Publicado en Alambique
Resumen: La mesa de trabajo de la oficina contiene una diversidad de materiales con los cuales podemos estudiar propiedades físicas y químicas, por ejemplo reacciones de oxidación-reducción con diferentes metales, montaje de pilas electroquímicas y relacionar las propiedades con la estructura.
Presentación de la experiencia:
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
Desarrollo de la práctica:
Procedemos a estudiar las propiedades físicas y químicas de algunos de estos materiales.
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
Si investigamos la conductividad de lápices de colores, encontramos que la resistencia es muy elevada, por que 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. Ver foto 1
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 2 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+, 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 2 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. (foto3)
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 F.
Experimento 4: Cristales líquidos y teoría cinéticomolecular
Un dispositivo que encontramos en la mesa de trabajo es una calculadora, o un teléfono móvil. Las pantallas LCD son de “cristal líquido”. En estas sustancias las moléculas, de forma alargada están en un estado físico conocido por “mesofase”. En este estado las moléculas si bien carecen de una ordenación regular, mantienen una misma dirección de orientación y cierta libertad de movimiento.
De todo ello se deduce que estamos en presencia de una sustancia que debe comportarse como un líquido. Vamos a hacer la prueba: una calculadora sencilla se deja una hora en el congelador. Al sacarla, se comprueba la lentitud en aparecer los dígitos: ha disminuido la temperatura y por tanto la energía cinética de las moléculas del cristal líquido.
Conclusiones
El hecho de usar objetos cotidianos tiene siempre un aliciente de curiosidad para el alumnado, en especial cuando pueden ampliar el experimento con otros objetos metálicos a su alcance: cubiertos en la cocina, papel de aluminio…
El experimento se puede plantear de forma algo más abierta de lo que aquí está escrito; por ejemplo: de los objetos que disponemos en la mesa de la oficina o en casa, ¿con cuales se puede obtener un voltaje más elevado?
Otro aspecto es comprobar que efectivamente los sacapuntas son de los metales descritos. Los alumnos pueden hacer la prueba de medir la densidad de los diversos sacapuntas y comprobar como coinciden con las de los metales: para el magnesio 1,7 g.cm-3; para el aluminio 2,7 g.cm-3 i para el zinc 7,1 g.cm-3. Solamente para el zinc, los valores medidos dan un error elevado, probablemente por ser de una aleación de zinc y otro metal.
La medida de las densidades se hace por el simple método de sumergir varios sacapuntas en una probeta con agua y medir su volumen. Una balanza nos dará la masa del conjunto.
Aspectos de seguridad y residuos: No se generan residuos. Ninguno de los productos utilizados es tóxico.
Pero hay que tomar precauciones si se sumerge un sacapuntas de magnesio en una disolución ácida (vinagre, o HCl) la reacción puede ser peligrosa al generarse gas hidrogeno y ser muy exotérmica.
Nunca hay que acercar un sacapuntas de magnesio a llama de un Bunsen
¿Dónde encontrar los objetos y artículos descritos?
Los sacapuntas o afilalápices de aluminio y de zinc se venden en las papelerías y en las secciones de papelería de los grandes almacenes. Hay que tener paciencia porque a menudo las tiendas tienen remesas durante un cierto tiempo solamente. Se distinguen fácilmente los de aluminio de los de zinc simplemente por su peso.
Los sacapuntas de magnesio son de marcas alemanas como “M+R”, “DUX”, “KUM”. Hay que buscarlos en casas especializadas en artículos para dibujo y bellas artes. Hasta hace pocos meses también los fabricaba “STAEDTLER”, pero actualmente son de zinc con una capa de pintura que los hace aislantes eléctricos. Si tiene uno de esta marca de hace unos años, seguro que es de magnesio.
Relojes digitales de pulsera a 1 Euro se encuentran en los grandes bazares de artículos baratos. La pila se puede extraer fácilmente para conectar cables a nuestra pila casera. En estos bazares, según temporadas, también tienen sacapuntas de zinc de fabricados en China.
