The Mackay School

Departamento de Ciencias Naturales

Consecuencias ambientales

debido a la presencia de

contaminantes químicos

en pilas comerciales

RESUMEN

La motivación personal en la realización de esta monografía, es que la química brinda la posibilidad de abordar la problemática medioambiental a través de temas integradores como la contaminación del suelo, el agua y la atmósfera.

La contaminación ambiental es un tema muy amplio para una monografía. Sin embargo, al ver una pila en el suelo derramando su contenido tóxico, sentí la necesidad de hacer un trabajo acerca de las consecuencias sobre el medio ambiente, por los elementos químicos que componen pilas y baterías. Para desarrollarlo, investigué qué son las pilas; su composición y clasificación. Posteriormente, busqué información sobre los efectos de algunos de sus componentes químicos, sobre el medioambiente y el hombre. Pensé en experimentos simples sobre semillas germinando, para ilustrar el efecto de los contaminantes en los seres vivos.

Finalmente, busqué información sobre algunas de las formas en las que se ha abordado el problema de disminuir la contaminación con desechos de acumuladores eléctricos. Fue entonces que observé que el grave problema de la contaminación con las pilas que usamos en controles remotos, juguetes, linternas, etc., es ampliamente subestimado con soluciones parciales, y a veces ignorado, hasta el momento en que nos afecta grave y directamente.

A pesar que el uso de las pilas es primordial en muchos casos, es importante buscar nuevas alternativas menos contaminantes.

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ÍNDICE

Introducción 4

Marco Teórico 6

Parte experimental 1 11

Parte experimental 2 12

resultados experimentales 13

discusión de resultados 16

Conclusión 17

AGRADECIMIENTOS 18

Bibliografía 19

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INTRODUCCIÓN

Se denomina contaminación ambiental a la presencia en el ambiente de uno o varios agentes físicos, químicos o biológicos, en lugares, formas y concentraciones tales que sean o puedan ser nocivos para la salud, la seguridad, el bienestar de la población y para la vida vegetal o animal.

En otras palabras, la contaminación ambiental es la incorporación a los cuerpos receptores de sustancias sólidas, liquidas gaseosas, o mezclas de ellas, siempre que alteren desfavorablemente las condiciones naturales del mismo, o que puedan afectar la salud, la higiene o el bienestar del público.

La preocupación por los efectos negativos en la naturaleza, producidos históricamente por las actividades del hombre, han ido cobrando mayor importancia. Por lo tanto, en este siglo encontramos una mayor conciencia social por la contaminación ambiental.

Según el medio que contaminan, la contaminación ambiental se puede clasificar en atmosférica, hídrica y del suelo. La acción gravitatoria hace que muchos productos se precipiten contaminando el suelo, lo cual puede afectar directamente alimentos, reservas de agua potable y, por lo tanto, a animales, a plantas y al hombre.

La contaminación del suelo (la presencia de compuestos químicos producidos por el hombre u otra alteración del suelo), aparece con frecuencia al producirse una ruptura de tanques de almacenamiento subterráneo, o en la aplicación de pesticidas, filtraciones de rellenos sanitarios o de acumulación directa de productos industriales.

Los contaminantes más comunes del suelo incluyen hidrocarburos, solventes, pesticidas y metales pesados. La magnitud de esta contaminación está estrechamente relacionada con el grado de industrialización e intensidad del uso de productos químicos.

La contaminación de suelos pone directamente en riesgo la salud, principalmente al entrar en contacto con fuentes de agua potable. La delimitación de las zonas contaminadas y la resultante limpieza de éstas, son tareas que consumen mucho tiempo y recursos, requiriendo extensas habilidades de geología, hidrografía, química, física, biología y modelización computacional.

Una de las formas en que se produce la contaminación del suelo, es a través de acumuladores eléctricos, los que contienen metales de alta densidad ("pesados"), como el plomo, cadmio, manganeso y mercurio.

