Pila de combustible

Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidracina— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor. En el caso de una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno con un electrólito de hidróxido de metal alcalino, la reacción del ánodo es 2H₂ + 4OH^- → 4H ₂O + 4e^- y la reacción del cátodo es O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-. Los electrones generados en el ánodo se mueven por un circuito externo que contiene la carga y pasan al cátodo. Los iones OH^- generados en el cátodo son conducidos por el electrólito al ánodo, donde se combinan con el hidrógeno y forman agua. El voltaje de la pila de combustible en este caso es de unos 1,2 V pero disminuye conforme aumenta la carga. El agua producida en el ánodo debe ser extraída continuamente para evitar que inunde la pila. Las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno que utilizan membranas de intercambio iónico o electrólitos de ácido fosfórico fueron utilizadas en los programas espaciales Gemini y Apolo respectivamente. Las de ácido fosfórico tienen un uso limitado en las instalaciones eléctricas generadoras de energía.

Actualmente se están desarrollando las pilas de combustible con electrólitos de carbonato fundido. El electrólito es sólido a temperatura ambiente, pero a la temperatura de operación (650 a 800 °C), es un líquido con iones carbonato conductores. Este sistema tiene la ventaja de utilizar monóxido de carbono como combustible, por lo que pueden utilizarse como combustible mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno como las que se producen en un gasificador de carbón.

También se están desarrollando pilas de combustible que emplean dióxido de circonio sólido como electrólito. Estas pilas se llaman pilas de combustible de óxido sólido. El dióxido de circonio se convierte en un conductor iónico a unos 1.000 °C. Los combustibles más adecuados son el hidrógeno, el monóxido de carbono y el metano, y al cátodo se le suministra aire u oxígeno. La elevada temperatura de operación de las pilas de combustible de óxido sólido permite el uso directo de metano, un combustible que no requiere catalizadores costosos de platino sobre el ánodo. Las pilas de combustible de óxido sólido tienen la ventaja de ser relativamente insensibles a los contaminantes del combustible, como los compuestos de azufre y nitrógeno que empeoran el rendimiento de otros sistemas de combustible.

La temperatura relativamente elevada de operación de las pilas de combustible de carbonato fundido y óxido sólido facilitan la eliminación en forma de vapor del agua producida por la reacción. En las pilas de combustible de baja temperatura se deben tomar medidas para eliminar el agua líquida de la cámara del ánodo.

Recristalización

Fundamentos de la recristalización

Los productos sólidos que se obtienen en una reacción suelen estar acompañados de impurezas que hay que eliminar para poder disponer del producto deseado en el mayor grado de pureza posible. El método más adecuado para la eliminación de las impureza que contamina un sólido es por cristalizaciones sucesivas bien en un disolvente puro, o bien en una mezcla de disolventes. Al procedimiento se le da el nombre genérico de recristalización.

Procedimiento experimental

El sólido que se va a purificar se disuelve en el disolvente caliente, generalmente a ebullición, la mezcla caliente se filtra para eliminar todas las impurezas insolubles, y entonces la solución se deja enfriar para que se produzca la cristalización. En el caso ideal, toda la sustancia deseada debe separarse en forma cristalina y todas las impurezas solubles deben quedar disueltas en las aguas madres. Finalmente, los cristales se separan por filtración y se dejan secar. Si con una cristalización sencilla no se llega a una sustancia pura, el proceso puede repetirse empleando el mismo u otro disolvente.

Elección del disolvente

El punto crucial de en el proceso de cristalización es la elección adecuada del disolvente que debe cumplir las siguientes propiedades:
a) Alto poder de disolución de la sustancia que se va a purificar a elevadas temperaturas.
b) Baja capacidad de disolución de las impurezas que contaminan al producto en cualquier rango de temperatura.
c) Generar buenos cristales del producto que se va a purificar.
d) No debe reaccionar con el soluto.
e) No debe ser peligroso (inflamable).
f) Debe ser barato.
g) Fácil de eliminar.
Un factor muy importante a tener en cuenta es si el disolvente es acuoso u orgánico. En caso de usar disolventes orgánicos es necesario siempre calentar la mezcla con el montaje de reflujo. Si no se hace de esta manera se generan vapores inflamables que pasan a la atmósfera y que en contacto con llamas o focos de calor conducen a un serio riesgo de incendios y explosiones.

