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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El ácido sulfúrico deshidrata

Lo que vemos

Al añadir ácido sulfúrico a un tubo de ensayo que contiene sacarosa (azúcar de mesa), se observa como el azúcar se deshidrata convirtiéndose en una masa esponjosa de carbón que sale del tubo adoptando la forma de  una serpiente negra.

La química

De una forma simplificada se puede considerar que lo que sucede es lo siguiente:

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Reacción espectacular

Lo que vemos

Si vertemos glicerina sobre permanganato potásico, al cabo de unos segundos se produce una espectacular reacción entre ambos.

La química

El permanganato potásico (KMnO4) oxida a la glicerina, 1,2,3-propanotriol (CH2OH-CHOH-CH2OH) a dióxido de carbono y agua que se transforma en vapor haciendo uso de parte del calor liberado. El permanganato se reduce Mn4+.

La reacción es exotérmica, libera calor. Al principio es lenta pero a medida que la temperatura aumenta, también lo hace la velocidad de reacción.
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La pila de limón

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Índice

  1. Introducción
  2. Fabricando una pila en casa
    1. ¿Qué se necesita?
    2. A tener en cuenta
    3. Montando la pila
      1. Hay que asegurarse de que :
      2. Algo se enciende
      3. Uniendo dos pilas
      4. Si no funciona:
      5. ¿Donde está el limón?
  3. La explicación [nivel 1]
  4. La explicación [nivel 2]
    1. ¿Qué es una reacción química?
    2. En algunas reacciones se intercambian electrones
    3. El clavo y el vinagre contienen los reactivos de la reacción
    4. ¿Qué sucede en la pila?
  5. Algunos comentarios
    1. Sobre el ladrón de julios
    2. ¿Qué sucede en la pila?
    3. Cómo aumentar la corriente de la pila
    4. Como aumentar la tensión de la pila
    5. La pila de limón y los errores conceptuales
      1. Errores conceptuales habituales en la explicación del funcionamiento de la pila
      2. Un ejercicio
  6. Referencias bibliográficas
    1. La pila de limón, construcción, funcionamiento y variantes
    2. Sobre errores conceptuales en electroquímica

Introducción

Hace unos días al preparar material para un taller de electricidad y magnetismo en el MUNCYT, destinado a chavales entre 11 y 14 años, comprobé que la fabricación de una pila casera con limón y sus variantes es una actividad muy popular. Una búsqueda en Google (Por ejemplo “pila de limón” o “lemon battery”) devuelve miles de páginas y vídeos en los que se nos explica como construir una pila con materiales que se encuentras en muchas casas.

En esta entrada hay una versión de la actividad usada en el taller, una explicación de lo que sucede contada a alumnado de secundaria en dos niveles de complejidad y algunos comentarios que pueden ser de interés para alumnado de bachillerato que esté estudiando electroquímica o cualquier persona interesada en preparar la actividad.

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Sodio un metal poco convencional

El 5 de diciembre de 1987 el buque Casón, debido al temporal, embarrancó en la costa gallega  cerca de Fisterra.
Transportaba 1100 toneladas de productos muy peligrosos por su toxicidad o inflamabilidad. Entre estos últimos se encontraba el sodio que al entrar en contacto con el agua de mar dio lugar a violentas explosiones.

En el vídeo se puede ver lo que sucede cuando el sodio metálico entra en contacto con agua. Los  barcos de papel van cargados con unos pequeños trozos del metal. En la segunda parte del vídeo se sitúan unos fragmentos de sodio en el fondo de la pileta.

El sodio, Na, es un metal alcalino. Aunque de color y aspecto metálico, muchas de sus propiedades no encajan en la idea que normalmente tenemos de como debería comportase un metal. Su densidad es menor que la del agua por lo que flota en ella. Es suficientemente blando como para cortarlo con una navaja y lo que aquí nos importa, reacciona violentamente con el agua ya que libera hidrógeno y calor suficiente para que este arda.

2 Na(s) + 2H2O(l) –> 2NaOH(ac) + H2(g) + calor
2 H2(g) + O2(g) –> 2 H2O(l) + calor

El baño del osito de gominola

El baño

Un osito de gominola, que está constituido básicamente por azúcar común(sacarosa),  arde violentamente cuando lo introducimos en un tubo de ensayo que contiene clorato potásico fundido.

