Química con un caramelo

Un experimento sencillo ilustra las reacciones redox. Un líquido violeta cambia varias veces de color a medida que se revuelve con un caramelo. El violeta se convierte en azul, verde, amarillo y por último en naranja.

Material necesario

  • un vaso
  • agua
  • permanganato potásico (KMnO4)
  • hidróxido sódico (NaOH)
  • un caramelo con palito que contenga glucosa, fructosa, jarabe de glucosa u otro azúcar reductor.

¿Cómo se hace?

Se echa agua en el vaso y se disuelve una  pequeña cantidad de permanganato potásico, la suficiente para que la disolución resultante adquiera un ligero tono violeta como se ve en el vídeo.

Una vez disuelto se añade en torno a 1 g (2 lentejas) de hidróxido sódico.

Se revuelve con el caramelo y se observa que a medida que el caramelo se disuelve, la disolución cambia de color varias veces. Los primeros cambios son rápidos, los últimos no tanto.

Si se calienta un poco el agua los cambios suceden a más velocidad.

Es importante usar muy poco permanganato ya que sino el color es un violeta muy oscuro y no se aprecian fácilmente los cambios.

¿Por qué cambia el color?

En pocas palabras:

A medida que el azúcar reductor presente en el caramelo se disuelve en el agua transforma al permanganato, de color violeta, en otros compuestos como manganato, de color verde o dióxido de magnaneso de color amarillo.

Sigue leyendo si quieres una explicación más detallada de lo que sucede.

Un poco de teoría

Las reacciones químicas de oxidación-reducción (redox) se caracterizan porque algunos elementos de las substancias que reaccionan intercambian electrones. La pérdida de electrones se denomina oxidación y su ganancia reducción.

Para poder establecer quien pierde y quien gana electrones, o sea quien se oxida y quien se reduce, hay que saber primero cuantos electrones tiene cada elemento. Esto no es tan sencillo como podría parecer ya que los elementos en un compuesto están unidos unos a otros y los electrones que participan en esa unión con frecuencia no se pueden atribuir claramente a uno u otro elemento. Para solventar esta cuestión, los químicos le asignan a cada uno de los elementos que participan el llamado número de oxidación. Los cambios, en el transcurso de una reacción, de este número que puede ser positivo, negativo o cero, permiten conocer si un elemento se oxida o se reduce. Si en la reacción un elemento aumenta su número de oxidación es que ha perdido electrones: se ha oxidado. Si el número de oxidación disminuye es que los electrones se han ganado, el elemento se ha reducido.

¿Qué sucede en el vaso?

En el vaso hay permanganato potásico (KMnO4) e hidróxido de sodio (NaOH) disueltos en agua. El caramelo que se ha utilizado contiene según el fabricante: azúcar (de mesa) y jarabe de glucosa.

sacarosa
sacarosa (C12H22O11)

El azúcar es sacarosa, un disacárido formado por glucosa y fructosa unidas que no es reductor.

 

 

glucosa
glucosa (C6H12O6)
fructosa
fructosa (C6H12O6)

El jarabe de glucosa es un producto edulcorante usado en la industria  alimentaria que contiene una mezcla de dos monosacáridos, ambos reductoresglucosa  y fructosa .

El color verde se debe al anión manganato
El color verde se debe al anión manganato

El KMnO4 se disuelve en agua dando lugar al ión permanganato, MnO4. En este ión el Mn tiene un número de oxidación +7. El azúcar reduce al Mn de +7 a +6, pasando el permanganato, MnO4, a manganato, MnO42, que presenta color verde. Una posible explicación para el azul intermedio es la coexistencia durante un tiempo de ambos compuestos MnO4 y MnO42.

Color debido al dióxido de manganeso
El color amarillo se debe al dióxido de manganeso

Al seguir añadiendo azúcar reductor a la disolución el Mn se reduce todavía más pasando el manganato a dióxido de manganeso MnO2 en el que el manganeso tiene un estado de oxidación de +4.

Más información

 

Ladrón de Julios: encendiendo un led con una pila gastada

Una pila de 1,5 V, de las que se utilizan en dispositivos electrónicos pequeños, de tipo AA o AAA, no permite normalmente encender un led ya que casi todos necesitan tensiones superior a 2 V. Sin embargo, si utilizamos de intermediario entre pila y led un circuito conocido como Ladrón de Julios, podremos encender no uno sino muchos ledes, incluso aunque la pila esté gastada.

