ruggine: perchè si forma ed un modo curioso per evitarla



La ruggine consiste in un mix a dire il vero piuttosto complesso di sostanze fra le quali prevalgono ossidi, idrossidi ed ossidi idrati di ferro a diverso stato di ossidazione, spesso arricchiti con carbonati e carbonati basici, sempre di ferro.
ruggine distacco Queste sostanze si formano per azione dell’ossigeno dell’aria sulla superficie del ferro, con il contributo dell’acqua sottoforma di umidità atmosferica o della pioggia, con il colpo di grazia a volte dell’anidride carbonica anch’essa atmosferica. A differenza delle alterazioni supercificiali di altri tipi di materiali, la ruggine si stacca facilmente da sola dalla superficie del metallo, si sbriciola e lascia esposta la parte “sana” del metallo sottostante, pronta per essere nuovamente aggredita dagli agenti esterni, fino al completo sbriciolamento del pezzo.

Nel corso degli anni sono state sviluppate diverse tecniche per proteggere i manufatti, ad esempio gli oggetti di uso quotidiano, le pentole, le cancellate, gli utensili di lavoro, dall’arrugginimento: si è cercato in primo luogo di realizzarli in materiali diversi dal ferro, che non si sbriciolassero sotto l’effetto della formazione della ruggine, ed in caso contrario si è provveduto a rivestirli con strati di materiale protettivo (es. vernici, antiruggine, placcature, ecc), che in molti casi risultano però snaturare l’aspetto, la natura e non ultima la bellezza del ferro al naturale.
cancello ferro 1 Quella che voglio di seguito illustrare è invece una tecnica per proteggere gli oggetti in ferro senza alcun tipo di spennellatura di prodotti in superficie, e parlo anche di oggetti fatti e finiti, già posti in opera ed installati nella loro posizione definitiva, ad esempio il classico cancello in ferro battuto.

Per prima cosa bisogna riconoscere il fatto che quella che chiamiamo “ossidazione” (che a sua volta sui metalli porta all’arrugginimento) è di fatto un fenomeno elettrico. A dire il vero un fenomeno elettrico molto particolare, molto “elementare” per essere precisi, che comporta il trasferimento delle cariche elettriche più piccole ed elementari che si possano immaginare, ovvero le particelle sub-atomiche a carica elettrica negativa dette elettroni, non da un capo all’altro di un filo elettrico o di un impianto, ma semplicemente dalla periferia di un atomo di un certo elemento alla periferia di un atomo di un elemento diverso. L’atomo che perderà elettroni (negativi) assumerà una carica più positiva e si dice che “si ossida”, mentre quello che li riceve assumerà una carica più negativa e si dice che “si riduce”. Purtroppo nel linguaggio di tutti i giorni manca spesso tutta quella coloritura di termini, di sinonimi ed in questo caso contrari, che arricchisce il vocabolario della chimica, ed è raro che qualcuno si ponga la domanda di quale sia il contrario di ossidarsi.
Nel caso dell’arrugginimento del ferro, gli atomi che si ossidano e quindi perdono elettroni diventando positivi sono quelli del ferro, ed i loro elettroni passano all’ossigeno dell’aria (o a quello disciolto nell’acqua della pioggia e dell’umidità) che invece si riduce assumendo una carica più negativa.

Non tutti i tipi di atomi (elementi) hanno la stessa facilità ad ossidarsi, pur nelle medesime condizioni ambientali. Tutti converranno che l’oro ed il platino per esempio, siano inattaccabili anche dai peggiori agenti atmosferici nel tempo. Altri si ossidano facilmente come il ferro ma il primissimo strato di ossido che si forma, spesso pochi millesimi di millimetro, aderisce così strettamente al pezzo di metallo sottostante che non si stacca ed anzi serve lui stesso da protettivo nei confronti dell’ossigeno e dell’umidità, impedendo che un’ulteriore ossidazione porti alla graduale corrosione del metallo originale: questo fenomeno è detto “passivazione” (in pratica è una resistenza passiva) ed è tipico di diversi metalli molto usati, per esempio l’alluminio, lo zinco ed il cromo. passivazione metallo Ci accorgiamo che un metallo è passivato perché, a differenza di quando è appena prodotto, risulta più opaco, a volte con una leggera patina di un colore diverso, ma non per questo risulta meno compatto o resistente del pezzo nuovo. Se un metallo è passivato non soltanto è inutile rimuovere lo strato sottilissimo di ossido sulla sua superficie, perché si riformerà comunque molto velocemente, ma a lungo andare può anche essere controproducente dal momento che andremo a consumare ed asportare via via nuovi strati, per quanto sottili, del metallo originale.
Al di là del fatto che lo strato di ossido aderisca o meno alla superficie, questi metalli spesso hanno una tendenza intrinseca all’ossidazione maggiore di altri, ed in modo specifico anche del ferro, che tuttavia come abbiamo detto risulta sfavorito dal fatto che il suo ossido si gonfia e si stacca.