Aquí se expone el problema de la contaminación debida a las pilas, a partir de la consulta a diversas fuentes bibliográficas, y se ilustra con experiencias en las que se observa el crecimiento de semillas en presencia de componentes químicos presentes en las pilas.

En este trabajo se resumen los efectos directos e indirectos más relevantes, causados por el hombre, quien arroja pilas sin considerar que, lo que afecte al medio ambiente, le afectará a él. Como ejemplo, aquí se ha comprobado la presencia de contaminación con mercurio en las plantas.

El tema se desarrolló a partir de información bibliográfica, incluyendo experiencias ilustrativas en las que se observó el crecimiento de semillas en presencia de componentes químicos presentes en las pilas. Además, se comprobó la presencia de bioacumulación por mercurio y manganeso.

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MARCO TEÓRICO

Pilas y Baterías

Los distintos tipos de baterías comerciales se pueden clasificar según su composición química interna:

Las baterías de plomo, que están constituidas por dos electrodos de plomo, de manera que, cuando el aparato está descargado, se encuentra en forma de sulfato de plomo (II) (PbSO4) incrustado en una matriz de plomo metálico (Pb); el electrolito es una disolución de ácido sulfúrico (H2SO4). Este tipo de acumulador tiene muchas aplicaciones, entre ellas en los automóviles.

También existen las baterías alcalinas, denominadas de ferroníquel. Sus electrodos se componen de láminas de acero en forma de rejilla con panales rellenos de óxido niqueloso (NiO), como electrodo positivo, de óxido ferroso (FeO) el negativo, y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio (KOH). Durante la carga se produce un proceso de oxidación anódica y otro de reducción catódica, transformándose el óxido niqueloso en niquélico y el óxido ferroso en hierro metálico. Esta reacción se produce en sentido inverso durante la descarga. Se utilizan para aparatos complejos y de elevado consumo energético. En sus versiones de 1,5 voltios, 6 voltios y 12 voltios se emplean, por ejemplo, en control remoto y alarmas.

Por otro lado, se encuentran las baterías alcalinas de manganeso. Con un contenido de mercurio de 0,1% de su masa total, es una versión mejorada de la pila anterior, en la que se ha sustituido el conductor iónico cloruro de amonio por hidróxido potásico. El recipiente de la pila es de acero, y la disposición del zinc y del óxido de manganeso (IV) es la contraria, situándose el zinc, ahora en polvo, en el centro. La cantidad de mercurio empleada para regularizar la descarga es mayor. Esto le confiere mayor duración, más constancia en el tiempo y mejor rendimiento. Por el contrario, su precio es más elevado. También suministra una fuerza electromotriz de 1,5 V. Se utiliza en aparatos de mayor consumo como: grabadoras portátiles, juguetes con motor y flashes electrónicos.

Además, están las baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH). Utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Cada célula de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,8 y 2,3 Ah. Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg. Este tipo de baterías se encuentran afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía.

También se fabrican baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd), que utilizan un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de un compuesto de cadmio. El electrolito es de hidróxido de potasio. Esto permite recargar la batería una vez agotada, para su reutilización. Cada célula de Ni-Cd proporciona un voltaje de 1,2 V y una capacidad entre 0,5 y 2,3 Ah. Sin embargo, su densidad de energía es sólo de 50 Wh/kg, lo que hace que tengan que ser recargadas con frecuencia.

Las baterías de iones de litio (Li-ion) utilizan un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u óxido de manganeso. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a densidades del orden de 115 Wh/kg. Además, no sufren el efecto memoria.

Por último, se tienen las baterías de polímero de litio (Li-poli). Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus características son similares, pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de descarga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes su tamaño y masa las hace útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración, como manos libres bluetooth.

Cómo puede minimizarse la contaminación

La contaminación a causa de las pilas se puede prevenir o minimizar de diversas formas. En un primer lugar, a nivel personal, hay que desecharlas en los contenedores especiales destinados a pilas. Pero esto no existe aún en todos los países.

