experimento sobre la corrosiÓn y la degradaciÓn de los materiales
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UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA
“JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA ESTRUCTURAL
CIENCIA DE LOS MATERIALES
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
EXAMEN CORTO 3: EXPERIMENTO SOBRE LA CORROSIÓN Y LA DEGRADACIÓN DE LOS MATERIALES
POR:
JENNIFER LILIANA MARTÍNEZ REYES. 00015012. #48
JULIO ALFREDO MENDOZA PÉREZ. 00008812. #51
FEBRERO, 2013
ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR
INTRODUCCIÓN
La mayoría de materiales presentan algún tipo de interacción con el ambiente que lo rodea. Estas interacciones suelen dañar el material, perdiendo este su utilidad. La corrosión galvánica ocurre cuando dos metales o aleaciones de distinta composición se acoplan eléctricamente y al mismo y son expuestos a un electrolito. Este documento consiste en un reporte sobre los resultados de un experimento en el cual se observaron los efectos de la corrosión galvánica para ciertos acoples galvánicos.
OBJETIVOS
Indagar sobre los conceptos principales sobre la corrosión y la degradación de los materiales, particularmente sobre la corrosión galvánica.
Comprender cómo influye la reactividad química de un material en la corrosión galvánica. Explicar, utilizando los principios de corrosión galvánica, los comportamientos de corrosión de
distintos acoples galvánicos en distintos medios electrolíticos.
MARCO TEÓRICO
Potenciales electroquímicos.
Cuando un metal se pone en contacto con una solución de un electrólito, en ambos aparecerán cargas de signos opuestos. El metal adquiere con respecto a la solución un potencial eléctrico al cual se le conoce con el nombre de potencial electroquímico.
Considérese un trozo de Zinc sumergido en una solución de sulfato de zinc ZnSO4. El gran momento dipolar del agua tiende a rodear a los iones positivos del Zn+2, apartándolos del electrodo. Entonces, los iones Zn+2 pasan continuamente del electrodo a la solución. Se forman entonces más moléculas de sulfato de zinc.
Paralelamente ocurre el proceso contrario: Dado el gran momento dipolar del agua, el sulfato de zinc se disocia y los iones Zn+2 se encuentran con el electrodo de zinc y se precipitan en el mismo. La experimentación demuestra que la carga adquirida por el zinc posee signo negativo, debido a que, en general, se disuelven más iones Zn+2 en la solución de los que se precipitan en el electrodo de zinc, quedando el zinc con electrones restantes. Entonces aparecerá entre el electrodo y la solución una diferencia de potencial.
Electrodo patrón de referencia.
Con el fin de tener una referencia sobre el cual medir el potencial electroquímico absoluto de un metal con respecto a una solución, se ha escogido como patrón de referencia el electrodo normal de hidrógeno. Este consiste en una combinación de gas hidrógeno y platino, comportándose la combinación como un electrodo de “hidrógeno metálico”. Entonces, cuando este electrodo estándar se sumerge en una solución de concentración 1M de sus iones (iones hidrógeno) y la presión a la cual se hace borbotear el hidrógeno es de una atmósfera, no se producirá ninguna diferencia de potencial entre el electrodo y la solución (su potencial electroquímico es cero).
Potencial electroquímico de un electrodo normal de un elemento.
Usando como referencia el electrodo normal de hidrógeno, se puede medir el potencial electroquímico de otros elementos dados. De esta forma, los potenciales electroquímicos tendrán, además de un valor, un signo, el cual indica si el electrodo del elemento dado adquiere una carga negativa mayor o menor que la del electrodo de hidrógeno; es decir, si el elemento se oxida más fácilmente o menos fácilmente que el hidrógeno. Por normas internacionales se ha convenido que el signo negativo corresponde a los potenciales de los elementos que se oxidan más fácilmente que el hidrógeno y el signo positivo a los potenciales de los elementos que se oxidan menos fácilmente que el hidrógeno.
Los potenciales electroquímicos también se llaman potenciales de oxidación-reducción.
Conceptos de óxido-reducción.
La oxidación consiste en la pérdida de electrones de un elemento o aumento en su estado de valencia y la reducción en la ganancia de electrones o disminución del estado de valencia. Estos fenómenos ocurren siempre conjuntamente. La zona donde ocurre la oxidación se llama ánodo, mientras que la zona donde ocurre la reducción se llama cátodo.
