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INCAR - CSIC

CONCURSO DE DOCUMENTALES

El jurado compuesto por los Dres. Teresa Valdés-Solís Iglesias y Gregorio Marbán Calzón y las Sras. Chelo Amor Rubio y Concha Prieto Alas, reunido el miércoles, 25 de abril a las 11:00 en la sede del Instituto Nacional del Carbón, en la calle Francisco Pintado Fe, 26 de Oviedo,  ha decidido otorgar los siguientes premios:

 
Primer Premio: Mario García Arniella y José García Fernández con su documental ECOPOLA. Instituto Benedicto Nieto de Pola de Lena. Profesora: Sonia Fernández González. Ver vídeo.
 
Segundo Premio: Nazaret Álvarez Rodríguez y Claudia Valdés Montes con su documental El Transporte, eficiencia y sostenibilidad. Instituto de Pravia. Profesor Javier Fernández Ruiz. Ver vídeo.
 
Tercer Premio: Llume Pérez Fernández. Problema de la Energía en España. Instituto Astures. Lugones. Profesor: Marta Cuesta Gonzales. Ver vídeo.

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CATÁLISIS: COMBUSTIÓN DEL AZÚCAR

 

DEFINICIÓN

La catálisis es un proceso por el cual una reacción se ve acelerada por la presencia de un agente que llamamos catalizador. El catalizador participa en la reacción pero no se consume como los productos, si no que al final de la misma se recupera (ver Figura 1), por lo que es un reactivo y un producto simultáneamente.

 

 

La labor fundamental del catalizador es disminuir la energía de activación necesaria para formar un producto intermedio en la reacción (Figura 2). En muchas reacciones, cuando se trabaja sin catalizador, es necesario proporcionar mucha energía, normalmente aumentando la presión y la temperatura, a los reactivos para que la reacción se produzca (ΔΕsin catalizador). Cuando se introduce un catalizador en la reacción, se puede llevar a cabo la reacción comunicándole menos energía al sistema (ΔΕcon catalizador), lo que permite trabajar a presiones y temperaturas más bajas. Esto se traduce en procesos más sencillos y económicos.

Existen dos tipos de catálisis/catalizadores:

  • Catálisis heterogénea: es aquella en la que el catalizador y los reactivos se encuentran en fases diferentes, por lo que la reacción tiene lugar en las proximidades de una interfase.
  • Catálisis homogénea: en este caso, tanto los productos y reactivos de la reacción, como el catalizador se encuentran en la misma fase (normalmente líquida o gaseosa).

A parte de estos dos tipos de catálisis, se encuentra la catálisis biológica, la cual utiliza un tipo de catalizadores especiales denominados enzimas, que son macromoléculas orgánicas con estructura de proteica.

 

Experimento 2

La catálisis tiene gran importancia en la industria, ya que hasta el 90% de los productos químicos que hoy en día se sintetizan en las industrias se producen a través de procesos catalíticos. Algunos de los ejemplos más comunes son:

  • Producción de amoniaco: hasta principios del siglo XX, el proceso era extremadamente complicado, debido a altas presiones y temperaturas requeridas para realizar el proceso, y a los bajos rendimientos del mismo. Pero el proceso diseñado por Haber y Bosch, que introdujo la utilización de catalizadores de hierro.
  • Producción de biodiesel: para la producción de biodiesel se realizan reacciones de transesterificación, que son muy lentas. Para solucionarlo, se añaden ácidos o bases que actúan como catalizadores del proceso.
  • Reducción de contaminantes: en muchos procesos de combustión se generan óxidos de nitrógeno, que son muy contaminante (son uno de los principales causantes de la lluvia ácida). Para solucionarlo, se suelen utilizar catalizadores para oxidarlos a nitrógeno, que es el gas mayoritario del aire.
  • Reducción de la contaminación en los coches: todos los coches en la actualidad incluyen entre sus piezas un convertidor catalítico que sirve para transformar hidrocarburos, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno en gases menos dañinos para el medio ambiente.

