Construcción de una pila Daniell

Las reacciones redox son aquellas en las cuales tiene lugar una transferencia de electrones con la consiguiente variación en el número de oxidación de los elementos. Vamos a construir una pila Daniell con electrodos Cu²⁺/Cu y Zn²⁺/Zn (Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)) de la siguiente forma:

Los materiales necesarios para el desarrollo de la práctica son: dos vasos de precipitado de 250cm³, un puente salino, dos electrodos (en este caso, zinc y cobre), un cable con pinzas como hilo conductor, una bureta graduada, una balanza y un multímetro digital o amperímetro. Además, necesitaremos como reactivos sulfato de cobre (CuSO₄) y sulfato de zinc (ZnSO₄).

Electrodo de cobre (izquierda) y electrodo de zinc (derecha)

Vasos de precipitado

Multímetro

Puente salino

El procedimiento de realización de la práctica es el siguiente:

1º.  Preparamos dos disoluciones de 150ml y 0,5M, una de sulfato de cobre y otra de sulfato de zinc, para ello calculamos los datos necesarios según la siguiente tabla:

2º. Con las disoluciones anteriores llenamos dos vasos de precipitado de 250cm³ .  

Disoluciones de sulfato de cobre (izquierda) y sulfato de zinc (derecha)

Disolución de sulfato de cobre

Disolución de sulfato de zinc

3º. Introducimos en la disolución de ZnSO₄ la lámina de zinc y en la de CuSO₄ la lámina de cobre.

4º. Conectamos ambas láminas con el hilo conductor y las disoluciones con el puente salino.

5º. Medimos con el potenciómetro (multímetro o amperímetro) la diferencia de potencial entre ambos electrodos.

6º. Por último comparamos la diferencia de potencial obtenida con el multímetro (Eº pila experimental) y la que debería haber sido obtenida según la reacción producida: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s) utilizando los potenciales normales de reducción del cobre y el zinc y la fórmula Eº = Eºcátodo - Eºánodo (Eº pila teórico):

La pila obtenida respondería a la siguiente notación y esquema, correspondiendo la semireacción de reducción al cobre (Cu²⁺+ 2 e- →  Cu) y la de oxidación al zinc (Zn - 2 e- → Zn²⁺):

Zn (s)|Zn²⁺||Cu²⁺|Cu (s)

En el siguiente vídeo podéis ver todo el desarrollo de la práctica paso a paso:

GRUPO I: Miguel Salazar, Laura López, María José García y Sergio Fernández 2ºBachillerato-B 

Reacciones redox

Las reacciones redox son aquellas reacciones de tipo químico que llevan a la transferencia de electrones entre reactivos, alterando el estado de oxidación. De este modo, un elemento libera electrones que otro elemento acepta. Siempre que un elemento cede electrones y se oxida, hay otro que los recibe y se reduce.
Aquel elemento que aporta los electrones es el agente reductor. Se trata del elemento que se oxida en la reacción. El elemento que recibe los electrones es el agente oxidante. Se trata del elemento que se reduce, ya que minimiza su estado de oxidación.
La reducción implica captar electrones y reducir el estado de oxidación, mientras que la oxidación es justo lo contrario, el elemento entrega electrones e incrementa su estado de oxidación.
Todo esto quiere decir que las reacciones redox son los procesos que llevan a la modificación del estado de oxidación de los compuestos.

La gestión de las reacciones redox es muy relevante en diversos ámbitos industriales. A través de estos cambios en los compuestos, es posible tomar medidas para minimizar la corrosión de un elemento. donde los materiales adquieren o modifican sus propiedades según a los agentes a los que estén expuestos, o para obtener ciertos productos a partir de la reducción de un mineral.
Para prevenir la corrosión se protege el metal con una capa de otro metal, más resistente a los agentes externos.

Las industrias alimenticias la utilizan para evitar la oxidación de los compuestos utilizando sustancias llamadas antioxidantes (un tipo de conservador). Su función es evitar la alteración de las cualidades originales de los alimentos.  Mediante las sustancias antioxidantes, diversos alimentos susceptibles a la oxidación alargan su vida útil.