La química

El clorato potásico, KClO3, es un agente oxidante o comburente ya que cuando se calienta produce oxígeno. Esto quiere decir que facilita el que una substancia combustible arda o, dicho en términos químicos se oxide.

Al dejar caer el osito en el tubo de ensayo que contiene el clorato potásico fundido se produce una violenta reacción de combustión ya que la energía liberada en el proceso aumenta el poder oxidante del KClO3 al conseguir que este libere oxígeno más rápidamente.

Las reacciones químicas que tienen lugar son las siguientes:

2KClO3(l) + Energía→ 2KCl(s) + 3O2(g)

C12H22O11(s) + 12O2(g) → 12CO2(g) + 11H2O(l) + Energía

Una variante de está reacción la puedes ver en la entrada: Aliento de dragón

A tener en cuenta

Esta experiencia es  peligrosa y solo la debe intentar un adulto con experiencia en el manejo de substancias peligrosas.

Reacción Old Nassau

Una reacción reloj es aquella en la que al cabo de un cierto tiempo de mezclar los reactivos aparece súbitamente un producto.

En el vídeo a continuación podemos ver la reacción Old Nassau, tambien conocida como la reacción de Halloween. Es una reacción reloj en la que una disolución incolora se vuelve primero naranja y luego negra.

Un poco de historia

El nombre se debe a que fue descubierta por dos estudiantes de la Universidad de Princeton, cuyos colores son el naranja y el negro, y en la que hay un edificio histórico, Nassau Hall, que se le conoce coloquialmente con el nombre de Old Nassau, en el que en 1796 comenzó a funcionar uno de los primeros laboratorios para estudiantes universitarios de los que se tiene noticia.

Un poco de química

Los líquidos que contienen los tres vasos de precipitados que se ven en el vídeo son disoluciones acuosas de:

  1. metabisulfito sódico con un poco almidón.
  2. cloruro de mercurio(II)
  3. yodato potásico

El color naranja se produce cuando se dan las condiciones para que precipite yoduro de mercurio(II) de color naranja. Cuando se acaba el catión mercurio(II) si todavía hay aniones yoduro y yodato, reaccionan para dar yodo que con almidon produce un complejo de color azul oscuro casi negro.

Más información

Un análisis más detallado y los detalles concretos de como llevarla a cabo se pueden encontrar en :

  • Lister, Ted. 1995. Classic Chemistry Demonstrations.  (London: The Royal Society of Chemistry)

Editado en español como:

  • Lister, Ted. 2002. Experimentos de Química clásica.  (Madrid: Síntesis)

La Nuffield Foundation en colaboración con la Royal Society of Chemistry mantiene un recurso denominado Practical Chemistry en el que se encuentran los experimentos del libro mencionado incluyendo la reacción reloj Old Nassau.

Aliento de dragón

La magia

Un papel que está sobre un plato comienza a arder cuando el mago le sopla

La química

El papel se presenta sobre un plato que contiene en el extremo más alejado del mago una mezcla de clorato potásico (KClO3) y azúcar (sacarosa, C12H22O11) .  En el extremo opuesto hay una pequeña cantidad de ácido sulfúrico (H2SO4).

Cuando el mago eleva el plato y al mismo tiempo que comienza a soplar sobre el papel, lo inclina ligeramente  de tal forma que el ácido sulfúrico resbala lentamente hacia donde está la mezcla de los  otros dos reactivos.

Antes de la demostración mientras se presenta la misma a la audiencia, el plato está sobre la mesa con el papel encima. Para que no se mezclen los reactivos antes de tiempo se puede elevar un poco el extremo que contiene la mezcla del azúcar y el clorato potásico poniendo un lápiz u otro objeto debajo del plato.

Las reacciones

Una posible explicación de lo que sucede es que el sulfúrico reacciona con el clorato potásico dando ácido clórico que a continuación reacciona violentamente con el azúcar.

2 KClO3 + H2SO4 → 2HClO3 + K2SO4

8 HClO3 + C12H22O11 → 11 H2O + 12 CO2 + 8 HCl

A tener en cuenta

Esta experiencia es  peligrosa y solo la debe intentar un adulto con experiencia en el manejo de substancias peligrosas.

El ácido sulfúrico es corrosivo y aunque no es volátil hay riesgo de que los humos que resultan en el experimento lo contengan además de cloruro de hidrógeno.

El azúcar y el clorato potásico hay que mezclarlo con cuidado ya que puede existir riesgo de explosión por percusión, por ejemplo si se utiliza un mortero.