Las baterías níquel cadmio (Ni-Cd), proporcionan mayor potencia, tienen mayor densidad energética y una mayor duración que las de plomo ácido. Sin embargo son mucho más caras. Algunas son del tipo recargables, con cuyo uso se evita desechar metales pesados con tanta frecuencia.

Una alternativa bastante prometedora y que se encuentra todavía en desarrollo, son baterías de níquel-hidruro metálico, sodio-azufre, litio-disulfuro de hierro y litio-polímero. Sin embargo, a pesar de sus ventajas, la opción más realista todavía es la batería de plomo-ácido, mejoradas por los distintos avances tecnológicos.

La alternativa más atractiva a las baterías como acumulador eléctrico, es la pila de combustión de hidrógeno. En realidad, se trata de un tipo de batería en la que las especies activas para el almacenamiento son hidrógeno y oxígeno, en vez de metales pesados. El principio de funcionamiento es similar, y en particular, no requiere la aplicación externa de corriente eléctrica. El almacenamiento de energía se realiza mediante la adsorción de gas.

Efectos directos sobre los seres humanos

Lamentablemente, las pilas son arrojadas con el resto de la basura, sufriendo la corrosión de sus carcasas, produciéndose el derrame de los electrolitos, y arrastre los metales pesados. Así se liberan y llegan componentes tóxicos a los suelos, cultivos, aguas superficiales y subterráneas. Además, los incendios de los basureros, representan un aporte significativo de sus contaminantes al aire. Por ejemplo, las pilas comunes, como se mencionaba, están compuestas de carbón y zinc, además de un alto contenido de mercurio. En las pilas alcalinas el contenido de mercurio también es alto y están fabricadas a partir de dióxido de manganeso y zinc. A continuación se señalan las principales características de estos elementos.

Mercurio

Existen estudios que muestran que el 35 % de la contaminación por mercurio (cuyo punto de ebullición es 357ºC) es ocasionada por las baterías que se incineran con la basura doméstica. Su inhalación puede causar efectos severos e inmediatos una vez dentro del organismo. El metal se acumula en los riñones, cerebro y testículos. Se convierte en Hg2+ y se coordina rápidamente con grupos dadores tiol (RSH) presentes en las proteínas. El resultado final del envenenamiento con mercurio es un grave daño al sistema nervioso central. Está demostrado que un alto nivel de mercurio en la sangre provoca cambios de personalidad, pérdida de visión, sordera, problemas en los riñones y pulmones. Es altamente peligroso para las mujeres embarazadas. Por eso, la mayoría de las pilas y baterías modernas carecen de mercurio. Sin embargo contienen níquel y cadmio, dos metales pesados y también tóxicos.

Cadmio

El cadmio puede ser encontrado mayoritariamente en la corteza terrestre. Este siempre está asociado al zinc. Se obtiene como subproducto de extracciones de zinc, plomo y cobre. La ingesta de cadmio en el hombre ocurre mayormente a través de la comida, siendo ejemplos de esto los patés, champiñones, mariscos, cacao y algas secas. Una exposición a niveles significativamente altos ocurre cuando la gente fuma, ya que el humo del tabaco transporta el cadmio a los pulmones. Esto puede incluso causar la muerte.

Níquel

El efecto adverso más común de exposición al níquel es una reacción alérgica, e incluso, algunas personas podrían sufrir ataques de asma. Ciertos compuestos del níquel son posiblemente carcinógenos para los seres humanos.

Dióxido de manganeso

Dado que el mayor volumen consumido de pilas son alcalinas y de carbón-zinc (aproximadamente el 76% del consumo total), el dióxido de manganeso contenido en ellas es el contaminante que en mayor volumen se ha liberado al medio ambiente. La exposición a altos niveles de manganeso durante largo tiempo ocasiona perturbaciones mentales y emocionales, y provoca movimientos lentos y faltos de coordinación.

