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Aparato de electrólisis a microescala (PDF)
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Electrólisis elegante a microescala Teach article
Aumenta los conocimientos de tus estudiantes acerca de la electrólisis, por medio de técnicas fáciles y seguras de química a microescala.
La electrólisis es un proceso fundamental en la extracción de metales que son relativamente reactivos, como el aluminio, litio o magnesio. El cloro y el hidróxido de sodio, que se utilizan para combatir virus y bacterias, se producen a partir del proceso cloroalcalino, donde ocurre la electrolisis del cloruro de sodio en medio acuoso.
Las técnicas a microescala son muy satisfactorias en la enseñanza de la conductividad y de la electrolisis, debido a la rapidez con la que los estudiantes pueden trabajar. Además, permiten al docente aclarar conceptos erróneos que puedan surgir.
Actividad 1: Construcción de un conductímetro a microescala
El conductímetro es un dispositivo simple que permite a los alumnos estudiar la conductividad de diversos materiales sólidos (como el cobre y el vidrio) y de compuestos en diferentes estados (como cloruro de sodio sólido y cloruro de sodio en solución). Este dispositivo, que es una variación del indicador de conductividad GL16609(1) del CLEAPSS, se desarrolló originalmente por Matthias Ducci en el Pädagogische Hochschule Karlsruhe. El/la docente o técnico/a de laboratorio pueden construir los dispositivos para la clase, aunque los/as estudiantes también los pueden construir como parte de una actividad en el aula o en clubes de ciencia. Se pueden construir en menos de 30 minutos.
Materiales
- Tubos macizos de fibra de carbón de 2 mm (se pueden conseguir en tiendas en línea para hacer cometas, ver las notas abajo)
- Sección de un bloque de terminales eléctricas
- Pinzas de batería con clip y sus cables para conectar de la envergadura de dos terminales.
- Resistor (390–500 Ω, 0.25 W)
- Diodo (LED) de emisión de luz de20 mA
- Batería PP3 de 9V
- Desarmador pequeño
- Pinzas punta de aguja
- Pinzas para cortar alambre
- Sierra o cuchillo
- Caja de mentas Tic Tac (49 g)
- Cinta adhesiva con pegamento en ambos lados
- Clavo, pinzas y mechero Bunsen
Imagen cortesía de Adrian Allan
Procedimiento
- Corta pedazos de 2 cm x 5 cm del tubo macizo de fibra de carbono, con pinzas afiladas para cortar alambre. Hazlo dentro de una caja, si es posible, para evitar que vuelen por el aula.
- Corta los alambres del resistor aproximadamente a la mitad de su longitud y enrosca sus puntas con unas pinzas punta de aguja. Incluir el resistor en el circuito limita el flujo de corriente a través de la luz LED.
- Usa una sierra o un cuchillo caliente para cortar una sección que contenga cuatro conectores del bloque de terminales.
- Inserta las puntas del cable negro de la pinza de la batería en la conexión más externa del lado derecho del bloque de terminales.
- Inserta una punta del resistor en la misma conexión del mismo lado en el bloque de terminales donde está el cable negro. Inserta la otra punta en la conexión junto a esta del mismo lado. Aprieta los tornillos para sujetar el alambre y el resistor firmemente en su lugar.
- Inserta las puntas del cable rojo de las pinzas de la batería en la conexión más lejana en el lado izquierdo del bloque de terminales.
- Inserta el alambre positivo de la luz LED (el largo) dentro de la misma conexión donde está el cable rojo. Inserta el otro alambre de la luz LED en la conexión junto a este en el mismo lado. Aprieta los tornillos para sujetar el alambre y la luz LED en su lugar.
- Toma los dos pedazos que cortaste del tubo de fibra de carbono e insértalos en los dos agujeros de en medio que están del otro lado del bloque de terminales. Vas a tener que abrir el agujero completamente y presionar un poco para lograrlo. Aprieta los tornillos.
- Conecta la batería al clip. Cuando hayas terminado, se debe ver como el aparato que se muestra abajo. El conductímetro se puede usar tal como está y se puede probar si funciona, durante esta etapa, con una gota de solución salina.
- Para crear un estuche protector para el conductímetro, usa un clavo caliente para hacer dos agujeros en el fondo de una caja de Tic Tac que estén separados a la misma distancia que los dos electrodos, unos 2 mm del borde.
- Pon cinta adhesiva de doble cara en la base del bloque de terminales. Mete los electrodos dentro de la caja de Tic Tac y a través de los agujeros en el fondo. La cinta adhesiva fijará la base de la terminal a la caja.
- Pon cinta adhesiva en la base de la batería, pégala a la parte interna de la tapa de la caja y mete la batería pegada a la tapa dentro de la caja. Una alternativa en lugar de usar cinta adhesiva para sujetar los electrodos de carbono, es usar una sección cortada del bloque de terminales que tenga dos conexiones.
El proceso completo de ensamblaje se muestra en este video:
Notas y consejos adicionales
Si pones un pedazo de cartón o papel negro detrás de la luz LED, esta se puede observar mejor.