Secado de los cristales

Puede seguirse en el margen derecho todo el proceso de la recristalización. Los cristales obtenidos en la última etapa deben quedar libres del disolvente adherido mediante un secado.
El Büchner se invierte sobre un papel de filtro de superficie lisa doblado en tres o cuatro capas y los cristales se pasan a éste con ayuda de una espátula limpia. Sobre los cristales se colocan otras hojas de papel de filtro y la mayor parte del disolvente se exprime presionando fuertemente. Entonces se pasan los cristales a un vidrio de reloj limpio o una cápsula plana y se cubren con una hoja de papel de filtro para evitar que caigan partículas de polvo. En estas condiciones se pueden dejar secar al aire a la temperatura ambiente o se pueden introducir en un desecador de vacío sobre un desecante que sea eficaz para eliminar el disolvente usado.

La Presión De Vapor

Todos los sólidos y líquidos producen vapores consistentes en átomos o moléculas que se han evaporado de sus formas condensadas. Si la sustancia, sólida o líquida, ocupa una parte de un recipiente cerrado, las moléculas que escapan no se pueden difundir ilimitadamente sino que se acumulan en el espacio libre por encima de la superficie del sólido o el líquido, y se establece un equilibrio dinámico entre los átomos y las moléculas que escapan del líquido o sólido y las que vuelven a él. La presión correspondiente a este equilibrio es la presión de vapor y depende sólo dela naturaleza del líquido o el sólido y de la temperatura, pero no depende del volumen del vapor; por tanto, los vapores saturados no cumplen la ley de Boyle-Mariotte.

La presión de vapor en los líquidos crece rápidamente al aumentar la temperatura; así, cuando la presión de vapor es igual a 1 atmósfera, el líquido se encuentra en su punto de ebullición ya que el vapor, al vencer la presión exterior, se puede formar en toda la masa del líquido y no sólo en su superficie.

Cuando un soluto no volátil se disuelve en un líquido disminuye la presión de vapor del disolvente, pues las moléculas de soluto, al ser de mayor volumen, se comportan como una barrera que impide el paso de las moléculas de disolvente al estado de vapor.

Fragmento de Historia de la Ciencia: De San Agustín a Galileo

De A. C. Crombie.

En la química pura, Van Helmont utilizó sistemáticamente la balanza y demostró la conservación de la materia que, según él, las causas secundarias no podían destruir. Mostró que si un cierto peso de silicio era convertido en cristal soluble y éste era tratado con ácido, el ácido de silicio precipitado daría, al ser quemado, el mismo peso de silicio que se había tomado al principio. Mostró también que los metales que se disolvían en los tres ácidos minerales principales podían ser recuperados de nuevo; y se dio cuenta de que cuando un metal precipitaba a otro de una solución de sal, esto no implicaba, como había creído Paracelso, la trasmutación. Quizá su obra principal fuera sobre los gases. El mismo acuñó el término «gas» del chaos griego. Varios autores medievales y posteriores habían reconocido la existencia de «exhalaciones» acuosas y terrosas tanto como aéreas, pero Van Helmont fue el primero en hacer un estudio científico de los diferentes tipos de gases. En este campo, su investigación estuvo muy dificultada por la carencia de un aparato apropiado para recoger los gases. Las diferentes clases de gases que menciona incluían un gas carbonum obtenido de la combustión del carbón vegetal (habitualmente, dióxido de carbono, pero también monóxido de carbono); un gas sylvester obtenido de la fermentación del vino, por el agua mineral, al tratar un carbonato con ácido acético, y también hallado en algunas cuevas, que apaga la llama (dióxido de carbono); un gas rojo venenoso, al que también llamó gas sylvester, obtenido cuando el agua regia actuaba sobre metales como la plata (óxido nítrico); y un gas pingue inflamable, formado de la destilación seca de una materia orgánica (una mezcla de hidrógeno, metano y monóxido de carbono). Van Helmont se interesó también por la respiración, cuya finalidad creía que era no el enfriar, como había dicho Galeno, sino el mantener el calor animal; esto se realizaba por medio de un fermento en el ventrículo izquierdo que transformaba la sangre arterial en espíritu vital.

