lunes, 14 de abril de 2014

Difusión de gases. Ley de Graham

Thomas Graham fue capaz de enunciar en 1829 a partir de experimentos las leyes de la efusión y la difusión, ambas con la misma fórmula. Éstos fenómenos pueden ser explicados, y la ley de Graham demostrada, a partir de la Teoría Cinético Molecular desarrollada a finales del siglo XIX por los físicos Ludwig Boltzmann y James Clerk Maxwell. 

La Teoría Cinético-Molecular propone, por primera vez en la historia de la ciencia, un estudio probabilista en física, al relacionar las propiedades térmicas de las substancias con su movimiento molecular. De ninguna manera podemos calcular las velocidades individuales de cada una de las moléculas, pero si se puede realizar un estudio calculando las velocidades medias de las mismas, y asombrosamente éstas velocidades medias son realmente enormes comparadas con el tamaño de las partículas. Por ejemplo, para la molécula nitrógeno su velocidad promedio es de 493 m/s, y para el hidrógeno de 1846 m/s.


No obstante éstas velocidades no son las que nos interesan en este experimento, ya que aunque las moléculas se mueven a mucha velocidad, lo hacen sin rumbo o dirección definida. Así pues, y al revés de lo que se mostrará en el vídeo (se realiza así para que el proceso sea mas fácil de entender), las moléculas se mueven de forma aleatoria. No obstante, si tenemos una botella cerrada con un gas en su interior, y la abrimos, veremos como en cuestión de minutos, todo el gas llena la habitación. Aunque las velocidades no sean dirigidas, el gas tendrá tendencia a moverse hacia donde su concentración sea mas baja, distribuyéndose de manera uniforme por todo el recinto. Éste proceso se denomina difusión. A ésta velocidad nos referimos al hablar de velocidad de difusión, a la velocidad media de todas la moléculas del gas, por la cual éste es capaz de llenar uniformemente un espacio esté vacío o no.

Y la Ley de Graham dice que:


Las relación entre las velocidades medias de difusión de dos especies al cuadrado es inversamente proporcional a la relación entre las masas moleculares relativas de las mismas. Es decir, que si la masa molecular es mayor, su velocidad será menor. La ley de Graham nos permite realizar comparaciones entre velocidades medias de difusión, pero no nos permite calcular la velocidad absoluta de la misma.

Os presentaremos ahora un experimento sencillo de realizar  a nivel experimental, que nos va a permitir evaluar a nivel cualitativo fácilmente este proceso. Es necesario decir que a nivel cuantitativo el cálculo se hace mas complicado, necesitando un corrección por el hecho de realizar la difusión en aire, y no en vacío. 

Aquí tenéis el vídeo:



En Junio del 2013 (el año pasado) en las pruebas de Selectividad (PAU) de Cataluña apareció por primera vez en la historia la Ley de Graham. Aquí os dejo el enunciado:



Para más información os recomiendo las siguientes páginas:

1. Wikipedia. Ley de Graham.
2. Físicoquímica56. Ley de Graham.
3. ChemTabu.Edu. Graham Law.
4. Graham's law o diffusion calculator

PD: El vídeo del experimento fue grabado en el CDEC con la ayuda de Fina Guitart y Josep Corominas. ¡¡Muchas gracias a los dos!!

Sergio

lunes, 24 de marzo de 2014

Química en la oficina

¡¡Hola a todos!! Nueva entrada de Josep Corominas, nuestro colaborador especial en CLUSTER. En esta ocasión un excelente artículo para poder realizar química con materiales caseros: Química en la Oficina...



QUÍMICA EN LA OFICINA

En  nuestro entorno de trabajo cotidiano, sobre la mesa de la oficina, en la sala de profesores del instituto,  en un despacho, en casa, tenemos a nuestro alcance una gran diversidad de materiales. Vamos a usar algunos de ellos para un estudio de sus propiedades físicas y químicas.

