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.

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.

Los Hidratos de Carbono (nivel inicial)

¿Sabías que el azúcar que usas en casa es un hidrato de carbono? Hay muchos alimentos ricos en hidratos de carbono. Además, entre un 2% y un 3% de tu cuerpo está compuesto por hidratos de carbono, y el 55% de las calorías, o lo que es lo mismo, del ‘combustible’ que tu organismo necesita, procede de los hidratos de carbono.

¿QUÉ SON LOS HIDRATOS DE CARBONO?

Se llaman compuestos orgánicos aquellos que contienen el elemento carbono. Los hidratos de carbono son un grupo de compuestos orgánicos que además de carbono tienen hidrógeno y oxígeno. Los hidratos de carbono también reciben el nombre de carbohidratos o glúcidos y son los compuestos orgánicos más abundantes en la naturaleza. Las plantas verdes y las bacterias producen hidratos de carbono mediante un proceso que se llama fotosíntesis.

Los hidratos de carbono se encuentran en las plantas, los animales y los microorganismos, y, además de formar parte de la estructura de los diferentes seres vivos, son almacenados y utilizados como fuente de energía. Los hidratos de carbono son uno de los tres componentes principales de nuestros alimentos.

TIPOS DE HIDRATOS DE CARBONO

Según su tamaño, los hidratos de carbono se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

Los monosacáridos o azúcares simples son los hidratos de carbono más pequeños y contienen de tres a siete átomos de carbono. Son solubles en agua y su sabor es dulce. La glucosa es el monosacárido más abundante y es la principal fuente de energía de nuestro organismo. Además de encontrarse en el cuerpo humano, la glucosa está en diversos alimentos, como el zumo de muchas frutas. Otro monosacárido es la fructosa, que también está en la fruta y recibe el nombre de azúcar de la fruta.

Los disacáridos o azúcares dobles se forman cuando dos moléculas de monosacáridos se unen. Los disacáridos también son solubles en agua y su sabor es dulce. ¿Sabes que el azúcar que utilizas en tu casa y el que contiene la leche son disacáridos? El azúcar de mesa es un disacárido llamado sacarosa que está formado por dos monosacáridos, glucosa y fructosa. El azúcar de la leche de todos los mamíferos se llama lactosa y está formado por dos monosacáridos, glucosa y galactosa.

Los polisacáridos son los hidratos de carbono de tamaño más grande y están formados por la unión de muchos monosacáridos. La mayoría de los polisacáridos son insolubles y su sabor no es dulce. Numerosos polisacáridos forman parte de las paredes y las cubiertas de las células de las bacterias, los animales y los vegetales. Un ejemplo es la celulosa que forma las paredes rígidas de las células de las plantas. Los hidratos de carbono también se almacenan como reserva de energía en los animales y en las plantas. En las células de los animales lo hacen principalmente en forma de glucógeno, un polisacárido formado por la unión de muchas moléculas de glucosa. En las plantas se almacenan en forma de almidón.

¿QUÉ OCURRE EN NUESTRO ORGANISMO CON LOS HIDRATOS DE CARBONO DE LOS ALIMENTOS?

Durante la digestión, gracias a la acción de diferentes enzimas, los polisacáridos y disacáridos de los alimentos se rompen en monosacáridos, principalmente en glucosa.

Los monosacáridos atraviesan las paredes del intestino delgado y pasan a la sangre, que los transporta hasta el hígado. Una vez allí, se convierten en glucosa. La glucosa se trasforma en glucógeno, el cual se almacena en el hígado o entra en la circulación sanguínea para ser utilizado por las células. Las células musculares también pueden transformar la glucosa en glucógeno para su almacenamiento.

Si la cantidad de glucosa es abundante, el hígado puede convertirla también en lípidos. Los lípidos se acumularán en el tejido graso (adiposo) constituyendo también una importante reserva de energía.

¿CUÁL ES LA FUNCIÓN PRINCIPAL DE LOS HIDRATOS DE CARBONO EN EL SER HUMANO?

Los hidratos de carbono son la principal fuente de energía del organismo. En el ser humano, la mayoría de los carbohidratos que consumimos se transforman en glucosa. La glucosa es el principal ‘combustible’ que utilizan nuestras células en los procesos metabólicos. Algunas células, como las del cerebro, necesitan de forma constante glucosa, y por esta razón, es muy importante que siempre exista una determinada cantidad de este hidrato de carbono en sangre.