Otros varios químicos realizaron experimentos con gases durante las primeras décadas del siglo xvii, relacionados con el fenómeno de la combustión. Según la teoría aceptada, la combustión implicaba la descomposición de las sustancias compuestas con pérdida del principio «aceitoso» inflamable presente en el «azufre». El arder tenía pues, por resultado una pérdida de peso. Sin embargo, se realizaron varias observaciones que condujeron a la elaboración de nuevas ideas sobre este tema. El experimento de la «combustión cerrada», en el que se encendía una vela en un vaso invertido en un recipiente de agua, fue descrito por Filón, y Francis Bacon se refirió a él como a un experimento común. Fue repetido por Robert Fludd (1617), y cuando el agua se elevó, al consumirse el aire, describió a éste como «alimentando» a la llama. Los árabes y los químicos del siglo xvi sabían también que durante la calcinación los metales aumentaban de peso. Jean Rey, en 1630, dio argumentos en favor de la creencia de que el «aumento» limitado y definido del peso, que había observado en el caso de las cenizas del plomo y del estaño, podía provenir solamente del aire que, según él, se mezclaba con las cenizas y se adhería a sus más pequeñas partículas. Defendía, además, que todos los elementos, incluido el fuego, tenían peso y que este peso se conservaba a través de los cambios químicos. Estos hechos e ideas eran completamente incompatibles con la teoría del principio «aceitoso»; y cuando este principio se convirtió en «flogisto», se le tuvo que considerar como teniendo un peso negativo. Sin embargo, no fue hasta el final del siglo xviii, cuando la combustión se asoció estrechamente con la oxidación, cuando se convirtió en la cuestión central de la revolución química iniciada por Lavoisier y sus contemporáneos.

El mecanismo universal que acompañó a los éxitos de la física matemática se introdujo en la Química gracias al desarrollo de la teoría atomista. Filósofos de la naturaleza, como Bruno, que argumentó en favor de la existencia real de minima naturales o físicos, continuaron las discusiones escolásticas sobre este problema; y Francis Bacon le dio preeminencia, aunque cambió luego de parecer, al adoptar al principio una opinión favorable hacia los átomos, afirmando que el calor era un estado producido por la vibración de los corpúsculos. Galileo dijo del cambio de las sustancias que «muchos se realizan por una simple trasposición de partes». La primera aplicación de la teoría atomista a la Química fue hecha por el holandés Daniel Sennert (1572-1637). Sennert defendió que las sustancias sujetas a la corrupción y a la generación debían estar compuestas de cuerpos simples, de los que surgían y en los que se resolvían. Estos cuerpos simples eran minima físicos y no meros minima matemáticos, y eran de hecho átomos. Postuló cuatro clases diferentes de átomos, que correspondían a cada uno de los elementos aristotélicos, y elementos de segundo orden (prima mixta), producidos por los elementos aristotélicos al combinarse. Sostenía, por ejemplo, que los átomos de oro en solución en ácido o del mercurio en la sublimación, retenían su individualidad al combinarse, de modo que las sustancias originales podían obtenerse de nuevo a partir de los compuestos. Joachim Jung (1587-1657) expresó ideas parecidas, y por mediación suya llegaron más tarde a conocimiento de Robert Boyle (1627-1691).