Pilas galvánicas simples.
Un par de electrodos conectados mediante un conductor e introducidos en una solución electrolítica constituyen una pila galvánica.
Supóngase que se ha conectado los electrodos de una pila con un electrodo de zinc y uno de cobre. Los electrones libres del zinc—al tener este un menor potencial electroquímico—pasarán por el alambre al electrodo del cobre y el zinc se volverá menos negativo que lo que era necesario para llegar a un equilibrio. Gracias a esto, nuevos iones de Zn+2 entrarán en la solución y se alejarán del zinc. Por otro lado, los electrones que van por el alambre al electrodo de cobre hacen a este menos positivo y, en virtud de esto, los iones positivos Cu2+ de la solución se depositarán en el electrodo de cobre. De manera que en una pila en circuito cerrado los iones positivos se mueven del electrodo negativo al electrodo positivo y los iones negativos se desplazan en el sentido contrario. En estas circunstancias, el zinc se oxida y el cobre se reduce.
La serie galvánica.
Esta serie presenta las reactividades relativas de varios metales, esta se obtiene en base a los potenciales electroquímicos relativos al electrodo normal de hidrógeno.
Corrosión galvánica.
La corrosión galvánica tiene lugar cuando dos metales o aleaciones con distinta composición química se unen eléctricamente y al mismo tiempo son expuestos a un electrólito. El metal más activo se oxidará o corroerá (ánodo) y el menos activo se reducirá o estará protegido (cátodo).
La velocidad del ataque galvánico depende de las áreas de los electrodo expuestas a la solución electrolítica.
OBSERVACIONES
VASO 1, HIERRO-ALUMINIO EN AGUA
DIA OBSERVACIONES IMAGENESDIA 1
Al introducir el agua en el vaso y dejarlo por cierto tiempo en el primer día no se observó ninguna reacción, no sucedió nada, ambos elementos pasaron sin cambio alguno.
HIERRO- ALUMINIODIA 2
Se observó un cambio de color en el agua que se fue dando poco a poco se fue poniendo amarillo claro.
Se fue haciendo moho poco a poco sobre el clavo (el hierro), es decir el clavo se comenzó a oxidar.
Sobre el aluminio no se observó ningún cambio.
HIERRODIA 3
El agua se tornó más amarilla, una poco más oscura que el día anterior.
El clavo tenía más moho encima.
Se observaron pequeñas burbujas sobre el aluminio.
HIERRO-ALUMINIO
DIA 4 Se observó un pequeño
cambio de color en el agua, esta se hizo más oscura la del día anterior.
En el hierro se noto mas moho, y en el aluminio no se observó ningún cambio.
HIERRO-ALUMINIO
DIA 5 Al realizar las últimas observaciones a este vaso, se realizaron las siguientes anotaciones:
el clavo tenía moho sobre él´. Al sacarlo del vaso y limpiarlo
se observó que había cambiado a un color opaco como verde musgo la parte que estaba sumergida en el agua.
Mientras que en el aluminio se observó ningún cambio, seguía como el primer día del experimento.
HIERRO-ALUMINIO
VASO 2, HIERRO-ALUMINIO EN AGUA Y SAL
DIA OBSERVACIONES IMAGENES
DIA 1 El primer día no se observó ningún cambio de color en el agua, ni sucedió nada con el hierro y el aluminio, solo se observaron unas pequeñas burbujitas en ambos elementos.
HIERRO- ALUMINIODIA 2 El agua no tuvo un gran
cambio de color, solo se observó un poco opaca y se observaron pequeñas partículas blancas en ella.
No se observó ningún cambio en el hierro y el aluminio.
DIA 3 No se observó un gran
cambio con respecto al día anterior, solo se torno más opaca, se observaron más partículas blancas y se observaron más burbujitas en el aluminio.
DIA 4 Se observó mas precipitado blanco en el fondo.
Se observó un mínimo cambio de color en el agua con sal, ya que una parte se hizo un poco amarilla.
No se observó un gran cambio en el hierro, ni en el aluminio.