 

EXPERIMENTO

Para el experimento se necesitan un mechero, unas pinzas, unos terrones de azúcar y un poco de ceniza de cigarrillo.

En primer lugar tomamos uno de los terrones con las pinzas e intentamos quemarlo con el mechero. Al entrar en contacto con la llama, el terrón se funde, produciendo caramelo, pero no arde.

A continuación, repetimos el proceso, pero en esta ocasión impregnamos el terrón con las cenizas del cigarrillo. Al acercar la llama del mechero, la situación es completamente diferente, ya que esta vez se observa con el terrón no se funde, si no que arde.

La explicación a este comportamiento radica en la acción catalítica de las cenizas del cigarro. Cuando se intenta quemar el terrón sin las cenizas, la temperatura de ignición del azúcar es mayor que la de fusión, por lo que el terrón se funde en vez de arder. Cuando se introducen las cenizas en el sistema, estas provocan que la temperatura de ignición del azúcar disminuye, siendo menor que la de fusión, por lo que el terrón arde.

PROCESOS DE ADSORCIÓN

 

DEFINICIÓN

La adsorción es el proceso por el que una especie química (ADSORBIBLE o ADSORBATO) presente, inicialmente en una fase fluida, se concentra en la interfase que la separa de otra de igual o superior grado de ordenación (ADSORBENTE).

Hay que distinguir entre los procesos de adsorción y absorción.  La absorción es un proceso por el cual un material (absorbente) es retenido por otro (absorbato); puede ser la disolución de un gas o líquido en un líquido o sólido; o en la retención mediante fuerzas físicas de las moléculas de un gas, líquido o sustancia disuelta a la superficie o a la masa de un sólido.

En una masa de material sólido o líquido, todos los enlaces del interior entre los átomos que lo constituyen están satisfechos, pero en su superficie aparece una discontinuidad en esos enlaces. Para esos enlaces insaturados, es energéticamente favorable interacionar con la materia presente en sus alrededores, lo que se produce de forma espontánea. Por este motivo se produce el fenómeno de la adsorción.

El enlace que une los átomos de la sustancia con menor grado de ordenación con el material de mayor grado de ordenación depende de ambos materiales. Según este enlace, pueden darse dos tipos de adsorción: fisisorción y quimisorción.

La fisisorción o adsorción física tiene lugar mediante interacciones denominadas fuerzas de Van der Waals o fuerzas de dispersión London, que dan lugar a una atracción débil entre el adsorbato y el adsorbente. Por su parte, la quimisorción tiene lugar mediante enlaces químicos, dando lugar a fuerzas de interacción mayores.

Algunas de las principales aplicaciones de la adsorción son las que se enumeran a continuación:

  • Purificación de aguas residuales
  • Descontaminación de gases
  • Eliminación de olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites
  • Deshumidificación de gasolinas
  • Secado de aire
  • Ciencia forense (revelado de huellas dactilares)

Para estos procesos, resultan interesantes materiales con una gran superficie específica, como el carbón activo, el cual utilizaremos en alguno de los experimentos que se muestran en el video con el que queremos mostrar algunos ejemplos de este proceso de adsorción.

 

 EXPERIMENTOS

En el video aparecen tres experimentos diferentes. En los dos primeros se utilizan carbones para purificar agua y en el tercero se utiliza un carbón para revelar huellas digitales.

 1er Experimento

  1. Se prepara una disolución de Azul de metileno, que será el colorante que actúe como contaminante y que se desea retirar del agua
  2. Se introduce el carbón activo en una columna de vidrio. En la parte inferior se coloca un pedazo de algodón o de lana de cuarzo para evitar que el carbón se filtre al agua limpia.
  3. Se hace pasar la disolución a través del carbón activo y se recoge el agua limpia. Este es un proceso de purificación similar al de las jarras con filtro.

La explicación de este fenómeno es que, al pasar a través del carbón activo, los iones del colorante quedan depositados sobre la superficie del carbón mientras que el agua pasa a través de él. El resultado es que se obtiene el agua sin el colorante.

