Com determinar l'estabilitat química dels materials

La determinació de l'estabilitat química dels materials es pot dur a terme des dels següents aspectes:

I. Anàlisi teòrica

1. Anàlisi de la composició química

– Comprendre la composició química dels materials és la base per avaluar-ne l'estabilitat química. Per exemple, en el cas dels materials metàl·lics, l'estabilitat química dels metalls purs sol estar relacionada amb la seva posició a la sèrie d’activitat dels metalls. Els metalls preciosos com l’or (Au) i el platí (Pt) tenen propietats químiques relativament estables perquè es troben al final de la sèrie d’activitat dels metalls i no tendeixen a reaccionar amb àcids, bases i sals habituals. En canvi, metalls com el ferro (Fe) i el zinc (Zn) són relativament més reactius i presenten una estabilitat química lleugerament inferior.

– Per als materials polimèrics, la seva estabilitat química està relacionada amb l’estructura i la composició de les cadenes moleculars. Els materials polimèrics que contenen més enllaços insaturats (com ara dobles enllaços carboni-carboni) poden tenir una estabilitat química inferior, ja que aquests enllaços insaturats són propensos a reaccions d’addició, d’oxidació i d’altres tipus. Per exemple, la goma natural conté un elevat nombre de dobles enllaços carboni-carboni i es pot oxidar fàcilment per l’oxigen, el que provoca l’envelliment de la goma.

2. Anàlisi de l’estructura cristal·lina (per a materials cristal·lins)

– L’estructura cristal·lina dels materials pot afectar-ne l’estabilitat química. Per exemple, en els cristalls metàl·lics, les estructures cristal·lines de compactació propera (com ara l’empaquetament cúbic amb cares centrades i l’empaquetament hexagonal compacte) solen ser més estables que els cristalls metàl·lics amb estructures d’empaquetament cúbic amb cos centrats. Això és degut al fet que l’estructura de compactació propera fa que els enllaços entre àtoms siguin més curts i, per tant, resulta més difícil que substàncies externes hi penetren i hi reaccionin.

– Per als cristalls iònics, la magnitud de l’energia reticular també pot reflectir-ne l’estabilitat química. Els cristalls iònics amb una energia reticular elevada (com l’òxid de magnesi, MgO) tenen una estabilitat química relativament alta, ja que els enllaços iònics són forts i cal una quantitat d’energia relativament elevada per trencar-los, fet que fa que aquests cristalls siguin menys propensos a experimentar reaccions químiques en condicions normals.

II. Proves experimentals

1. Proves de resistència a la corrosió

Prova de boira salina: Aquest és un mètode d'assaig àmpliament utilitzat per a materials metàl·lics i materials amb revestiments protectors. Les mostres del material es col·loquen en una cambra d'assaig de boira salina i se'ls pulveritza una solució de clorur de sodi (per exemple, en una prova de boira salina neutra, s'utilitza una salmorra de clorur de sodi amb una concentració de 50 g/L i un pH entre 6,5 i 7,5) per simular un entorn salí com el de l'oceà o les zones costaneres. Es comprova si apareixen fenòmens com la formació de rovell, la corrosió, l'esclosió o altres alteracions a la superfície del material durant un cert període de temps (per exemple, 24 hores, 48 hores, 72 hores, etc.). Si el material mostra una corrosió evident en un temps relativament curt, això indica que la seva estabilitat química és deficient.

– Prova d’immersió: Seleccioneu la solució d’immersió corresponent segons l’entorn d’ús del material. Per exemple, per als materials que poden utilitzar-se en un entorn àcid, es poden submergir en una solució àcida d’una determinada concentració (com ara àcid sulfúric, àcid clorhídric, etc.); per als materials utilitzats en un entorn alcalí, es submergeixen en una solució alcalina (com ara una solució d’hidròxid de sodi). Observeu el canvi de massa i el canvi de la morfologia superficial del material durant el procés d’immersió. Si el material experimenta una pèrdua important de massa i apareixen foves de corrosió a la superfície durant el procés d’immersió, això indica que la seva estabilitat química no és bona.

2. Proves d’estabilitat tèrmica

Anàlisi termogravimètrica (TGA): Sota un control programat de la temperatura, es mesura la relació entre la massa del material i la temperatura. Quan el material es calefacciona, si hi ha una pèrdua de massa notable a una temperatura relativament baixa, pot ser perquè el material ha patit descomposició, oxidació o altres reaccions químiques. Per exemple, alguns materials polimèrics orgànics experimenten descomposició tèrmica a altes temperatures, i mitjançant la TGA es pot determinar la temperatura de descomposició tèrmica per avaluar-ne l’estabilitat química en un entorn d’alta temperatura.

– Calorimetria diferencial d'escaneig (DSC): pot mesurar el canvi de calor del material durant el procés de calefacció o refredament. Si el material mostra pics endotèrmics o exotèrmics durant el procés de calefacció, això pot ser degut a transicions de fase, reaccions químiques, etc. Analitzant la posició i la mida d'aquests pics, es pot avaluar l'estabilitat química del material. Per exemple, determinades aliatges experimenten transicions de fase a temperatures específiques, i aquestes transicions de fase poden afectar l'estabilitat química del material.

3. Proves d'estabilitat a l'oxidació Prova d'oxidació accelerada: Per als materials propensos a l'oxidació (com ara metalls, greixos, etc.), l'estabilitat a l'oxidació es pot avaluar mitjançant una prova d'oxidació accelerada. Per exemple, en un entorn amb alta temperatura i elevat contingut d'oxigen, es pot observar la velocitat d'oxidació del material. Per als materials metàl·lics, es pot mesurar l'augment de gruix de la pel·lícula d'òxid i l'augment de massa per determinar-ne l'estabilitat a l'oxidació. Per als greixos, el grau d'oxidació es pot mesurar detectant indicadors com el valor de peròxids. Si el material presenta una velocitat d'oxidació elevada en la prova d'oxidació accelerada, això indica que la seva estabilitat química és deficient.

4. Proves de reactivitat amb altres substàncies – El material pot sotmetre’s a una prova de contacte amb altres substàncies amb les quals podria entrar en contacte (com ara dissolvents, altres materials, etc.). Per exemple, per als materials d’envasament, cal fer proves de reactivitat amb components alimentaris (com ara greixos, àcids, bases, etc.). El material es posa en contacte amb simulants alimentaris i, mitjançant la detecció de la migració de substàncies i de si el material ha canviat, es pot avaluar la seva estabilitat química. En el cas de materials compostos, cal comprovar si es produeixen reaccions químiques entre els diferents materials, cosa que podria afectar el rendiment global del material.