HIERRO-ALUMINIO
DIA 5 Las últimas observaciones obtenidas fueron:
El aluminio no presentó un gran cambio, solo tenía polvo blanco sobre él y tenía pequeñas peladuras pero bien mínimas.
El hierro estaba negro en algunas partes.
La superficie del hierro ya no era tan lisa, tenía unos puntitos blancos sobre ella.
HIERRO-ALUMINIO
VASO 3, HIERRO-ALUMINIO EN COCA COLA
DIA OBSERVACIONES IMAGENESDIA 1 Se observaron pequeñas
burbujas en el hierro y el aluminio.
HIERRO- ALUMINIO
DIA 2 No se observó cambio de color en la coca cola, ni se observó ningún cambio en el aluminio, solo en él se observaron pequeñas cosas cafés y el clavo se comenzó a poner negro.
HIERRODIA 3
El clavo se hizo más oscuro casi negro, con el aluminio no se obtuvo ningún cambio, y la sustancia no cambio de color.
HIERRO-ALUMINIO
DIA 4 Se observó que el hierro se ponía cada vez más negro, la parte sumergida en la coca cola.
En el aluminio se observaron pequeñas burbujas y partecitas cafés.
HIERRODIA 5 El ultimo día de experimentación se
observó lo siguiente: Sobre el aluminio no se
observó ningún cambio, las partes cafés que se observaron antes era por la coca cola.
El clavo de hierro se puso negro y su superficie tenia asperezas, no se sentía completamente lisa.
HIERRO-ALUMINIO
VASO 4, HIERRO-ALUMINIO EN AGUA Y SAL CON BATERIA, CON TERMINAL POSITIVA HACIA EL HIERRO Y NEGATIVA HACIA EL ALUMINIO
DIA OBSERVACIONES IMAGENES
DIA 1 Al inicio solo se observó
burbujas en el aluminio y un desprendimiento de estas, luego la sustancio comenzó a tornarse color amarillo.
Al finalizar el primer día la el agua se torno opaca y se comenzó a hacer un precipitado color turquesa que se desprendía del hierro.
HIERRO- ALUMINIODIA 2
Se observó una capa color turquesa en el fondo del vaso y encima se observó una capa gelatinosa color anaranjado con amarillo.
Sobre el clavo se observó una capa color negro con blanco y el clavo se había pelado en algunas partes.
El aluminio se tornó opaco.
HIERRO-ALUMINIODIA 3
Se observó la misma capa color turquesa y naranja en el agua.
El clavo tenía una capa oscura sobre él y le comenzó a salir moho encima.
El aluminio estaba opaco y se comenzó a deshacer.
HIERRO-ALUMINIO
DIA 4 En el agua con sal no se
había dado ningún cambio con respecto al día anterior.
En el clavo se observó moho y pequeñas manchas cafés.
El aluminio se seguía desintegrando.
HIERRO-ALUMINIO
DIA 5 Se obtuvieron las siguientes observaciones finales:
El aluminio se había desintegrado completamente.
La parte de aluminio que
VASO 5, HIERRO-ALUMINIO EN AGUA Y SAL CON BATERIA, CON TERMINAL NEGATIVA HACIA EL HIERRO Y POSITIVA HACIA EL ALUMINIO
DIA OBSERVACIONES IMAGENES
DIA 1 Al inicio del día uno se observó burbujeo en ambos elementos, luego de cierto tiempo el agua con sal se comenzó a poner blanca.
Al pasar el día el aluminio se comenzó a deshacer poco a poco.
Se formaron dos capas blancas con textura gelatinosa.
HIERRO- ALUMINIO
DIA 2 El agua con sal se volvió
grisácea con capas gelatinosas.
El aluminio se desintegro completamente la parte que estaba dentro del agua, solo quedaban pequeñas partículas dentro del agua.
El clavo de hierro tenía pocas peladuras.
HIERRO-ALUMINIODIA 3
No se observó un gran cambio en el agua con sal con respecto al día anterior; las pocas partículas que quedaban de aluminio se desintegraron y el hierro solo tenía pocas peladuras.
ALUMINIO
DIA 4 Se observo que además de la capa blanca que se había formado anteriormente en el agua con sal, se formo una capa amarillenta, que se desprendía del hierro.
El hierro tenia pequeñas peladuras.
