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.

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