il ferro (Fe) perde elettroni e reagisce con l'ossigeno (O₂) in presenza di acqua (H₂O) per formare ioni ferro(II) (Fe²⁺).

Fe→Fe²⁺+2e^–

Formazione di idrossido di ferro: Gli ioni Fe²⁺ reagiscono con l'acqua e l'ossigeno per formare idrossido di ferro(II) (Fe(OH)₂).

Fe²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

Ossidazione dell'idrossido di ferro: L'idrossido di ferro (II) si ossida ulteriormente per formare idrossido di ferro (III) (Fe(OH)₃).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃

Formazione di ruggine: L'idrossido di ferro(III) si disidrata per formare l'ossido-idrossido di ferro(III) (FeO(OH)), comunemente noto come ruggine. La ruggine è una miscela complessa di ossidi e idrossidi di ferro.

4Fe(OH)₂→Fe₂O₃ .3H₂O

Condizioni che portano alla ruggine

La formazione della ruggine e altri fattori dipendono da alcuni fattori di fondo. Questi fattori comprendono la disponibilità di umidità, l'esposizione all'ossigeno e agli elettroliti, le condizioni ambientali, la temperatura e i contaminanti presenti sulla superficie.

L'acqua è essenziale per la formazione della ruggine in quanto è un elettrolita. L'acqua fornisce un ambiente per le reazioni di ossidoriduzione necessarie per la formazione della ruggine, mentre l'umidità elevata o la pioggia diretta sono più pericolose.

Anche l'ossigeno è un requisito essenziale per la formazione della ruggine. Le aree con una buona aerazione o una grande quantità di ossigeno, come le strutture metalliche, le automobili e le macchine, sono soggette alla formazione di ruggine. Il tasso di ruggine può aumentare utilizzando sali e acidi che aumentano l'attività elettrochimica del metallo. Questo problema deriva dall'uso di acqua di mare per migliorare la conduttività.

Ad esempio, un ambiente fortemente acido accelera la formazione della ruggine, poiché l'ossidazione accelera in condizioni acide (pH basso). Anche le condizioni alcaline favoriscono la formazione di ruggine, ma con minore intensità rispetto alle condizioni acide.

La temperatura gioca un ruolo importante, in quanto le alte temperature aumentano il tasso di arrugginimento aumentando la velocità delle reazioni chimiche. Tuttavia, la ruggine può verificarsi anche a basse temperature se sono presenti umidità e ossigeno.

Infine, dal punto di vista chimico, la contaminazione della superficie con materiali come sporco o olio ostacola la rimozione dell'umidità dal metallo, esponendo così aree localizzate alla ruggine.

Materiali comunemente interessati

Il ferro, la ghisa e l'acciaio legato sono i materiali più tipici che vengono colpiti dalla ruggine. Il ferro è il più vulnerabile alla ruggine, poiché forma una reazione chimica con l'ossigeno e l'umidità quando è aperto. L'acciaio al carbonio è costituito principalmente da ferro, con una piccola percentuale di carbonio e altri elementi. Sebbene possa arrugginire facilmente, il carbonio e gli elementi di lega possono aumentare la velocità di arrugginimento o modificare le proprietà della ruggine. Ogni tipo di materiale ferroso è in grado di arrugginire. Tuttavia, il ferro battuto arrugginisce più rapidamente dell'acciaio o della ghisa, poiché quest'ultima contiene una percentuale maggiore di carbonio e forma una ruggine più porosa e sfaldata.

Gli acciai legati a basso e medio tenore di carbonio offrono un certo livello di protezione contro la ruggine, ma sono suscettibili alla ruggine in determinate circostanze. Materiali come il cromo e l'acciaio inossidabile sono più resistenti grazie alla pellicola di ossido passivo che si forma sulla loro superficie e che ostacola la formazione della ruggine.

Differenze fondamentali tra corrosione, ossidazione e ruggine

Conclusione

La consapevolezza delle differenze tra corrosione, ossidazione e ruggine è fondamentale per proteggere infrastrutture e macchinari dall'usura prematura. I materiali innovativi, che comprendono leghe di acciaio inossidabile, alluminio e titanio, rivestimenti protettivi, sensori intelligenti e materiali autorigeneranti, svolgono un ruolo fondamentale nell'affrontare questi problemi.

Ulteriori studi per il progresso della scienza della corrosione includono lo sviluppo della nanotecnologia, dell'intelligenza artificiale nella previsione della corrosione e degli inibitori verdi. Questi materiali sono fondamentali per il miglioramento delle proprietà dei materiali. Se queste industrie continueranno a patrocinare e sostenere queste innovazioni, potranno migliorare la protezione delle proprietà, ridurre al minimo le perdite e garantire sicurezza e affidabilità in diverse applicazioni.

Riferimenti

[1] NACE International – Studio IMPACT (International Measures of Prevention, Application, and Economics of Corrosion Technologies) http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Rapporto sulle dimensioni del mercato dei rivestimenti anticorrosivi, 2030; [3] Grand View Research – Dimensioni e quote di mercato degli inibitori di corrosione | Rapporto di settore 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market