Da tempo i chimici hanno definito una scala per mettere a confronto le tendenze ad ossidarsi o a ridursi di tutti gli elementi, metalli e non metalli, ed anche di diverse altre sostanze più complesse, inorganiche ed organiche. Questa tendenza può essere descritta bene da un parametro detto potenziale di ossido-riduzione o potenziale redox, che descrivendo un fenomeno di passaggio di cariche elettriche (elettroni) viene espresso come unità di misura in volts. In realtà il valore numerico ed anche il segno positivo o negativo che questo voltaggio assume dipende da alcune convenzioni e situazioni di misurazione: se per esempio stiamo considerando una perdita di elettronci (ossidazione) o un acquisto, alla temperatura ed alla pressione di registrazione, alla concentrazione della sostanza, ed inoltre al riferimento che abbiamo preso come zero, che nella maggior parte dei casi sarà l’idrogeno. Fermo restando tutte queste condizioni, l’ordine nel quale sono classificabili i potenziali redox, dal maggiore al minore, resta comunque lo stesso.
Ed in questo ordine, per esempio leggiamo la seguente successione, detta anche scala galvanica:

Magnesio > Titanio > Alluminio > Zinco > Cromo > Ferro > Nichel > Stagno > Piombo > Rame

Sono qui riportati i più importanti metalli da manufatti, da quello più facilmente ossidabile (il magnesio), con potenziale di ossidazione standard più alto, a quello meno facilmente ossidabile (il rame), con il potenziale di ossidazione più basso.

Quando un pezzo di un metallo più facilmente ossidabile (es. lo zinco) è posto a contatto con un pezzo di un metallo posto in posizione successiva in questa scala, ad esempio il ferro, trattandosi di materiali entrambe conduttivi, avremo così creato un corpo unico in grado di condurre corrente elettrica fra le sue parti. Lo stesso vale ovviamente anche se il pezzo di ferro ed il pezzo di zinco fossero separati da un filo elettrico conduttore, di qualsiasi degli altri metalli, ad esempio dal classico filo di rame.
Quando l’ossigeno dell’aria cercherà di strappare via degli elettroni da un oggetto così composto (tentativo di ossidazione incipiente) il ferro farà semplicemente “da conduttore”, mentre gli elettroni realmente strappati via saranno quelli dello zinco, che sarà l’unico metallo del gruppo ad ossidarsi.
Questo indipendentemente dal fatto che gli agenti atmosferici avversi attacchino direttamente lo zinco o agiscano invece sul pezzo di ferro ad esso collegato: sarà comunque lo zinco a consumarsi, ed il ferro (e l’eventuale filo di rame posto in mezzo) serviranno al limite a condurre gli elettroni dallo zinco all’ossigeno disciolto nell’acqua.
anodo sacrificale in zinco Il pezzo di zinco quindi si corroderà, consumandosi lentamente nel tempo, ovvero si “sacrificherà”, prendendo il nome nel linguaggio tecnologico di “anodo sacrificale”, mentre il ferro resterà intatto. Tutta questa tecnica prende il nome di protezione catodica per accoppiamento galvanico ed affonda le sue radici nel lavoro del chimico inglese Sir Humpry David risalenti al 1824.

Questo sistema è usatissimo per esempio per proteggere le carene in ferro delle navi dalla corrosione da parte dell’acqua di mare, ma anche negli elementi meccanici più delicati delle automobili ma anche molti manufatti metallici più domestici particolarmente esposti alle intemperie, penso per esempio alle staccionate ed ai cancelli in fero, potrebbero beneficiare di questa semplice soluzione. Si collega la staccionata tramite un filo elettrico ad un pezzo di zinco (ma a questo punto si potrebbe dire anche di titanio, di alluminio o di cromo), ad esempio a forma di cuneo, e si conficca quest’ultimo nel terreno. Basterà ricordarsi di verificare ogni tanto se questo è prossimo alla scomparsa e quindi sostituirlo periodicamente. E ricordarsi anche che tutto cosa è scomparso dal pezzo è andato a finire, sotto forma di sali per lo più solubili, nel terreno: sarà meglio pensare di tenere l’anodo sacrificale eventualmente piantato in un vaso di terra per evitare rischi di piccoli inquinamenti circostanti.

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