Vivimos en el fondo de un mar de aire

“Vivimos en el fondo de un mar de aire”
Evangelista Torricelli (1608-1647)

El experimento

Material

  • Una lata de refresco vacía.
  • Un recipiente con agua fría.
  • Unas pinzas para sujetar la lata.
  • Un poco de agua.
  • Una fuente de calor para calentar la lata.

¿Cómo se hace?

  1. Echamos en la lata un fondo(∼1 cm) de agua.
  2. Calentamos la lata hasta que hierva el agua y veamos claramente como sale el vapor.
  3. Metemos la lata invertida en el recipiente con agua fría

¿Qué sucede?

El aire que tenemos sobre nuestras cabezas pesa ya que es atraído, como todo lo demás, por la Tierra. Estamos acostumbrados a vivir, como decía Torricelli, en el fondo de un mar de aire y por eso no solemos ser conscientes de que sobre cada centímetro cuadrado de nuestra piel o de cualquier objeto el aire ejerce una fuerza de 1 kg-fuerza, el peso de un litro de agua. Una fuerza de 1 kg-fuerza por cada cm2 es una presión de 1 atmósfera.

La superficie exterior de la lata mide aproximadamente  350 cm2 por lo tanto el aire ejercerá sobre ella una fuerza de unos 350 kg-fuerza.

Cuando hablamos de una lata de refresco vacía lo que realmente queremos decir es que no tiene refresco ya que vacía no está pues su interior está lleno de aire. El aire del interior de la lata ejercerá también una fuerza de 350 kg-fuerza hacía el exterior.

Si somos capaces de  extraer el aire del interior, la fuerza del aire exterior ya no estará compensada y estrujará la lata ya que la fina capa de aluminio no sera capaz de impedirlo.

Al hacer hervir un poco de agua en el interior de la lata, el vapor de agua formado expulsará el aire que contiene. Cuando se introduce la lata invertida en el recipiente con agua fría se produce la condensación del vapor en agua líquida, quedando la lata, ahora si, vacía. La fuerza del aire exterior produce la deformación que vemos de la lata.

A tener en cuenta

Hay que asegurarse de no tener a nadie cerca al que rociemos sin querer con agua hirviendo cuando introducimos la lata en el agua fría.

 

 

 

 

¿Magia?… No, química

Primero la magia

El mago vierte un poco de vino tinto en cinco vasos vacíos:

  1. En el primero no hay ningún cambio.
  2. En el segundo el vino tinto se transforma en agua.
  3. En el tercero en leche.
  4. En el cuarto en batido de frambuesa.
  5. Y en el quinto en gaseosa.

Ahora la química

El “vino tinto” es realmente una disolución de permanganato potásico en medio ácido (sulfúrico).

  1. En el primer vaso no hay nada.
  2. En el segundo hay tiosulfato sódico que decolora (reduce) al permanganato del “vino tinto”.
  3. En el tercero hay tiosulfato, que como antes reduce al permanganato, y cloruro de bario  que forma un precipitado blanco (sulfato de bario) con el sulfato del “vino”.
  4. En el cuarto solo hay cloruro de bario, que precipita sin que el “vino” cambie de color.
  5. En el quinto además del tiosulfato que reduce al permanganato hay un poco de carbonato sódico que con el sulfúrico da lugar a burbujas de dióxido de carbono.

Las reacciones

El tiosulfato reduce al permanganato en medio ácido:
2 MnO4(ac) + 16 H+(ac) + 10 S2O32−(ac) →
→ 2 Mn2+(ac) + 5S4O62−(ac)+ 8 H2O(l)

El sulfato precipita a los cationes bario:
Ba2+(ac) + SO42−(ac) → BaSO4(s)

El carbonato en medio ácido da lugar a dióxido de carbono:
CO32−(ac) + 2 H+(ac) → H2O(l) + CO2(g)

Más información

  • Lister, Ted. 1995. Classic Chemistry Demonstrations.  (London: The Royal Society of Chemistry)

Editado en español como:

  • Lister, Ted. 2002. Experimentos de Química clásica.  (Madrid: Síntesis)

La Nuffield Foundation en colaboración con la Royal Society of Chemistry mantiene un recurso denominado Practical Chemistry en el que se encuentran los experimentos del libro mencionado incluyendo Turning ‘red wine’ into ‘water’.