Los tubos macizos de fibra de carbono (de 2 mm de diámetro) se consiguen fácilmente (y casi siempre son más baratos que los tubos de grafito) en tiendas en línea. Los tubos macizos de fibra de carbono se utilizan para construir los armazones de cometas y de aviones modelo, ya que son extremadamente fuertes y se necesita una cizalla para cortarlos.
Los metales y aleaciones como el cobre, hierro (clips de papel) , alambre de zinc, alambre de aluminio y alambre de nicromo, se pueden usar también como electrodos; sin embargo, estos productos usualmente son diferentes. Por ejemplo, si usamos electrodos de cobre en una solución de sulfato de cobre, este se disolvería en el electrodo positivo al mismo tiempo que se depositaría en el electrodo negativo. Si se usan electrodos de carbono, se produce dióxido de carbono en el electrodo positivo. En el electrodo negativo se deposita el cobre y cuando la concentración de iones de cobre disminuye, gas hidrógeno comienza a aparecer.
Actividad 2: Conductividad y los iones en solución
La conductividad de las soluciones permite tener conversaciones con los/as estudiantes acerca de temas como la presencia de iones en solución, la producción de químicos cotidianos y la electrodeposición. Esta actividad enseña a los/as estudiantes que debe haber iones presentes para que una solución sea conductora. También ilustra conceptos importantes relacionados a la estructura atómica, formación de iones y enlaces iónicos y covalentes.
Materiales
- Botella con gotero de agua destilada
- Botella con gotero de agua del grifo
- Cristales de cloruro de sodio
- Azúcar blanca granulada
- Azúcar moreno
- Conductímetro
- Espátula de madera
- Hoja de trabajo sobre Conductividad y iones en solución.
Procedimiento
- Imprime una copia de la hoja de trabajo y métela dentro de un sobre de plástico transparente.
- Coloca unos cuantos granos de sal cerca de donde se va a formar el charco de agua.
- Crea un pequeño charco de agua del grifo en el cuadro donde se indica.
- Para poner a prueba la conductividad del agua del grifo, introduce los electrodos en el charco de agua. La luz LED se debe encender.
- Llena otro círculo con agua destilada y prueba su conductividad. Con ayuda del conductímetro, compara la conductividad del agua del grifo y la del agua destilada.
- Introduce algunos cristales de sal por el borde del charco de agua destilada para que entren al líquido.
- Mantén los electrodos firmes en el agua y observa durante un minuto.
- Introduce cristales de azúcar blanca y azúcar moreno blando en otros charcos de agua por separado, y compara su conductividad.
Imagen cortesía de Adrian Allan
Discusión
Discute las siguientes cuestiones con tus estudiantes:
- ¿Cuál es la diferencia entre la conductividad del agua salada y la del agua destilada?
- ¿Cuál es la diferencia entre la conductividad del agua del grifo y la del agua destilada?
- ¿Cuál es la diferencia entre la conductividad de la solución de azúcar blanca y la solución de sal?
- ¿Cuál es la diferencia entre la conductividad de la solución de azúcar blanca y la solución de azúcar moreno?
- Cuando una solución es conductora de electricidad, ¿indica la presencia de qué?
- ¿Qué iones podrían estar presentes en las soluciones, y cuáles serían sus cargas?
- ¿Por qué podría ser peligroso nadar en el mar durante una tormenta eléctrica o tener un aparato eléctrico cerca de la bañera?
Explicación
Cuando los cristales de cloruro de sodio se disuelven en la gota de agua, los iones se mueven libremente y se difuminan por todo el líquido. Cuando los iones se encuentran con los electrodos, el circuito se completa y esto se demuestra cuando se enciende la luz LED. Por lo tanto, el conductímetro detecta la presencia de los iones disueltos. El agua del grifo contiene una cantidad pequeña de iones que causan que la luz LED se encienda, a diferencia del agua destilada. El azúcar blanca está compuesta de sacarosa, un compuesto molecular covalente que no produce iones al disolverse en el agua, por lo cual, la señal que envía a la luz LED es débil. El azúcar moreno blanda (melazas) contiene impurezas que forman iones en el agua, por lo que la señal que envía a la luz LED es más fuerte. En algunos casos, el azúcar moreno puede no producir ninguna señal, lo cual sugiere que se le ha agregado un colorante comestible.
Aunque esta parte del aparato se conoce comúnmente como conductímetro, también se puede describir como detector de iones. Cualquier solución que contenga iones va a conducir electricidad; por lo tanto, ¡no es buena idea nadar en el mar durante una tormenta eléctrica o usar la secadora de pelo en la bañera!
Actividades adicionales
Experimentos de electrólisis con el conductímetro
Coloca algunos cristales de manganato de potasio (VII) al borde de una gota de agua destilada.
Notas de seguridad
Precaución: el manganeso de potasio es un oxidante dañino.
Cuando el color púrpura empiece a difuminarse, inserta los electrodos en la gota y observa. El color púrpura se mueve hacia el electrodo positivo debido a la carga negativa de los iones (MnO4–) de manganato (VII). Este experimento también se puede hacer con cristales de sulfato de cobre en una gota de amonio 2 M; el cobre metálico se deposita en el electrodo positivo. También se puede llevar a cabo con otras sales.