En primer lugar veamos una relación de algunos de los objetos para el estudio: lápices, sacapuntas, rotuladores, bolígrafos, adhesivos, goma de borrar, papel, grapas, clips, tijeras, calculadoras...



Preguntas para un nivel elemental de primer contacto con los materiales cotidianos:

-          ¿Cuales de los objetos son metálicos?
-          ¿Cuales conducen la corriente eléctrica?
-          ¿Cuales están formados por polímeros, en su totalidad o en alguna de sus partes?
-          ¿En cuales su uso se basa en una reacción química?

Las dos primeras preguntas no son redundantes puesto que el grafito de los lápices es conductor de la electricidad pero no es un metal. 

Las gomas de borrar son de caucho (látex) y algunas de polivinilo. Hay una gran diversidad de sacapuntas: de plásticos y metálicos. Entre los metálicos los hay de zinc, de aluminio y de magnesio. La hoja de corte es de acero. Las tijeras suelen ser de acero, algunas con mangos de polímeros. Las grapas pueden ser de hierro recubiertas de cobre o galvanizadas (con una fina capa de zinc). Los clips son de acero con un porcentaje de manganeso entre el 0,3 y el 0,5%. La tinta de rotuladores (un coloide) se puede separar por cromatografía sobre papel. Para algunas marcas el disolvente es agua, en otros casos hay que usar  etanol o acetona. La mayoría de los adhesivos unen mediante una reacción química.

Experimento 1: el grafito de la mina de lápiz es un conductor eléctrico.

Se necesita un polímetro con escala en ohm para medir resistencias eléctricas y lápices de distinta dureza.
Cada lápiz debe tener igual longitud y hay que sacar punta por ambos extremos para hacer la prueba. A mayor dureza de la mina, mayor resistencia eléctrica, debido a que la composición varia en la relación grafito-arcilla (entre un 30% y un 70% de arcilla). La tabla 1 muestra algunos valores para lápices de marca STAEDLER de 17 cm de longitud



Resistencia/W
   Número   de lápiz
5
0
7
1
9
2
25
3
43
4










Si investigamos la conductividad de lápices de colores, encontramos que la resistencia es muy elevada, porque en su  composición  no entra el grafito.

Experimento 2: electroquímica en la oficina


La diversidad de metales sugiere la posibilidad de investigar los potenciales eléctricos que se obtendrían si se montan diferentes pilas electroquímicas con ellos. Usaremos papel de escribir mojado con agua como electrolito. El agua del grifo aporta los iones suficientes para ello.

Preparamos un cuadro de doble entrada, colocando en  los correspondientes ejes una muestra de cada uno de los objetos que hemos visto son conductores eléctricos.



Vamos haciendo  parejas de objetos, conectando los cables del polímetro en la escala de 2 V a cada uno de ellos y usando papel mojado en agua entre ambos, de manera de formar una pila electroquímica.
Los recuadros nos permitirán escribir los diferentes voltajes medidos.

En la tabla se han anotado algunos valores:


Hemos obtenido una verdadera serie de actividad de los metales, No hay más que observar los valores referidos al grafito: en orden decreciente de voltajes tenemos: Mg, Al, Zn, Fe (acero), Cu
Como se puede ver, el voltaje mayor se obtiene con un sacapuntas de magnesio y el grafito. Si miramos una tabla de potenciales de reducción estándar, la FEM que correspondería a una pila formada por Mg/Mg2+   y    2H+/H2 es de 2,37 V.  Las condiciones que tenemos están muy lejos de ser condiciones estándar. El agua aporta una muy baja concentración de iones H+, y la reacción que tiene lugar  es la oxidación del magnesio por el gas oxígeno del aire i que se disuelve  lentamente en el agua,  siendo el papel del grafito de electrodo inerte.

Experimento 3,  el reto: A partir de los resultados del experimento anterior, ¿podemos obtener trabajo útil?