Un proceso muy conocido es la combustión, donde se desprende energía en forma de calor y luz, que se manifiesta como si fuese fuego.
En la combustión existe un elemento que arde y otro que produce la combustión, que generalmente es oxígeno en forma de O2 gaseoso.

Estas reacciones constituyen en las industrias electrónicas el principal funcionamiento de las pilas eléctricas.

Las pilas

¿Qué es una pila?
Una pila es un generador de corriente eléctrica que transforma la energía química en energía eléctrica. Muchos aparatos que utilizamos a diario necesitan pilas para poder funcionar como por ejemplo el mando de la televisión, una radio portátil… etc
Existen diversos tipos de pilas eléctricas, pero en todas ellas los detalles constructivos y los materiales utilizados para producir las reacciones químicas que generen la corriente tienen el mismo fundamento.
Elementos de la pila:

¿Cómo funcionan las pilas?
Las pilas generan electricidad mediante un principio químico que consiste en la unión, de forma controlada, de dos sustancias químicas que se encuentran separadas.
Hay una varilla de carbono que hace de electrodo positivo. Este electrodo está rodeado de una sustancia química, el electrolito, que se encarga de posibilitar el traspaso de los electrones entre los dos polos.
Una lámina porosa, normalmente de papel, aisla el electrolito del revestimiento de Zinc, que cubre toda la pila y actúa de electrodo negativo. Al poner en contacto las dos sustancias mediante un conductor eléctrico, se produce el paso de electrones y se genera una corriente eléctrica.

Tipos de pilas
Una primera clasificación sería la distinción entre pilas primarias y secundarias. Las pilas primarias son aquellas que se agotan y son desechadas, las secundarias son las que pueden recargarse, esta clase de pilas son también llamadas baterías. Pero las diferencias más importantes vienen marcadas por la composición de los electrodos y el electrolito. De esto dependerá su duración, tamaño, precio y su nivel de contaminación.

Pilas primarias
- Pilas salinas: Se llaman así porque su electrolito es una solución salina. Son las más comunes y económicas. Tiene una duración media-baja y un nivel de contaminación bajo. Su componente más peligroso es el mercurio, pero cada vez es más reducida la cantidad que contienen.

- Pilas alcalinas: El electrolito es una solución de hidróxido de potasio, comúnmente llamado alcalí. Su precio es casi tres veces superior al de las salinas. Tiene una duración alta y un nivel de contaminación medio-bajo. Hay una normativa europea que limita la cantidad de mercurio que pueden contener, el 0.025% de su peso total.

- Pilas de botón: Suelen ser de óxido de mercurio o de óxido de plata. Tiene una duración alta y un nivel de contaminación muy alto. Una sola pila de botón puede contaminar 600.000 litros de agua. Su contenido de mercurio puede ser de hasta el 30%.

- Pilas de litio: Las pilas con ánodo de litio generan voltajes cercanos a los 3.6 V. Esto permite una gran densidad energética. Tienen una duración muy alta, unas cinco veces mayor a las pilas alcalinas. Tienen un nivel de contaminación medio y contaminan menos que las de mercurio.

Pilas secundarias

Desde el punto de vista ecológico son una opción muy interesante ya que, a pesar de utilizar materiales más contaminantes, al no ser desechables , el impacto ambiental es menor que el de las pilas primarias. 

- Pilas de níquel-cadmio: pueden dar corrientes excepcionalmente altas, y ser rápidamente cargadas  cientos de veces. Tienen una duración media y funcionan mejor si se descargan completamente antes de cargarse de nuevo, si no puede producirse el fenómeno conocido como el efecto de la memoria (que no se cargan completamente). Su nivel de contaminación es muy alto y su componente Cadmio es altamente cancerígeno si se inhala.

La pila de hidrógeno

Es un dispositivo de producción de energía eléctrica que se basa en la reacción química del oxígeno con el hidrógeno. De manera que se puede producir electricidad con la reacción del hidrógeno con el oxígeno dando resultado como residuo el vapor de agua.