HIERRO-ALUMINIO
DIA 5 Al finalizar el quinto día de experimentación se observó lo siguiente:
El aluminio se había desintegrado todo.
En el lugar donde estaba el aluminio quedaron cascarones blancos pegados a la superficie del vaso.
El clavo se puso oscuro, con peladuras negras.
HIERRO-ALUMINIO
VASO 6, HIERRO-COBRE EN AGUA
DIA OBSERVACIONES IMAGENESDIA 1
El primer día de observación no se dio ningún cambio en ninguno de los elementos, ni en el color o forma del agua.
Se observaron pequeñas burbujas en el cobre.
Durante todo el día no se dio un gran cambio en la sustancia, poco a poco se fue poniendo opaca.
HIERRO- COBRE
DIA 2 Se observó que la sustancia
se iba colorando poco a poco, tornándose color amarillo claro.
Sobre el clavo se comenzó a formar moho.
Se fue formando un precipitado que salía del clavo, al fondo del recipiente.
HIERRO-PRECIPITADO
DIA 3 El color amarillo en la
sustancia se hizo más intenso. Se formó más moho sobre el
clavo, y había más precipitado al fondo del vaso.
Sobre el cobre no se observó ningún cambio.
HIERRO
DIA 4 Se observó más opaca el
agua con sal, sobre el hierro había más moho, y más precipitado al fondo del vaso.
En el cobre no se observó ningún cambio.
HIERRO-COBRE
DIA 5 Se obtuvieron las siguientes observaciones finales:
El hierro tenia moho sobre él. Al sacarlo del agua y quitarle
el moho, el hierro presentaba partes oxidadas en la parte sumergida en el agua.
El aluminio tenía unas pequeñas partes color café claro.
HIERRO-COBRE
VASO 7, HIERRO-COBRE EN AGUA Y SAL
DIA OBSERVACIONES IMAGENES
DIA 1 No se observó ninguna
reacción al inicio, solo una pequeña cantidad de burbujas en el cobre, tampoco se observó ningún cambio en el transcurso del día.
HIERRO- COBREDIA 2
El agua con sal se fue colorando y se fue haciendo lo que inicialmente era claro, se fue haciendo un amarillo opaco.
Se observó que se fue formando moho sobre el clavo y a la vez se iba a desprendiendo del clavo, creando un precipitado.
HIERRO
DIA 3 No se observó un gran
cambio con respecto al día anterior, solo se observó mas amarilla el agua y mas moho sobre el clavo.
HIERRODIA 4
Ese observó que el agua con sal estaba más amarilla, el clavo tenia más moho sobre él y en el cobre no se observó ningún cambio.
HIERRO-COBRE
DIA 5 En el quinto día de experimentación se obtuvieron las siguientes observaciones:
Dentro del agua con sal el clavo tenía sobre el moho.
Al sacarlo del vaso y retirar el moho se observó que estaba oxidado, un poco más que el sumergido en agua.
El cobre tenia partes cafés, como pelado.
HIERRO
VASO 8, HIERRO-COBRE EN COCA COLA
DIA OBSERVACIONES IMAGENESDIA 1 Se observó un burbujeo
constante en ambos elementos durante quince minutos, luego se dejo de dar ese burbujeo y solo quedaron pequeñas burbujas sobre los dos elementos.
HIERRO- COBREDIA 2
No hubo un mayor cambio en comparación con el día anterior, pero se observó que el clavo se iba opacando al transcurrir el día.
HIERRO-COBREDIA 3
Se observaron burbujitas sobre el clavo y este se fue poniendo café poco a poco.
HIERRODIA 4
Se observó una mayor cantidad de manchas negras sobre el clavo de hierro, poco a poco se iba poniendo oscura la parte sumergida en la coca cola.
En el cobre no se observó ningún cambio.
HIERRODIA 5 Al realizar las últimas observaciones a
este vaso se obtuvo lo siguiente: El clavo de hierro se puso
negro con partes cafés, y su superficie no se sentía completamente lisa.
En el cobre no se observó ningún cambio de color, solo se veía opaco.
