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Experimentos

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.

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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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