Para recargar esta pila sólo hay que aportar hidrógeno. El hidrógeno puede separarse de las moléculas de agua utilizando electrolisis, es decir, aplicando electricidad en el agua. Esta pila tiene la ventaja de que no contamina nada en absoluto. Pero no todo son ventajas, una gran desventaja es el almacenamiento, ya que el hidrógeno es altamente explosivo. También las pilas de hidrógeno sufren una alta oxidación y no tienen una vida útil provechosa.

Factores que influyen en la velocidad de reacción: concentración y temperatura

En esta práctica queremos observar la influencia de la concentración y la temperatura en la velocidad de reacción.

La reacción química entre el tiosulfato de sodio (Na₂S₂O₃) y el ácido clorhídrico (HCl) puede durar un tiempo considerable. En la misma se produce azufre (S) que enturbia la reacción y se desprende dióxido de azufre (SO₂) según: Na₂S₂O₃ (dis. ac.) + 2HCl (dis. ac.) → H₂O + SO₂ (g) + S (coloidal).

Puede determinarse la velocidad de reacción estableciendo el tiempo requerido para que la solución alcance cierto grado de turbidez, en nuestro caso tomamos el momento en el cual una cruz negra dibujada debajo del recipiente en el que se produce la reacción deja de ser visible cuando se la observa a través de la misma.

Los materiales necesarios para la realización de la práctica son: un matraz Erlenmeyer, una probeta, un cronómetro, un mechero, una cruz y una pipeta y los productos son Ácido clorhídrico 2M, Tiosulfato de sodio (40 gr/litro) y agua destilada. Después de tener todo esto, nos podemos poner ¡manos a la obra!:

1ª EXPERIENCIA: INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN

Se va estudiar la reacción entre el tiosulfato sódico (Na₂S₂O₃) y el ácido clorhídrico (HCl) siendo el tiempo que tarda en aparecer el azufre coloidal el que marque la velocidad de la reacción. El procedimiento es el siguiente:

1º. Se toman 50 ml de disolución de tiosulfato sódico y se colocan en un matraz Erlenmeyer.

2º. Se añaden 6 ml de ácido clorhídrico con una pipeta y, al mismo tiempo, se pone en marcha el cronómetro.

3º. Se agita suavemente el Erlenmeyer a intervalos regulares de tiempo y se coloca sobre el papel con la cruz ya marcada.

4º. Se mira la cruz marcada a través de la disolución y cuando se deje de ver se para el cronómetro anotando el tiempo transcurrido para la reacción.

Esta experiencia la repetimos tres veces pero tomando cantidades cada vez menores de tiosulfato sódico y diluyendo con agua destilada  (H2O), obteniendo los resultados que muestra la tabla adjunta:

Representando los datos obtenidos, nos resulta la siguiente gráfica dónde observamos como a medida que disminuye la cantidad de Na₂S₂O₃, va aumentando el tiempo de reacción, tardando cada vez más en desaparecer la cruz marcada en el papel, es decir, la velocidad de reacción está disminuyendo.

Uno de los factores que afectan a la velocidad de reacción es la concentración. La velocidad de reacción depende directamente de este factor ya que a más cantidad de sustancia, mayor número de moléculas y por tanto mayor es la probabilidad de que estas choquen y se produzca reacción. En este caso vemos que cuando aumentamos la cantidad de Na₂S₂O₃ disminuye el tiempo de reacción por lo que aumenta la velocidad, produciéndose la reacción cada vez más rápido.

2ª EXPERIENCIA: INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA

En esta segunda parte, repetimos la experiencia sin modificar la concentración de los reactivos, y solo variando la temperatura de la reacción. Para ello antes de añadir el ácido clorhídrico hay que calentar la disolución de 10 ml de tiosulfato sódico y 40 ml de agua destilada y realizarla a las temperaturas aproximadas de 20ºC, 30ºC, 40ºC y 50ºC, obteniendo los resultados que muestra la tabla adjunta:

Representando los datos obtenidos, nos resulta la siguiente gráfica dónde observamos que a medida que la temperatura aumenta, disminuye el tiempo de reacción y, por lo tanto, aumenta la velocidad.