HIERRO-COBRE
VASO 9, HIERRO-COBRE EN AGUA Y SAL CON BATERIA, CON TERMINAL POSITIVA HACIA EL HIERRO Y NEGATIVA HACIA EL COBRE
DIA OBSERVACIONES IMAGENES
DIA 1 Al inicio no se observó un cambio de color en el agua con sal, solo se observó un desprendimiento de burbujas del cobre.
Luego de cierto tiempo se observó un desprendimiento de una sustancia color turquesa del hierro, la cual se fue depositando en el fondo.
También el cobre fue desprendiendo una sustancia amarilla.
HIERRO- COBREDIA 2
Se formó un una capa color turquesa con blanco en el fondo del recipiente, en la superficie se formó una capa anaranjada.
Sobre el clavo se formó una capa color oscuro con turquesa y blanco la cual se iba desprendiendo hacia el fondo del vaso.
HIERRO-COBRE
DIA 3 Se desprendió la capa oscura
con turquesa y blanco que se había formado sobre el clavo, y se pudo observar que el clavo se había puesto color oscuro y opaco.
Sobre el cobre se observó pequeñas manchas color gris, como pelado.
HIERRO-COBRE
DIA 4 En el agua con sal no se
observó ningún cambio con respecto a la coloración que tenía el día anterior.
El hierro tenia peladuras cafés.
Y el cobre también presentó peladuras.
HIERRO-COBRE
El ultimo día de experimentación se obtuvieron las siguientes observaciones:
El clavo tenía una capa de
VASO 10, HIERRO-COBRE EN AGUA Y SAL CON BATERIA, CON TERMINAL NEGATIVA HACIA EL HIERRO Y POSITIVA HACIA EL COBRE
DIA OBSERVACIONES IMAGENESDIA 1 Al inicio se observó un
desprendimiento de burbujas de ambos elementos.
Luego se fue dando un cambio de color poco a poco, se fue formando una pequeña capa aqua en el fondo, la cual salía del cobre, y pequeñas partes rojizas.
Del hierro se iba desprendiendo una sustancia color cobrizo.
HIERRO- COBREDIA 2
La sustancia se había puesto color anaranjado con un precipitado aqua en el fondo, el cual se desprendía del cobre.
Se observó que la varita de cobre se había puesto un poco más delgada.
HIERRO-COBREDIA 3
Se observó que el agua con sal ya no estaba anaranjada, solo tenía pequeñas partes color rojizo y el precipitado aqua.
El cobre se fue desintegrando poco a poco, y se fue haciendo más delgado.
Sobre el clavo se formaron unas burbujitas blancas.
HIERRO-COBREDIA 4
No se observó un cambio de color en el agua con sal con respecto al tercer día de observación.
El hierro tenia pequeñas manchas negras.
La varita de cobre estaba mucho más delgada.
HIERRO-COBRE
DIA 5 Las últimas observaciones obtenidas fueron:
Al observarlos dentro del liquido el hierro aun tenía algo blanco sobre él, y el cobre se veía cada vez más delgado.
Luego se observó que el hierro se puso color gris oscuro casi negro.
Y el cobre se había desintegrado poco a poco, inicialmente tenía una longitud de 6.5 cm y diámetro de 0.25 cm y al quinto día tuvo una longitud de 5.8 cm y diámetro
HIERRO-COBRE
CONCLUSIONES
Para los vasos 1 y 3—hierro y aluminio en agua; hierro y aluminio en coca cola—se observó que se oxidó el hierro y al aluminio permaneció aparentemente sin reaccionar. Es un resultado opuesto al esperado, ya que, de acuerdo a la serie galvánica, el aluminio es relativamente más reactivo que el hierro, por lo que, en teoría, el aluminio tuvo que haberse oxidado y el hierro tuvo que haberse reducido. La razón probable de este comportamiento puede radicar en las composiciones químicas exactas del hierro y el aluminio. Según la serie galvánica, el aluminio es solo un poco más reactivo que el hierro. No obstante, es posible que las composiciones químicas específicas hagan que el hierro sea ligeramente más reactivo que el aluminio (se desconoce el porcentaje de carbono del clavo de hierro y si el aluminio tiene impurezas).