De forma alternativa, se puede agregar un indicador universal a unas cuantas gotas de agua e insertar los electrodos. No los muevas durante un minuto y sácalos con cuidado. Se formará un área acídica de color rojo-anaranjado alrededor del electrodo positivo, y un área alcalina azul-púrpura alrededor del electrodo negativo. Esto se debe a la electrolisis en la superficie del electrodo.
Imagen cortesía de Adrian Allan
Electrólisis a microescala del cloruro de cobre (II)
Se debe tener precaución cuando las sales de cloruro de cobre se electrolizan y se produce cloro. En el RU, un requerimiento específico en los exámenes era la electrólisis del cloruro de cobre (II), porque la solución produce cobre y cloruro en los electrodos. Pero la naturaleza tóxica del cloruro enviaba a los estudiantes al hospital con problemas respiratorios. El uso de la caja Petri con el aparato, puede limitar el volumen de cloruro que se produce a 6 cm3 de gas, lo que es suficiente para poder identificarlo con reacciones de blanqueo y oxidación. Las instrucciones completas del aparato de electrólisis a microescala se encuentran en el material adicional.
Imagen cortesía de Adrian Allan
Si el cloruro de cobre (II) se electroliza se observa la formación de cobre marrón en el electrodo negativo, y el cloro que se observa como burbujas en el electrodo positivo, tiene un olor leve.
Imagen cortesía de Adrian Allan
Electrólisis de cloruro de cobre(II)
Notas
La electrólisis puede ser un concepto extraño que no es tan fácil de explicar cómo los libros de texto sugieren. Con frecuencia, la simplificación puede encubrir lo que está ocurriendo. Se debe tener en consideración los siguientes puntos cuando se realicen estas actividades con los/as estudiantes:
- No solamente las sales iónicas participan en las reacciones redox en los electrodos; el solvente también puede reaccionar.
- A diferencia de los electrodos de platino inertes, los electrodos de carbono pueden participar en la reacción, particularmente en el electrodo positivo.
- Frecuentemente, existen reacciones compitiendo, por lo que se puede formar una mezcla de diferentes productos en cada uno de los electrodos.
- Los productos dependen muchas veces de la concentración de la sal en el solvente.
References
[1] Andre C (2016) Chemie? Aber sicher! Experimente kennen und können! Akademie für Lehrerfortbildung und Personalführung (ALP), Dillingen. https://www.deutsche-digitale-bibliothek.de/item/IWYNTP6YBCLOMKKRJBVUFEALZ2DRJMQO
[2] Worley B, Paterson D (2021) Understanding chemistry through microscale practical work p 70. Association for Science Education. ISBN: 9780863574788
Resources
- Sigue el video de la guía para construir un conductímetro a microescala.
- Las demostraciones de los experimentos en este artículo se pueden encontrar en este webinario de Science on Stage química a microescala.
- Observa una demostración del experimento de la electrolisis a microescala del cloruro de cobre
- Lee una introducción a la química a microescala en el aula: Worley B (2021) Micromaravilla: la química a microescala en el aula Little . Science in School 53.
- Enseña acerca de la química de pH con métodos a microescala: Worley B, Allan A (2021) Maravillas en miniatura: experimentos sobre el pH a microescala. Science in School 54.
- Enseña sobre la química de la precipitación con métodos de química a microescala: Worley B, Allan A (2022) Reacciones de precipitación más fáciles: química a microescala. Science in School 54.
- Lleva a cabo una actividad en el aula para extraer aceites esenciales a partir de plantas fragantes: Allan A, Worley B, Owen M (2018) Perfumes with a pop: aroma chemistry with essential oils. Science in School44: 40–46.
- Aprende sobre cómo la economía del hidrógeno puede funcionar en la práctica: Mitov M, Hubenova Y (2014) Una clase sobre la economía del hidrógeno. Science in School30: 31–35.
Aprende a hacer indicadores a partir del té de mariposa: Prolongo M, Pinto G (2021) Química a la hora del té. Science in School 52.
Review
En Wellington College, nuestros estudiantes han utilizado la química a microescala como parte del curso de BI en Investigaciones Individuales. Este es otro ejemplo que se presta a crear nuevas áreas de investigación, gracias a la construcción del Conductímetro a Microescala. No me sorprende ver a Bob Worley como uno de los autores, puesto que desde mi perspectiva, es el padre de la química a microescala y ha tenido un gran impacto en la accesibilidad a estos experimentos en varios colegios. El contenido de este artículo permite a los docentes y a los estudiantes ser creativos, a retar su conocimiento sobre iones/enlaces, mientras que aclaran conceptos erróneos que existen en los temas de electrolisis/enlaces.
Hay infinidad de discusiones que se pueden sacar de estos experimentos que van desde ‘¿qué es la electrólisis?’ hasta el estudio de la química del manganeso. Me emociona la idea de poner estos experimentos a prueba durante el próximo año académico y agradezco el nivel de detalle que los autores nos han proporcionado para hacerlo posible.
Caroline Evans, Jefa de Química, Wellington College, RU
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