Nuestro organismo ‘guarda’ también parte de los hidratos de carbono en forma de glucógeno como reserva de energía. El glucógeno se almacena en el hígado y en el músculo esquelético. Cuando no hay suficiente cantidad de glucosa en la sangre, el glucógeno se trasforma fácilmente en glucosa y esta pasa a la circulación sanguínea, desde donde es llevada a las distintas partes del cuerpo para que las células puedan utilizarla.

Además, algunos hidratos de carbono se combinan con proteínas (glucoproteínas) o lípidos (glucolípidos) y forman parte de estructuras de las células y de sus paredes. Por ejemplo, la desoxirribosa es un azúcar que forma parte del ADN (ácido desoxirribonucleico), la molécula que forma los cromosomas que contienen la información sobre la herencia.

Extracción líquido - líquido

La extracción, que se puede definir como la transferencia de una sustancia X desde una “fase líquida A” a otra “fase líquida B”, inmiscible con la anterior. El reparto de X entre las fases A y B viene dado por la ecuación de Nernst:

CB(X) / CA(X) = KT

donde CB(X) y CA(X) son las concentraciones de X en B y A respectivamente y KT el coeficiente de reparto, que depende de la temperatura.

En un laboratorio de Química Orgánica, esta operación se suele realizar entre una disolución acuosa (fase acuosa) y otro disolvente inmiscible con el agua (fase orgánica) con la ayuda de un embudo de decantación. La posición relativa de ambas fases (arriba o abajo) depende de la relación de densidades. Los disolventes clorados como:

Cloroformo

Cloruro de metileno

Tetracloruro de carbono

quedan siempre en la capa inferior. Disolventes como:

Éter etílico

Acetato de etilo

Tolueno

Benceno

Hexano

quedan siempre en la capa superior.

Es evidente que disolventes miscibles con el agua no son útiles para este proceso tales como:

Acetona

Metanol

Etanol

Problemas usuales en el proceso de extracción:
Con relativa frecuencia aparecen en el proceso de extracción emulsiones o interfases que impiden una correcta separación en el embudo de decantación de las capas acuosa y orgánica, especialmente, cuando se trata de extracciones con cloruro de metileno. La forma de solventar este problema se conveniente añadir unos mililitros de salmuera y agitar de nuevo. En la mayor parte de los casos se produce la separación de las fases.

Tensión Superficial

Introducción

Los sólidos tienen una forma fija mientras que los líquidos se adaptan a la forma del recipiente que los contiene. Los sólidos actúan “en una sola pieza”. Es decir, cada parte de un sólido se agarra firmemente de los fragmentos adyacentes de manera tal que si tratamos de desplazar una cuchara, podemos mover toda la cuchara. Esta propiedad se llama cohesión.

En contraste, los líquidos no tienen exactamente este tipo de cohesión. Si uno sumerge la mano en agua y trata de levantarla como haría con una roca, lo único que logra es mojarse los dedos. Sin embargo, esto no implica que no existan fuerzas de interacción dentro de un líquido. Por el contrario, existe la fuerza de cohesión también en los líquidos. En la mayoría de los líquidos, esta fuerza es mucho más débil que en los sólidos pero no es enteramente nula. Esto puede observarse claramente en la superficie de los líquidos.

En el centro del líquido cualquier porción está sometida a iguales fuerzas de cohesión en todas las direcciones. No hay una fuerza neta no balanceada en ninguna dirección. Esta situación cambia en la superficie. Allí, el líquido (generalmente rodeado por aire arriba) sólo recibe fuerzas cohesivas hacia el interior ya que las fuerzas ejercidas por el aire son despreciables. La resultante de estas fuerzas es perpendicular a la superficie del líquido.

¿Qué forma tienen los líquidos?

La observación diaria sugiere que un líquido se adapta a la forma de su recipiente o se extiende formando una capa delgada como ocurre al volcarlo en una mesa. ¿Pero qué ocurriría en ausencia de las fuerzas gravitatorias? De la misma forma que los cuerpos se dirigen hacia un mínimo de energía potencial gravitatoria al caer, una pequeña cantidad de líquido suspendida en el aire tratará de minimizar la tensión de la superficie debido a estas fuerzas de cohesión.