Para el vaso 2—hiero y aluminio en agua con sal, no se observó cambio alguno. Probablemente, asumiendo que el hierro y el aluminio tenían similar actividad química, esto pudo haberse debido a que, al disolver sal en agua, las moléculas de agua tendieron a rodear a lones que conforman la sal, dejando pocas moléculas de agua para disolver ya sea los iones de hierro o de aluminio y así retardando considerablemente la óxido-reducción.
Para los vasos 4 y 5—hierro y aluminio con terminal positiva hacia el hierro; hierro y aluminio con terminal positiva hacia el aluminio—se observó que en ambos se desintegró el aluminio. Se esperaba que el electrodo que fue conectado al terminal negativo de la pila quedase protegido de la corrosión, mientras que el otro se corroería, dado que la terminal positiva extraería los electrones del último electrodo (oxidándolo) y los enviaría al primero (reduciéndolo). Éste comportamiento ocurrió en el vaso 5, mas no en el 4. En el vaso 4 se esperaba que el aluminio, al estar conectado a la terminal negativa, se mantuviese protegido cuando en realidad reaccionó. No se pudo dar una explicación válida a este fenómeno inesperado.
Para los vasos 6, 7 y 8—hierro y cobre en agua; hierro y cobre en agua y sal; hierro y cobre en coca cola—se observaron resultados conforme a lo esperado: de acuerdo a la serie galvánica, el hierro es relativamente más reactivo químicamente que el cobre, por lo que en una pila galvánica de estos dos electrodos el hierro debía corroerse y el cobre no, tal y como se observó. Además, se observó que la reacción fue ligeramente más rápida en agua y sal. No se pudo explicar con un argumento válido la razón de este comportamiento.
Los comportamientos de los vasos 9 y 10—hierro y cobre con terminal positiva hacia el hierro; hierro y cobre con terminal positiva hacia el cobre—también se dieron conforme a lo esperado. Se esperaba que el electrodo con la terminal negativa se mantuviese protegido mientras que el electrodo con la terminal positiva se corroyera. Para el vaso 9, el hierro estaba conectado a la terminal positiva, y fue este el electrodo que se corroyó. De manera similar ocurrió para el vaso 10. Los cambios de tonalidad más café para el cobre y más oscuro para el hierro pueden haberse debido a que durante la reacción, hubo iones de cobre y hierro disueltos en la solución que posteriormente se precipitaron de nuevo en los electrodos correspondientes (dado que estos continuaban reduciéndose al estar protegidos por la pila).
En general, se verificó que los materiales más reactivos químicamente según la serie galvánica sufrieron la corrosión en lugar de los menos reactivos. No obstante, se observaron algunas anormalidades, de las cuales algunas se pudieron explicar con argumentos más o menos intuitivos pero coherentes y en otros casos no se pudo explicar a cabalidad por qué los resultados no fueron conforme a lo esperado.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Anónimo. (s.f.). Corrosión y degradación de los materiales. Recuperado en Febrero 6, 2013, disponible en http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2022.pdf
Callister, W. (2009). Ciencia e Ingeniería de los materiales.2° Ed. México: Limusa Wiley. Álvarez, R. (1965). Consideraciones sobre química general. San Salvador, El Salvador:
Universidad de El Salvador.
SUMMARY
The main purpose of this experiment was to explain, applying the fundamentals of galvanic corrosion, the corrosion behavior of different galvanic couplings submerged in different electrolytic solutions. In order to do so, first of all, the topic was briefly researched. The fundamentals of galvanic corrosion were studied. Among the main concepts of galvanic corrosion, it was important acquire some knowledge of electrochemistry. That included: to know the standard reference electrode, to know how the electrochemical potentials of other elements are referred to the standard electrode, to comprehend the basics of Redox and to comprehend how a simple galvanic cell works.
The experiment consisted in mounting ten home-made simple galvanic cells. Five of them used an iron electrode along with a copper electrode and the rest, an iron electrode along with an aluminum electrode. Also, each cell was filled with three different electrolytic solutions: water, salt and water and coca cola. A 1.5 V battery was connected to the electrodes of two cells for both sets of cells. Observations were made during five days. The results were organized and, later, explained.
It was concluded that, overall, the behavior of the galvanic cells occurred according to what it was expected. Nonetheless, there were some cells of which behavior differed from the expected. An explanation was tried to be made for this uncommon behavior. For some phenomena, however, a valid argument could not be stated.