2o Experimento

  1. Se prepara una disolución de Azul de metileno, que, al igual que en el experimento anterior, será el colorante que actúe como contaminante y que se desea retirar del agua
  2. Se introduce el carbón con propiedades magnéticas en la propia disolución de azul de metileno y se agita.
  3. Cuando la disolución y el carbón lleven un rato bien mezclados, se acerca un imán al vaso que contiene la disolución. El carbón es atraído por el imán y se puede separar sin problemas del agua, de la cual ya se ha retirado el colorante.

En este experimento tiene lugar el mismo fenómeno que en el caso anterior: durante la agitación, los iones del colorante se adhieren a la superficie del carbón, separándose del agua.

3er Experimento

En el tercer experimento se muestra como se pueden revelar huellas dactilares con un carbón.

  1. Se coge una hoja de papel y se hace una marca. Sobre esa marca se presiona levemente con un dedo.
  2. Con una cuchara se espolvorea un poco de polvo de carbón sobre la marca que se ha realizado en el papel y se agita un poco
  3. Se retira el polvo de carbón sobrante y observamos que queda la huella dactilar perfectamente revelada sobre el papel.

La explicación de este fenómeno es que, al posar el dedo sobre la hoja dejamos grasa, restos de sudor y otras partículas que se encuentran en los surcos de las huellas dactilares, que quedan pegadas al papel. Al añadir el polvo de carbón, por el fenómeno de adsorción, éste queda adherido a esos restos que hemos dejado sobre el papel y por eso se revela la huella dactilar.

Queremos agradecer especialmente la colaboración realizada para este trabajo por Juan José Gutierrez Sevillano.

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ESTADO DE LA MATERIA. EL PLASMA

El plasma es un estado similar al gas, pero en el cual las moléculas se encuentran ionizadas, es decir, se han desprendido de algunos de sus electrones formando una especie de sopa de iones y electrones.

DEFINICIÓN:

La materia es todo aquello que ocupa un lugar en el espacio. Estamos rodeados de materia, que en función de las condiciones en las que se encuentre puede adoptar distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen. Habitualmente se habla de tres estados fundamentales: sólido, líquido y gaseoso.

En estado sólido los materiales se presentan como cuerpos de forma compacta y precisa, oponiendo resistencia a cambios de forma y de volumen. Las moléculas que componen cuerpos sólidos tienen una gran cohesión y adoptan formas bien definidas.

En estado líquido la materia se presenta en forma de fluido altamente incompresible, es decir, que su volumen se mantiene prácticamente constante antes las variaciones de la presión. Es un estado de agregación intermedio entre el sólido y el gaseoso, ya que las moléculas en estado líquido no se encuentran tan próximas entre sí como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases. Suelen adoptar la forma del recipiente que los contiene o forma esférica cuando no actúa ninguna fuerza sobre ellos.

En estado gaseoso, las moléculas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Son muy compresibles, ya que pequeñas variaciones en la presión pueden dar lugar a importantes cambios en su volumen

Pero al margen de estos tres estados de la materia sobradamente conocidos, existe otro estado que nos acompaña en nuestra vida cotidiana que habitualmente pasa desapercibido: el plasma. El plasma es un estado similar al gas, pero en el cual las moléculas se encuentran ionizadas, es decir, se han desprendido de algunos de sus electrones formando una especie de sopa de iones y electrones. Esta situación es la que se da en una llama. Con el experimento que mostramos a continuación es posible  observar de forma más clara el plasma.

SEGUNDO EXPERIMENTO:

Es importante aclarar que este ensayo puede resultar peligroso y no se debe hacer sin la supervisión de un adulto.

1ª etapa: En este experimento se introduce una llama (una cerilla o un pedacito de papel ardiendo en este caso) dentro de un microondas en el que cual se coloca una recipiente transparente boca abajo, para lograr confinar el plasma.

2ª etapa: Al comenzar a funcionar el microondas se observaran una serie de chispazos que finalmente dan lugar a una especie de bola de fuego que asciende hacia la parte superior del recipiente que hemos dispuesto boca abajo. Esa bola es el plasma.