Según la teoría cinético-molecular, al aumentar la temperatura aumenta la energía cinética de las moléculas de sustancia y por lo tanto aumenta la velocidad de reacción, haciendo que haya mayor número de choques entre las moléculas. Por lo tanto al aumentar el número de choques, se produce antes la reacción, en este caso observamos como desaparece la cruz marcada en el papel cada vez más rápido.

Durante el desarrollo de la práctica nos encontramos con algunos inconvenientes: a la hora de realizar la segunda experiencia calentábamos el agua cada vez a una mayor temperatura, sin embargo, el espacio donde la calentábamos, estaba alejado de donde estábamos realizando la experiencia, por lo que en el desplazamiento pudo perderse parte del calor obtenido, por lo que las mediciones de temperatura no serían totalmente exactas. De ahí que las temperaturas de las experiencias 2 y 3 no sean totalmente coherentes en lo referente a la teoría cinético-molecular. En general, la práctica ha dado los resultados esperados.

Aquí nos podéis ver haciendo la práctica paso a paso, con los resultados obtenidos y una más que divertida explicación del proceso:

GRUPO I: Miguel Salazar, Laura López, María José García, Sergio Fernández y Estela Torres, 2ºBachillerato-B

Métodos de conservación de alimentos

Cuando el hombre descubrió la necesidad de guardar alimentos para épocas de escasez, fue desarrollando técnicas para su conservación.
Los métodos de conservación se han ido perfeccionando día a día gracias sobre todo al avance de la ciencia. No sólo mantienen los alimentos en buen estado durante más tiempo, sino que algunos aportan unos sabores muy característicos.
Conservar los alimentos consiste en bloquear la acción de los agentes que puedan alterar las características originarias como el aspecto, el sabor, el olor... de los alimentos. Estos agentes pueden ser ajenos a los alimentos o estar en su interior, como las enzimas naturales.
Un modo de conservación de alimentos es mediante radiaciones ionizantes, una técnica que alarga considerablemente la duración de los alimentos sometiéndolos a dosis de radiación. Al bombardearlos con una cantidad específica de rayos gamma se destruyen las bacterias, el moho, los parásitos... y se ralentiza el proceso de maduración y germinación de las verduras. Esto favorece la reducción del riesgo de intoxicación.
¿Cómo funciona?
Los rayos gamma alteran el ADN de los microorganismos que se encuentran dentro de los alimentos, matándolos al instante. No existe ninguna forma de comprobar si un alimento ha sido o  no sometido a radiación, sólo que será completamente estéril y no desarrollará ningún tipo de bacteria.
¿Qué seguridad ofrece?
El alimento al que se le ha expuesto a la radiación no es radiactivo, ni se le ha alterado el sabor ni la apariencia. En algunos casos, se puede destruir el contenido vitamínico. Todavía no se ha comprobado el efecto que produce la radiación sobre los aditivos alimenticios.
Características que tiene que tener la radiación:
- Tiene que tener la suficiente capacidad como para penetrar en los alimentos pero no convertirlos en fuentes de radiación.
- Se utiliza un tipo u otro en función de la composición del alimento y su densidad.
Existe un símbolo internacional que sirve para identificar en el etiquetado los alimentos que han sido sometidos a este proceso de irradiación y si no aparece el símbolo, debe mencionarse concretamente que el alimento ha sido expuesto a radiaciones. España es junto con Austria, los únicos países de la UE que no comercializan productos con este tipo de radiación, aunque parece que va a ser por poco tiempo.
La cinética química es la parte de la química que estudia los aspectos referidos a la rapidez con la que se produce las reacciones químicas. La investigación de estos factores proporciona información acerca de cómo los reactivos se transforman en productos. Hay muchos factores que pueden afectar a la rapidez de la reacción como son la temperatura, la naturaleza de los reactivos... y es alrededor de estos aspectos donde se desarrollan los diferentes tipos de conservación de alimentos. Modificando a nuestro favor estas variables para conseguir disminuir el tiempo de la reacción y así disminuir la rapidez, consiguiendo prolongar la duración del alimento en buen estado.