Descartes también hizo contribuciones a la teoría atomista porque, aunque no creía en los minima físicos indivisibles, intentó extender sus principios mecanicistas a la Química, atribuyendo las propiedades de varias sustancias a la forma geométrica de sus partículas terrosas constituyentes. Por ejemplo, supuso que las partículas de sustancias corrosivas, como los ácidos, eran como hojas de bordes afilados, mientras que las de los aceites eran arborescentes y flexibles. John Mayow (1643-1679) utilizó más tarde estas ideas y se hicieron familiares a los químicos gracias al Cours de Chymie (1675) de Nicolás Lémery (1645-1715). Otro geómetra, Gassendi, popularizó los átomos de Epicuro (1649), defendiendo, sin embargo, que no habían existido eternamente, sino que habían sido creados por Dios con sus cualidades características. Basó su creencia en la existencia del vacío en el experimento de Torricelli y, como Descartes, relacionó las propiedades químicas con la forma de los átomos. También atribuyó la combinación de moleculae o corpusculae a mecanismos como los de los corchetes y corchetas. El sistema de Gassendi fue tema de estudio de una obra de Walter Charleton (1654), médico de Carlos II y uno de los primeros miembros de la Royal Society. El microscopio despertó el interés por descubrir la dimensión de los átomos, y Charleton aseguraba, partiendo de fenómenos como la volatilización y la solución, que la partícula más pequeña observable al microscopio contenía diez centenas de millares de millones de partículas invisibles. A través de Charleton, la teoría atomista fue muy conocida en la Inglaterra de mediados del siglo xvii. Cuando fue adoptada por Boyle y Newton, las concepciones empíricas de Van Helmont y los químicos prácticos anteriores se transformaron de acuerdo con los principios mecánicos, y la Química, como la Física, se puso definitivamente en camino de ser reducida a la ciencia matemática. Tras el descubrimiento de la «combinación de pesos» y de la generalización de Dalton de los resultados de su teoría atómica a principios del siglo xix, se hizo inevitabIe la realización de este proceso.

Fuente: Crombie, A. C. Historia de la Ciencia: De San Agustín a Galileo/2. Versión de José Bernia. Madrid: Alianza Editorial, 1979.

El Método Científico (Review)

Es el método de estudio sistemático de la naturaleza que incluye las técnicas de observación, reglas para el razonamiento y la predicción, ideas sobre la experimentación planificada y los modos de comunicar los resultados experimentales y teóricos.

La ciencia suele definirse por la forma de investigar más que por el objeto de investigación, de manera que los procesos científicos son esencialmente iguales en todas las ciencias de la naturaleza; por ello la comunidad científica está de acuerdo en cuanto al lenguaje en que se expresan los problemas científicos, la forma de recoger y analizar datos, el uso de un estilo propio de lógica y la utilización de teorías y modelos. Etapas como realizar observaciones y experimentos, formular hipótesis, extraer resultados y analizarlos e interpretarlos van a ser características de cualquier investigación.

En el método científico la observación consiste en el estudio de un fenómeno que se produce en sus condiciones naturales. La observación debe ser cuidadosa, exhaustiva y exacta.

A partir de la observación surge el planteamiento del problema que se va a estudiar, lo que lleva a emitir alguna hipótesis o suposición provisional de la que se intenta extraer una consecuencia. Existen ciertas pautas que han demostrado ser de utilidad en el establecimiento de las hipótesis y de los resultados que se basan en ellas; estas pautas son: probar primero las hipótesis más simples, no considerar una hipótesis como totalmente cierta y realizar pruebas experimentales independientes antes de aceptar un único resultado experimental importante.

La experimentación consiste en el estudio de un fenómeno, reproducido generalmente en un laboratorio, en las condiciones particulares de estudio que interesan, eliminando o introduciendo aquellas variables que puedan influir en él. Se entiende por variable todo aquello que pueda causar cambios en los resultados de un experimento y se distingue entre variable independiente, dependiente y controlada.