Disponemos de un reloj digital que funciona con una pila de 1,5 V este es precisamente el valor de la fuerza electromotriz que nos proporciona nuestra “pila de sacapuntas de magnesio, agua y grafito”. Para la mayoría de las pilas hechas con materiales  caseros, el problema es su resistencia interna que es suficientemente elevada para  impedir que dé la potencia útil para que funcione el reloj; en  efecto, si se mide la intensidad apenas se obtiene 1 mA. Sin embargo estos dispositivos tan simples pueden funcionar con nuestra pila. La foto  muestra el funcionamiento de un sencillo reloj digital.


Se pueden montar pilas en serie y también se puede disminuir la resistencia interna cambiando de electrolito, por ejemplo usando agua con sal, o vinagre.


En esta foto se muestran cuatro elementos para montar en serie, se han usado minas de lápiz muy blando para dibujo envueltos en papel de filtro que se insertan en los orificios de los sacapuntas. Se han desmontado las hojas de corte de los sacapuntas para evitar una “pila no deseada” entre el grafito y el acero de la hoja de corte. Si se humedece con vinagre se obtienen voltajes de unos 5 voltios, con una potencia suficiente para que funcione un reloj de agujas de cuarzo, al que se monta en paralelo un condensador de 1000 mF.



Bibliografía:
Pueden encontrarse experimentos relacionados en la página Web:

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Josep Corominas es profesor de la Escola Pia de Sitges, colabora en el CDEC y en el CRECIM. Es licenciado en químicas por la UB y ha realizado numerosos artículos divulgativos sobre experimentos, tanto de física como de química. Ha impartido cursos de formación para el profesorado y recibido varios premios por su labor divulgativa.

viernes, 21 de febrero de 2014

Número atómico y Número másico

Nuevo vídeo de CLUSTER, en esta ocasión, no para explicar un experimento, sino un concepto básico en química: El Número atómico, el número Másico y su relación con la Tabla Periódica de los elementos. 
Una de las frases mas famosas de Albert Einstein dice que lo mas incomprensible del mundo es que sea comprensible, y yo añadiría que ademas sea sencillo. Este ejemplo vale perfectamente para este caso. Cuando Dimitri Mendeleiev se volvía loco intentando ordenar los elementos químicos, utilizando mil y una combinaciones, jamas llegó a imaginar que la ordenación de los elementos químicos hubiera sido tan sencilla. Tan sencilla, que resulta mágica y bella. Los elementos se diferencian entre si por su número de protones (o lo que es lo mismo su número atómico (simbolizado por Z). 



Así podemos saber que si un átomo tiene 2 protones, siempre será un átomo de helio (independientemente de sus electrones y sus neutrones ( para saber mas sobre el tema entra en ISÓTOPOS)), o si tiene 11 protones, siempre será un átomo de sodio. Así de sencillo.


Os dejo con el vídeo que espero que os guste:



¡¡Un saludo bien grande!!

Sergio

martes, 11 de febrero de 2014

Grandes peleas de la ciencia

El canal de proyecto G televisión, que emite el canal Encuentro de Argentina, entremezcla ciencia con diversión para los mas pequeños. En él podemos encontrar vídeos de experimentos, gags sobre ciencia e incluso animaciones muy divertidas sobre las grandes peleas de la ciencia. Los científicos, como todo hijo de vecino, tienen sus propios egos, sus propias opiniones y su propia manera de ver el mundo, y cuando dos genios, con mucho genio se juntan aparecen las GRANDES PELEAS DE LA CIENCIA!!!!!




Os dejo las tres publicadas en youtube hasta la fecha. Que lo disfrutéis:

Darwin vs Wallace:



Newton contra Leibnitz (faltaría otro clásico Newton contra Hooke):


Y el que todos estábamos esperando...Edison contra Tesla!!!



Espero que os hayan gustado

Sergio

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