Malformaciones a causa de estos contaminantes

Lamentablemente, componentes como el mercurio pueden causar malformaciones; “Importantes estudios han sido realizados por autores relacionando malformaciones congénitas con diversas sustancias… (Incluyendo el caso de contaminación con mercurio en los cuerpos de agua de la zona minera del sur del departamento de Bolívar y en la bahía de Cartagena (Durán A. 1994)”

Por el otro lado en casos severos de contaminación por cadmio, puede disminuir de estatura, lo que trae como consecuencia la compresión de los órganos internos y, derivado de ello, un gran dolor. Dicha patología ha tenido en Japón su principal exponente, donde se conoce como la "enfermedad del ay ay ay".

Contaminación del Medio Ambiente

Contaminación del agua

Una pila de mercurio puede contaminar 600.000 litros de agua. Su fabricación consume 300 veces más que la energía que puede llegar a producir, por lo que solo su fabricación, ya es indirectamente contaminación. Como se ha mencionado, cuando una pila es desechada, se descompone su la cubierta metálica y los metales pesados que se vierten a la tierra terminan contaminando las napas acuíferas. Las plantas absorben el mercurio, que se acumula, como se muestra en este trabajo, pudiendo llegar a perjudicar a los seres humanos que ingieran estos alimentos contaminados.

Contaminación del aire

El mercurio a temperatura ambiente emite vapores, los cuales son bastante peligrosos. Los efectos inmediatos que puede producir por inhalación son: escozor de garganta, dolor de cabeza, náuseas, pérdida del apetito y debilidad muscular. Lo mismo con el cadmio; si se produce quema de basura en donde se encuentre el cadmio, éste se dirige al aire; una vez ingresado vía inhalación, el cuerpo lo absorbe generando efectos adversos sobre la salud.

Contaminación de los suelos

Por lo expuesto antes, los metales pesados de las pilas desechadas, son un factor importante en la contaminación de los suelos. Estos elementos se fijan en las rocas, y al meteorizarse se liberan y esparcen por todos lados.

Las concentraciones de estos elementos pueden llegar a afectar el crecimiento de las plantas, y tener efectos negativos para los animales y seres humanos que las consumen. Esto también significa un grave problema económico, donde la contaminación de cultivos puede llevar a la quiebra a empresas; “Los metales pesados pueden acumularse en las partes comestibles de los cultivos dedicados al consumo humano o para alimento de animales. La capacidad de absorción de las plantas con respecto a metales pesados es variable, lo que abre la posibilidad de adaptar la elección de cultivos según el grado y tipo de contaminación. Por lo general, las cantidades mayores de metales pesados se acumulan en las hojas, mientras que los contenidos más bajos se encuentran en las semillas. Arvejas, melones, tomates y pimientos muestran cifras de absorción muy bajas. La absorción de metales pesados en las plantas (especialmente cadmio y plomo) también varía según el pH del suelo”

Por otro lado, la variación de los potenciales redox tiene importantes consecuencias para la contaminación atmosférica, especialmente en lo que respecta a metales como el cadmio, plomo, y níquel; componentes de diversas baterías. Generalmente, la solubilidad de los metales pesados es mayor en ambientes oxidantes. Bajo condiciones oxidantes con pH neutro-alcalino, los metales se absorben sobre la superficie de partículas insolubles como Fe(OH)3 y MnO2, el proceso se ve favorecido por la presencia de fosfato ya que éste actúa como ión puente. Cuando los potenciales redox, debido a la acción microbiana, se desplazan a condiciones ligeramente oxidantes o ligeramente reductoras, y el intervalo de pH hacia valores ácidos, el Fe(OH)3 y MnO2 presentes en el suelo y sedimentos se reducen y solubilizan hacia las aguas subterráneas. Un caso importante de contaminación metálica favorecida por procesos redox mediados por organismos es el mercurio. El mercurio inorgánico, en cualquiera de sus estados de oxidación habituales, no resulta tóxico cuando se ingiere ya que tiende a atravesar el sistema digestivo, pero el Hg° es muy tóxico cuando se inhala. En lo que respecta al (CH)3Hg+ es muy tóxico independientemente de su vía de exposición. Su ruta medioambiental hacia la toxicidad implica la participación de bacterias reductoras de sulfato presentes en los sedimentos. Como parte de su metabolismo, estas bacterias emplean los grupos metilo para producir acetato. Cuando las bacterias se exponen al Hg2+, éstas le transfieren sus grupos metilo originando (CH)3Hg+, debido a la solubilidad del metilmercurio éste se incorpora a la cadena alimenticia marina donde se bioacumula en los tejidos proteicos de los pescados.