Variable independiente es aquélla que el experimentador modifica a voluntad para averiguar si sus modificaciones provocan o no cambios en las otras variables. Variable dependiente es la que toma valores diferentes en función de las modificaciones que sufre la variable independiente. Variable controlada es la que se mantiene constante durante todo el experimento.

En un experimento siempre existe un control o un testigo, que es una parte del mismo no sometida a modificaciones y que se utiliza para comprobar los cambios que se producen.

Todo experimento debe ser reproducible, es decir, debe estar planteado y descrito de forma que pueda repetirlo cualquier experimentador que disponga del material adecuado.

Los resultados de un experimento pueden describirse mediante tablas, gráficos y ecuaciones de manera que puedan ser analizados con facilidad y permitan encontrar relaciones entre ellos que confirmen o no las hipótesis emitidas.

Una hipótesis confirmada se puede transformar en una ley científica que establezca una relación entre dos o más variables, y al estudiar un conjunto de leyes se pueden hallar algunas regularidades entre ellas que den lugar a unos principios generales con los cuales se constituya una teoría.

Según algunos investigadores, el método científico es el modo de llegar a elaborar teorías, entendiendo éstas como configuración de leyes. Mediante la inducción se obtiene una ley a partir de las observaciones y medidas de los fenómenos naturales, y mediante la deducción se obtienen consecuencias lógicas de una teoría. Por esto, para que una teoría científica sea admisible debe relacionar de manera razonable muchos hechos en apariencia independientes en una estructura mental coherente. Así mismo debe permitir hacer predicciones de nuevas relaciones y fenómenos que se puedan comprobar experimentalmente.

Las leyes y las teorías encierran a menudo una pretensión realista que conlleva la noción de modelo; éste es una abstracción mental que se utiliza para poder explicar algunos fenómenos y para reconstruir por aproximación los rasgos del objeto considerado en la investigación.

Balzer, W. Cómo hacer teorías. Madrid: Alianza Editorial, 1997. Texto divulgativo en el que se explican los diferentes procesos que conducen a la formulación de una teoría.

Gete-Alonso, J. C. y Del Barrio, V. Medida y realidad. Barcelona: Biblioteca Alhambra, 1988. Texto de carácter didáctico y práctico en el que a través de una serie de actividades y ejercicios se analizan las características del método científico.

Latour, Bruno y otros. La vida en el laboratorio. La construcción de los hechos científicos. Madrid: Alianza Universidad, 1996. Interesante libro de divulgación en el que un filósofo y un sociólogo analizan y critican el comportamiento de los científicos en sus laboratorios.

López Cano J. L. Método e hipótesis científicas. México: Editorial Trillas, 1980. Estudio del método científico utilizando diferentes ejemplos históricos.

Poincare, Henri. Sobre la ciencia y su método. Barcelona: Círculo de Lectores, 1997. Este gran científico describe con sencillez y claridad la esencia del método científico.

Popper, Karl. La lógica de la investigación científica. Madrid: Editorial Tecnos, 1967. Texto clásico que ha dado lugar a una nueva forma de ver el método científico y en el que se plantea la investigación científica, no como fruto de un método inductivo, sino como el resultado de contrastar y “falsar” hipótesis.

Riveros, G. y Rosas, L. El método científico aplicado a las ciencias experimentales. México: Editorial Trillas, 1982. Texto didáctico en el que se describe cómo aplicar el método científico en la enseñanza de las ciencias experimentales.

Royston, M. Descubrimientos accidentales en la ciencia. Madrid: Alianza Editorial, 1992. Analiza las circunstancias que se dieron en algunos descubrimientos y determina el grado de importancia que tuvo la casualidad en todos ellos.

Usabiaga, C. y otros. Aproximación didáctica al método científico. Madrid: Narcea Ediciones, 1984. Reflexión didáctica sobre los principales procesos del método científico y su utilización en la didáctica de las ciencias.