La entropía

Podemos decir que la entropía mide el desorden de un sistema. Por lo tanto, un sistema estará más desordenado cuanta más entropía posea. Según el segundo Principio de la Termodinámica: La cantidad de entropía del universo tiende a incrementarse con el tiempo.
Cualquier proceso o sistema, dejándolo libremente tiende a buscar su estado más estable en el que se encuentre más cómodo. Este suele ser el más caótico. Un ejemplo muy vulgar para entender el término de entropía es relacionarlo con nuestra habitación, cuando esta ordenada (fenómeno que se da raramente) el nivel de entropía es cero, pero sin que nos demos cuenta, al pasar los días, esta se desordena, al aumentar el desorden aumenta la entropía, así como el enfado de nuestra madre.

Por conveniencia se considera nula la entropía en algún estado de referencia que nos sea conveniente.

La entropía se representa por la letra (S). La entropía en el estado gaseoso es mayor que en estado líquido y esta a su vez, es mayor que en estado sólido. No se puede calcular la entropía en su totalidad sino variaciones de esta. La variación de la entropía no depende de los estados intermedios sino de los estados final e inicial.

La imposibilidad de realizar un trabajo es consecuencia de la entropía, cuando esta alcanza su máximo valor.

¿Dónde más podemos ver la entropía?

En geología por ejemplo hemos visto que hace muchísimos años toda la tierra del planeta estaba junta formando lo que nosotros llamamos Pangea. A medida que han pasado los años, y debido a las placas tectónicas, ese terreno se ha ido desplazando, aumentando su desorden y llegando a colocarse de la manera que hoy día la conocemos. 

La flecha del tiempo

Si nos preguntan qué es la entropía somos capaces de dar una pequeña definición a este termino pero, ¿y si nos preguntan que es el tiempo? Están en nuestra vida cotidiana, los trabajamos, conocemos sus propiedades e incluso sabemos que su dirección es siempre hacia delante, como la expansión del universo, pero no sabemos su naturaleza exacta.

Si proyectásemos una película al revés, en seguida nos daríamos cuenta de que las cosas que pasan no suceden en el orden natural de las cosas o que simplemente no se pueden dar, como una cascada de agua que en vez de caer al río sube a la montaña o que un cigarro en vez de consumirse, crezca. La razón de que estos procesos no sucedan en la realidad es debido a que la flecha del tiempo avanza solo hacia el futuro, nunca hacia el pasado, haciendo que esos procesos sean imposibles de realizar. Con lo que podemos decir que estos procesos siguen la dirección del tiempo.

Esto no quiere decir que no haya procesos reversibles, que también los hay. En los que se puede volver al estado original, como es el cambio de estado del agua. Para conseguir que el hielo pase a estado líquido lo único que tenemos que hacer es proporcionarle calor, si deseamos que vuelva a su estado original, simplemente invertimos el proceso y le quitamos la misma cantidad de calor que le habíamos proporcionado. Sabiendo esto, podemos decir que cualquier proceso espontáneo (aquel que no necesita ser empezado) será irreversible.

Alguien dijo que la termodinámica se puede resumir así: No podemos ganarle el partido a la Entropía (Primer principio); Tampoco podemos empatar (Segundo principio); Y tampoco podemos abandonar el partido (Tercer principio).

La energía no se crea ni se destruye; la entropía se crea pero no se destruye.

Nuevos materiales

Índice

1. Nanocelulosa cristalina

    1.1 ¿Qué es la nanocelulosa cristalina?

    1.2. ¿Para qué sirve?

    1.3. ¿Cómo se obtiene?

2. Grafeno

    2.1. ¿Qué es el grafeno?

    2.2. ¿Cuáles son sus propiedades?