El experimento

Material necesario

  • 1 toroide de ferrita (valen muchos tipos)
  • 1 resistencia 1 kΩ (vale de 0,5 kΩ a 2 kΩ)
  • Unos cuantos ledes de distintos colores.
  • 1 transistor PN2222A (hay muchas alternativas posibles)
  • Cables para las conexiones y para el bobinado sobre el toroide de ferrita.
  • 1 pila AA o AAA de 1,5 V gastada y otra sin gastar para el control.
  • 1 placa de pruebas (u otra forma alternativa de hacer las conexiones)
Material para montar un Ladrón de Julios
Material para montar un Ladrón de Julios

¿Cómo se hace?

Forma de conectar los elementos del ladón de julios
Forma de conectar los elementos del ladrón de julios

A tener en cuenta

toroide con 2 bobinados
toroide con 2 bobinados
  • En el toroide hay dos bobinas superpuestas. Para crear las bobinas se usa hilo de cobre esmaltado, como el que se ve en la fotografía del material, o hilo forrado. Para un toroide como el de la foto hacen falta dos trozos de 50 cm. Una vez bobinados, si se usa hilo de cobre esmaltado, hay que lijar los extremos para eliminar el esmalte
toroide
toroide
  • Las dimensiones aproximadas del toroide utilizado son: diámetro exterior 13 mm, diámetro interior 7 mm y altura 5 mm.
  • Un portapilas o unos cables con imanes en los extremos facilitan la conexión de la pila.
  • Si se usa un transistor pnp hay que invertir la polaridad de pila y led.
  • Los ledes están conectados en serie.

¿Qué sucede?

Esquema de ladrón de julios
Esquema de ladrón de julios

Si un dispositivo alimentado por pilas deja de funcionar debido a que las pilas están gastadas no significa que estas no tengan todavía energía disponible, lo que suele significar es que la tensión que suministran las pilas ha bajado de un cierto límite que el dispositivo necesita.
El ladrón de julios es un circuito oscilante que funciona como amplificador de tensión. Transforma una tensión continua pequeña en una serie de pulsos de alta frecuencia a una tensión mayor. Consigue así aprovechar mucha energía de una pila aparentemente sin ella.
En la figura  se representa el esquema de un ladrón de julios.
En una parte del ciclo la energía de la pila se almacena en la bobina B2. En esta parte del ciclo el led está apagado. En la otra parte del ciclo la energía almacenada en la bobina B2 se disipa a través del led encendiéndolo. El transistor actúa como conmutador dando lugar a la oscilación del circuito. [En el dibujo del circuito y en el video la resistencia está entre la bobina B1 y la base mientras que en el esquema está entre B1 y la pila. Ambos circuitos son equivalentes]

Entrando un poco más en detalle:

    1. Inicialmente el transistor está en corte (al no haber corriente de base, se comporta como un interruptor abierto), no circula corriente entre colector y emisor.
    2. La pila hace que comience a pasar una pequeña corriente a través de la resistencia que, después de atravesar la bobina B1, llega a la base activando el transistor y permitiendo el paso de corriente entre colector y emisor.
    3. A medida que la corriente aumenta en la bobina B2, se induce corriente en la bobina B1 que refuerza la corriente de base abriendo más el paso a la corriente colector-emisor.
    4. El paso 3 se repite hasta que el transistor está en saturación y la corriente que atraviesa la bobina 2 y el canal colector-emisor ha llegado al máximo. En este momento hay una gran energía almacenada en el campo magnético de la bobina B2.
    5. Como la corriente no varía en la bobina B2, desaparece el efecto de inducción sobre la bobina 1 y comienza a descender la corriente que llega a la base.
    6. Al disminuir la corriente de base, el canal colector-emisor comienza a cerrarse produciendo una disminución de corriente en la bobina B2.
    7. La caída de corriente en la bobina B2 provoca que en la bobina B1 la corriente disminuya también.
    8. La repetición de los pasos 6 y 7 pone al transistor en corte.
    9. Con el transistor en corte, la energía magnética que queda almacenada en la bobina B2 provoca un pulso de corriente a través del led.
    10. Una vez que la energía de la bobina se ha disipado, todo comienza de nuevo.