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PARTE EXPERIMENTAL

El trabajo experimental consta de dos partes. En la primera se evaluaron los efectos de componentes químicos considerados "agentes contaminantes", sobre un cultivo de semillas de lentejas. Para esto se utilizaron compuestos de dos metales pesados de los encontrados en pilas, mercurio y manganeso.

Por otro lado, en la segunda parte del trabajo experimental, se verificó la bioacumulación de Hg y Mn en muestras de la primera parte. Es decir, el trabajo experimental consta de una evaluación visual de los efectos, y en segundo lugar, una determinación química de la bioacumulación.

Parte 1:

“Efectos de los agentes contaminantes en la germinación”

Materiales:

- 20 semillas de lentejas

- 4 vidrios reloj

- algodón

- 1 pipeta de 10 mL

Reactivos:

-3 g de mercurio (Hg)

-3 g de dióxido de manganeso (MnO2)

-3 mL de hidróxido de potasio (KOH)

Procedimiento:

1. Formar 4 muestras con 5 lentejas cada una.

2. Colocar cada muestra en un vidrio reloj con bastante algodón.

3. Introducir en muestra, los siguientes reactivos:

N°1: 3 g de MnO2

N° 2: 3 mL de KOH.

N° 3: muestra patrón (sin contaminantes)

N° 4: 3 g de Hg

4. Agregar agua cada dos días para asegurar el crecimiento de las semillas.

5. Observar continuamente el desarrollo del crecimiento y tomar nota.

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Parte 2:

“Comprobación de la bioacumulación de metales pesados en las plantas”

Se utilizan las muestras N° 1 y 4 de la parte anterior, después de la germinación y al cabo de 20 días.

Muestra 1: Cultivo en presencia de MnO2.

Muestra 4: Cultivo en presencia de Hg.

Materiales

- Mortero

- 4 Vasos precipitados

- 2 Embudos de vidrio

- Papel filtro

- 3 pipetas de 10 mL

- Mechero de Bunsen

- Mascarilla

- Campana

Reactivos:

- Nitrato de plata (AgNO3) 0,1M

- Agua oxigenada, (H2O2)

- Agua destilada

Procedimiento:

1. Moler por separado las muestras N° 1 y 4.

2. Agregar 100 mL de agua destilada a cada muestra y mezclar.

3. Filtrar ambas mezclas para eliminar residuos sólidos.

4. Reconocer la presencia de metales pesados.

Mercurio:

Los vapores de mercurio en el aire se ponen de manifiesto mediante un papel filtro sobre el cual se han hecho trazos con una solución de AgNO3. Los trazos ennegrecen cuando se evapora la solución de mercurio (muestra N°4), a consecuencia de la reducción del complejo de plata.

Precaución: Al trabajar con Mercurio se debe considerar que éste emite vapores tóxicos a temperatura ambiente, los que pueden causar incluso la pérdida de la memoria. Por esto, es preciso trabajar bajo campana y con mascarilla.

Manganeso:

Mezclar la solución obtenida de la muestra N°1 con 10 mL de H2O2. Al cabo de unos segundos, comenzará un burbujeo si existe manganeso en la solución.

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RESULTADOS EXPERIMENTALES

Fotos que muestran la evolución del crecimiento de las muestras. A continuación, las siguientes fotografías, Figs. 1 a 4, muestran el efecto de los contaminantes en las semillas en crecimiento.

Figura 1: Muestras recién plantadas.

Lentejas con (1) MnO2, (2) KOH, (3) Muestra patrón, (4) Hg.

Figura 2: Germinación, día 3.