    2.3. ¿Para qué sirve?

3. Metaflex

    3.1. ¿Qué es el metaflex?

    3.2. ¿De qué está compuesto?

    3.3. ¿Para qué puede servir?

Los nuevos materiales nos abren nuevas puertas para seguir avanzando tanto en la tecnología como incluso en la construcción o en la agricultura. Esto nos ayuda a romper las limitaciones que tenemos en algunos ámbitos, como puede ser en la exploración del espacio, con los materiales que existen ahora.

-          NANOCELULOSA CRISTALINA

¿Qué es la nanocelulosa cristalina?

La nanocelulosa cristalina es un reciente descubrimiento de los investigadores de la Universidad de Texas  que ha abierto la puerta a producciones masivas a bajo coste.

Es un nanomaterial que se obtiene a partir de la compresión de fibras vegetales o a través de cultivos naturales donde distintos tipos de bacterias lo producen de forma autónoma, aunque hasta ahora con altos costes.

Este material multiplica por ocho la resistencia del acero, es transparente, muy ligero y conduce la electricidad. En el fondo, la nanocelulosa no es más que la celulosa (la biomolécula orgánica más abundante de la Tierra) en una escala muy pequeña.

¿Para qué sirve?

Entre sus aplicaciones futuribles se encuentra la electrónica, la industria farmacéutica y el sector de los biocombustibles.

Según los investigadores, la nanocelulosa puede usarse para confeccionar chalecos de protección ultraligeros, pantallas de dispositivos electrónicos e incluso para cultivar órganos humanos.

¿Cómo se obtiene?

Hasta ahora, la producción de nanocelulosa requería una gran cantidad de dinero. Tanto para llevar a cabo el proceso de compresión de la fibra, como para abastecer de nutrientes a las bacterias que producen el material. Por lo que no resultaba rentable.

La novedad que se ha introducido es la posibilidad de utilizar un determinado tipo de alga para producir el material de forma natural, sin necesidad de nutrientes. Sólo se necesitaría luz solar y agua.

-          GRAFENO

¿Qué es el grafeno?

El grafeno es un nuevo material nanométrico bidimensional, obtenido a partir del grafito por los científicos  Andre Geim y Konstantin Novoselov.

Tiene una estructura laminar plana, de un átomo de grosor, compuesta por átomos de carbono densamente empaquetados en una red cristalina en forma de panal de abeja.  

¿Cuáles son sus propiedades?

Tiene una alta conductividad térmica y eléctrica. Una alta elasticidad y dureza. Su resistencia es 200 veces mayor que la del acero. Es tan ligero como la fibra de carbono pero es mucho más flexible.

¿Para qué sirve?

Hoy día tiene importantes aplicaciones en electrónica como es la construcción de transistores de grandes frecuencias que permitirían aumentar la velocidad de los procesadores. Los principales desafíos consisten en el poder crear una capa de grafeno en una superficie adecuada y evitar el sobrecalentamiento de los transistores.

-          METAFLEX

¿Qué es el metaflex?

Metaflex acerca un paso más a la fabricación de tejidos que permitan crear el efecto de la invisibilidad de los objetos.

Es un meta-material, es decir, un material artificial que presenta propiedades electromagnéticas inusuales, propiedades que proceden de la estructura diseñada y no de su composición. Puede ser revolucionario en el campo de la óptica por el comportamiento que tiene la luz al incidir sobre él mismo, ya que produce que los objetos que se encuentran detrás de él se hagan invisibles debido a que la luz rodea el metaflex y luego sigue su trayectoria.

¿De qué está compuesto?

Metaflex consta de unas membranas flexibles de meta-material, creadas al liberar los meta-átomos de la superficie dura sobre la que fueron construidos. De esta manera, el metaflex puede operar en longitudes de onda de unos 620 nanómetros dentro de la región de la luz visible.

¿Para qué puede servir?

La unión de estas membranas podría producir un "tejido inteligente", que sería el primer paso para fabricar una capa o cualquier otra prenda para "hacer desaparecer" a la persona que la porte.