Los puntos que aparecen en el símbolo de las bobinas en el esquema del circuito, indican puntos con misma polaridad instantánea.

En un ladrón de julios típico la frecuencia de funcionamiento es del orden de 50 kHz mientras que la tensión de salida puede estar en torno a los 30 V.

Un poco de historia

ladron de julios original
ladrón de julios original

En el número de noviembre de 1999 la revista Everyday Practical Electronics publicó un articulo firmado por Z. Kaparnik con el título One Volt LED-A Bright Light. Presentaba tres circuitos que permitían encender un led con una fuente de tensión mucho menor que la necesaria para encenderlo directamente. El circuito más simple de los tres presentados es el que aparece en la figura.

En palabras de Kaparnik:

In the Micro-torch circuit Fig.1a, transistor TR1, transformer T1 and resistor R1 form a current-controlled switching oscillator. Each time TR1 turns off, the collapsing magnetic field in T1 generates a 30V (off-load) positive pulse at TR1’s collector (c). This, in series with the supply, is fed directly to the LED.
Switching occurs at a very high frequency and with a low duty cycle, which results in an average LED current of about 18mA, sufficient to illuminate most LEDs.

Más información

Créditos

Nitinol: un material con memoria de forma

El Nitinol es una aleación de níquel y titanio que tiene memoria de forma. Si lo deformamos plásticamente y posteriormente lo calentamos recuperará su forma original. Mediante calentamiento bajo tensión es posible darle una nueva forma.

Un material con memoria de forma puede recuperar su forma después de deformarlo de una manera aparentemente irreversible. En los años treinta del pasado siglo se descubrieron las primeras aleaciones con este comportamiento y veinte años más tarde, en los cincuenta, se encontró una explicación a lo que sucedía

Sus aplicaciones son muy diversas y en ámbitos muy dispares, por ej.: antenas para satélites que se transportan plegadas y llegado el momento se despliegan adoptando la forma predefinida, válvulas, en circuitos de seguridad, que se cierran o abren en función de la temperatura, piezas deformadas de objetos sometidos a tensión, que recuperan su forma mediante el paso de una corriente eléctrica.

El Nitinol

Uno de los materiales más populares que presenta memoria de forma es una aleación de Ni y Ti conocida como Nitinol. Su nombre es un acrónimo que incluye además de los dos metales constituyentes, el laboratorio de armamento de la armada estadounidense donde se descubrió :
Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory.
Su descubridor fué William J. Buehler un ingeniero metalúrgico que trabajaba en el Naval Ordnace Laboratory  preparando aleaciones para el cono delantero de los misiles Polaris.

Los materiales que buscaba debían soportar las drásticas condiciones que se producen en la reentrada de los misiles en la atmósfera terrestre. En 1959 centró su búsqueda en una aleación de níquel y titanio en proporciones equimolares a la que donomino Nitinol. Descubrió accidentalmente, al caérsele una muestra, que dependiendo de la temperatura de la muestra, el sonido que producía al chocar con el suelo del laboratorio era diferente. Esto sugería un cambio en la estructura de la aleación en función de la temperatura. En los primeros meses de 1960 Buehler probaba la resistencia a la fatiga de la aleación. Usando tiras de Nitinol las doblaba en una especie de acordeón y lo estiraba y doblaba a temperatura ambiente sin que se rompiera. En 1961 Buehler no pudiendo asistir a una de las reuniones, en las que se analizaba la marcha de los proyectos en desarrollo, envío a uno de sus asistentes Raymond C.Wiley a la misma. En la reunión Wiley mostró la pieza en forma de acordeón, que fue pasando de mano en mano entre los asistentes, mientras comprobaban sus propiedades mecánicas. Uno de los presentes David S. Muzzey, fumador de pipa, aplicó calor a la pieza usando su mechero. Ante la mirada de los asombrados asistentes, la muestra de Nitinol se estiró adoptando un forma lineal y exhibiendo de esta manera su sorprendente memoria de forma.

En el vídeo que sigue, un alambre de Nitinol deformado tras ser enrollarlo en una pieza cilíndrica, recupera su forma lineal al calentarlo.

¿Por qué tiene memoria de forma?

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