Figura 3: Germinación, día 10.

Figura 4: Germinación, día 19.

Figura 5: Papel filtro con manchas de reducción del complejo plata.

Tabla N° 1

Efectos de contaminantes sobre la germinación

Agente Contaminante	Crecimiento de la semilla	Observaciones
MnO2	Sí	Crecimiento de forma lenta
KOH	No	Se ennegreció.
Ninguno	Sí	Crecimiento Normal.
Hg	Sí	Crecimiento de forma lenta.

Tabla N°2

Detección de contaminantes (Bioacumulación)

Reconocimiento de:	Presencia
Hg	X
MnO2	X

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DISCUSIÓN DE RESULTADOS

En las Figuras 1, 2, 3 y 4 se puede observar que la adición de KOH, ennegreció las lentejas (debido a su carácter fuertemente básico) e impidió su crecimiento.

Por otro lado, la muestra patrón creció más rápidamente que aquellas que contenían MnO2 y Hg. Esto indica, que estos agentes contaminantes afectan la velocidad de crecimiento de las semillas.

Es importante considerar que los efectos mostrados pueden ser más intensos que los observados en los procesos de contaminación, ya que las concentraciones utilizadas en este trabajo son muy altas. Por ello, es preciso destacar que este experimento tiene como objetivo principal comprobar de manera cualitativa el efecto de los contaminantes en las semillas.

Finalmente, el trabajo experimental ha permitido detectar la presencia de agentes contaminantes en las semillas. Por lo tanto, es importante considerar que cuando se arrojan pilas al medio ambiente, existe la posibilidad de bioacumulación, pasando a los animales y posteriormente a los seres humanos.

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CONCLUSIONES

La contaminación de las pilas es un problema grave, y que la sociedad en muchos casos, está dejando de lado debido a los costos involucrados para abordarlo. Afecta al suelo y por consiguiente a cultivos, napas de agua y a la atmósfera. Por lo tanto, esto afecta notablemente a la salud. En efecto, se ha comprobado que puede producir cáncer y malformaciones congénitas, es decir sobre todos los factores bióticos y gran parte de los factores abióticos. Estos elementos provocan un enorme daño no solo a nuestra naturaleza sino también a todos los seres humanos, que paradójicamente son los causantes de este problema.

El ritmo de consumo de los recursos naturales, y la irresponsabilidad en la contaminación ambiental, hacen que mucha gente dude del futuro de la habitabilidad de nuestro Planeta. Para abordar este problema, existen alternativas y métodos. Solo basta con optarlas para reducir notablemente la contaminación, y cuidar mejor al planeta, que es de todos los seres vivos.

Con el cuidado del medio ambiente, el hombre no sólo mejora la calidad de vida de todos, sino que también puede aumentar las oportunidades de existencia para él y las futuras generaciones

Por último, se comprobó experimentalmente la bioacumulación de dos elementos presentes en las pilas, Mercurio y el dióxido de manganeso. Se evaluaron gran parte de los efectos sobre el medioambiente y seres vivos por parte de residuos de las pilas.

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BIBLIOGRAFÍA

-Química Medioambiental 2ª Edición Pearson Prentice Hall

Thomas G. Spiro y William M. Stigliani

-Química Analítica Cualitativa decimo cuarta edición editorial Paraninfo

Dr. Fernando Burriel, Dr. Siro Arribas Jimeno, Dr. Felipe Lucena Conde y Dr. Jesús Hernández Méndez.

-Microsoft Encarta 2006

-Química la ciencia central Novena edición Pearson Prentice Hall

Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay Jr., Bruce E. Bursten y Julia R. Burdge

- http://www.sapiensman.com/electrotecnia/pilas_y_baterias.htm

-http://www.chem1.com/acad/webtext/elchem/

- http://ecoabc2.galeon.com/

- http://www.fao.org/urbanag/Paper2-s.htm

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Corrosión: Proceso por el cual un metal es oxidado por sustancias de su entorno.

http://encolombia.com/plastica61620estudio3.htm

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