Por lo tanto, adquirirá la estructura de una esfera que es la forma de menor superficie externa para un volumen fijo. Al caer las gotas de lluvia por ejemplo, éstas adquieren una forma casi esférica. Esta esfera es distorsionada hacia una forma alargada debido a la resistencia atmosférica y a la gravedad. Cuanto más pequeña es la cantidad de agua, el efecto relativo de la gravedad y resistencia es menor y la gota resulta más esférica. Mas aún, si el agua cae desde una altura más o menos apreciable, la resistencia del aire aumenta con la velocidad hasta llegar a un punto en que las gotas caen con una velocidad casi constante donde el peso y la resistencia se cancelan. Bajo estas condiciones, la gota será prácticamente esférica. Esto ocurre también en el caso de las burbujas de jabón; las fuerzas gravitatorias y de resistencia prácticamente se cancelan y la burbuja adquiere una forma casi esférica.

El mismo efecto puede lograrse al suspender un líquido dentro de otro. Por ejemplo, el aceite de oliva no se mezcla con el agua ni con el alcohol. Flota en el agua pero se hunde en el alcohol. Se puede preparar por lo tanto una mezcla de alcohol y agua en la cual el aceite ni flote ni se hunda. ¿Qué forma adquirirá el aceite bajo estas condiciones? El peso es compensado por el empuje que ejerce el líquido. Al igual que una gota de agua en el aire, el aceite toma una forma esférica. Este experimento fue realizado por primera vez por Platón.
Caminando sobre el agua

Pararse sobre el agua de una pileta o caminar sobre la misma puede parecer muy complicado y lo es para los humanos. Pero hay algunos insectos que son capaces de permanecer y descansar sobre la superficie del agua. Esto no es debido a que su densidad haga que floten. Por el contrario, de acuerdo a su densidad, si se ubica al mismo insecto en el medio del líquido, éste se hundiría. Pero los insectos son capaces de aprovechar la tensión existente en la superficie para reposar sobre ella.
Otros insectos que son más pesados no pueden darse semejante lujo. Sin embargo, mediante habilidosas maniobras son capaces de corretear sobre la superficie del líquido sin hundirse.
Fuerzas entre líquidos y sólidos

El mismo tipo de fuerzas puede actuar entre un líquido y el sólido que lo contiene (por ejemplo un vaso.) Estas fuerzas pueden ser tan grandes como (o incluso mayor) que las fuerzas cohesivas internas del líquido. Este es el caso en la atracción del agua por un vaso limpio de vidrio. El agua prefiere estar más cerca del vidrio y “se eleva” en los bordes. El agua no puede, sin embargo, subir a lo largo del vaso hasta el tope ya que también interviene la fuerza de la gravedad en sentido contrario. El agua se eleva hasta que el peso de la porción del agua elevada se balancea exactamente con las fuerzas de unión con el vidrio. Esto puede observarse en el menisco que forma el agua con el vidrio en los bordes.

El efecto es mayor cuanto menor es el diámetro del tubo. Los tubos de diámetro muy pequeño se conocen con el nombre de capilares. Es debido a la acción capilar que el agua sube por los intersticios de un terrón de azúcar o sobre un trozo de papel secante. Es en parte también gracias a este efecto que el agua puede subir a través de los conductos de una planta para transportar nutrientes.

En otros líquidos, la fuerza de cohesión dentro del líquido puede ser mayor que la fuerza con el vidrio y por lo tanto el menisco parecerá invertido. Este es el caso del mercurio líquido. Lo mismo ocurre con el agua en un envase en que las paredes tengan parafina. Si se vuelca agua sobre un vidrio, el agua trata de expandirse formando la mayor superficie posible de contacto. Si la superficie contiene parafina o si se trata de mercurio, el líquido formará pequeñas gotas semiesféricas que presentan la menor interfase posible con la superficie.

En forma cuantitativa

En el caso de un capilar de radio r, ¿cuál es la altura h extra que se eleva el líquido debido a esta fuerza? Esta altura depende de la longitud de contacto entre el líquido y el sólido, que en este caso es un círculo (asumiendo una forma cilíndrica para el capilar) cuyo perímetro es 2πr. También depende por supuesto de la naturaleza del líquido y el sólido en cuestión; esto se representa en una constante que denominaremos t. De esta manera, la fuerza total que hace elevar al líquido es 2πrt. La fuerza en contra del elevamiento del líquido está dada por el peso de la columna que suponemos cilíndrica en una primera aproximación. El volumen de este cilindro es pr2h. Siendo d la densidad del líquido y g la constante de la gravedad, el peso de esta columna está dado por πr2hdg. El equilibrio se cumplirá cuando estas dos fuerzas se equiparen, lo cual lleva a:

2πrt =πr2hdg

Nótese que las constantes d y t son fijas una vez conocido el líquido y el sólido en cuestión. Por lo tanto, la elevación de la columna estará dada por:

h=2t/rdg