La explicación a este fenómeno es que las moléculas que han perdido electrones formando el plasma, es decir, la llama del papel ardiendo, tienden a subir, alejándose del papel. Debido a esto pierden temperatura y vuelven a captar los electrones que previamente han cedido. Al encontrarse dentro del microondas, lo que se logra es que los iones capten esa energía microondas siendo capaces de no volver a captar esos electrones. Es decir, se genera un primer plasma (la llama), y se usa como fuente para un segundo plasma que se alimenta por microondas (la bola de fuego que confinamos en el recipiente invertido)

Los plasmas forman el estado de agregación más abundante de la naturaleza. De hecho, la mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma. Algunos ejemplos de plasmas son:

El sol quizás sea el ejemplo de plasma más identificable.

Preparación de materiales de carbono con características especiales para su utilización como supercondensador para almacenamiento de energía o como material para almacenamiento de hidrógeno.

 

PRIMER EXPERIMENTO:

Preparación de materiales de carbono con características especiales para su utilización como supercondensador para almacenamiento de energía o como material para almacenamiento de hidrógeno.

En este video el Profesor Antonio Benito Fuertes ilustra con un ejemplo cómo se desarrolla el trabajo en su laboratorio del INCAR. Concretamente se describe la preparación de un material de carbono con una elevada superficie interna (de hasta 3000 m2/g), el cual tiene la particularidad de poseer un elevado contenido en azufre lo que resulta de interés de cara a ciertas aplicaciones.

En este experimento se pretende producir un material de carbono con alta porosidad. Los materiales de carbono con elevada porosidad presentan mejores propiedades para su utilización en diversas aplicaciones como procesos de descontaminación (eliminación de gases tóxicos y de contaminantes líquidos) o como catalizadores y soportes de catalizadores en diversas reacciones químicas entre otras aplicaciones.

 EXPERIMENTO:

Para fabricar un carbono con alta porosidad necesitamos un precursor de carbono, es decir, algo que se pueda convertir en carbono mediante un procedimiento térmico. En este experimento utilizamos politiofeno. Se escoge este precursor porque tiene un contenido en azufre elevado y queremos obtener materiales de carbono que también tengan un contenido de azufre alto.

Etapa 1: Síntesis de politiofeno

El politiofeno lo preparamos mediante una reacción química de polimerización a partir de metanol-tiofeno, utilizando cloruro de hierro (III) como oxidante, todo ello disuelto en acetonitrilo.

Etapa 2: Síntesis del carbono poroso

Para favorecer la creación de la porosidad el politiofeno se hace reaccionar con hidróxido de potasio (KOH) mediante una reacción que se denomina activación química.

¿Qué etapas son necesarias para que ocurra la reacción química?

  1. Mezclamos el politiofeno con el hidróxido de potasio. Se muelen juntos en un mortero.
  2. La mezcla obtenida se introduce en un reactor y se calienta hasta 600-800ºC en atmósfera inerte (nitrógeno).
  3. El sólido que obtenemos se lava con ácido clorhídrico diluido (HCl) para eliminar totalmente los residuos inorgánicos (procedentes del KOH) mezclados con el carbono.
  4. Finalmente el sólido se lava con abundante agua destilada y se seca a 120ºC durante varias horas.

Después de este procedimiento obtenemos un material de carbono que tiene una elevada porosidad y un alto contenido en azufre (>5 %).

Posibles Aplicaciones: Un material de estas características será idóneo para adsorber compuestos de mercurio en medio acuoso, que son muy contaminantes o como soporte de catalizadores de platino, que son muy útiles para muchas reacciones químicas.

¿Para qué lo vamos a utilizar nosotros?

En nuestro caso nos planteamos explorar su empleo en supercondensadores para almacenar energía o como material para el almacenamiento de hidrógeno. Estas dos aplicaciones son muy importantes puesto que es necesario desarrollar sistemas de almacenamiento más eficientes para mejorar la utilización de los recursos energéticos disponibles.

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