Emulsiones

La emulsión es un sistema de dos fases que consta de dos líquidos parcialmente miscibles, uno de los cuales es dispersado en el otro en forma de glóbulos. La fase dispersa, discontinua o interna es el líquido desintegrado en glóbulos. El líquido circundante es la fase continua o externa. La suspensión es un sistema de dos fases muy semejante a la emulsión, cuya fase dispersa es un sólido. La espuma s un sistema de dos fases similar a la emulsión, en el que la fase dispersa es un gas. El aerosol es lo contrario de la espuma: el aire es la fase continua y el líquido la fase dispersa. Un agente emulsivo es una sustancia que se suele agregar a una de las fases para facilitar la formación de una dispersión estable.

A la industria le interesa más la emulsificación de aceite y agua. Las emulsiones de aceite y agua (oleoacuosas) tienen el aceite como fase dispersa en el agua, que es la fase continua. En las emulsiones hidrooleosas o de agua en aceite, el agua está dispersa en aceite, que es la fase externa. Hay ocasiones en que no está claramente definido el tipo de emulsión, pues la fase interna y externa, en lugar de ser homogénea, contiene porciones de la fase contraria; una emulsión de esta clase se llama emulsión dual.

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.

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.

¿Qué Es El Plasma?

Es un estado de la materia, generalmente gaseoso, en el que algunos o todos los átomos o moléculas están disociados en forma de iones. Los plasmas están constituidos por una mezcla de partículas neutras, iones positivos (átomos o moléculas que han perdido uno o más electrones) y electrones negativos. Un plasma es conductor de la electricidad, pero cuando su volumen supera la llamada longitud de Debye presenta un comportamiento eléctricamente neutro. A escala microscópica, que corresponde a dimensiones inferiores a la longitud de Debye, las partículas de un plasma no presentan un comportamiento colectivo, sino que reaccionan individualmente a perturbaciones como por ejemplo un campo eléctrico.

En la Tierra, los plasmas no suelen existir en la naturaleza, salvo en los relámpagos, que son trayectorias estrechas a lo largo de las cuales las moléculas de aire están ionizadas aproximadamente en un 20%, y en algunas zonas de las llamas. Los electrones libres de un metal también pueden ser considerados como un plasma. La mayor parte del Universo está formado por materia en estado de plasma. La ionización está causada por las elevadas temperaturas, como ocurre en el Sol y las demás estrellas, o por la radiación, como sucede en los gases interestelares o en las capas superiores de la atmósfera, donde produce el fenómeno denominado aurora.

Los plasmas pueden crearse aplicando un campo eléctrico a un gas a baja presión, como en los tubos fluorescentes o de neón. También puede crearse un plasma calentando un gas neutro hasta temperaturas muy altas. En general, las temperaturas son demasiado altas para aplicarlas externamente, por lo que se calienta el gas internamente inyectando en él iones o electrones de alta velocidad que pueden colisionar con las partículas de gas y aumentar su energía térmica. Los electrones del gas también pueden ser acelerados por campos eléctricos externos. Los iones procedentes de estos plasmas se emplean en la industria de semiconductores para grabar superficies y producir otras alteraciones en las propiedades de los materiales.

En los plasmas muy calientes, las partículas adquieren suficiente energía como para producir reacciones nucleares al colisionar entre sí. Estas reacciones de fusión son la fuente de calor en el núcleo del Sol, y los científicos intentan crear en los laboratorios plasmas artificiales donde las reacciones de fusión puedan producir energía para generar electricidad.