¿Por qué se genera electricidad con un imán y un cable?

Os traigo un video de un canal de YouTube que me encanta (ExpCaseros):



Ahora bien, ¿por qué? 


Lo que ha ocurrido es un fenómeno que se llama inducción magnética, un proceso por el que un campo magnético (en este caso el imán) genera un campo eléctrico, que es el que enciende el LED.


 El imán genera un campo magnético cuyas líneas de campo tienen esta forma:

Cuando esas líneas de campo atraviesan un conductor (un metal, por ejemplo) no pasa nada. Algumos metales (hierro principalmente, pero también níquel y cobalto) pueden sentirse atraídos al imán por su ferromagnetismo, pero pongamos que el conductor es de cobre (como es el caso del vídeo) o aluminio.


La cosa cambia cuando esas líneas de campo se mueven, es decir, cuando el imán se encuentra en movimiento. Entonces se genera un campo eléctrico. Ese campo eléctrico será directamente proporcional al flujo del campo magnético (Φ), que no es más que el número de línea de campo que pasa por el conductor por unidad de tiempo  (está claro que, si el imán no se mueve, el Φ = 0, luego no se generará campo eléctrico).


Si el conductor tiene forma de aro, lo que pasa es esto:

Cuando entra el imán, las líneas entran generando corriente de un signo, y cuando sale el imán, las líneas entrán generando corriente del signo contrario. Por esto, la electricidad generada por inducción magnética es de corriente alterna [La Guerra de las Corrientes: Edison (cc) vs Tesla (ca)].



Esto es lo que se usa en las centrales térmicas, solares, eólicas, nucleares, geotérmicas, de biomasa, hidráulicas, mareomotrices ... para generar electricidad. Mover un imán aprovechando vapor, viento o corriente de agua a través de un conductor.  




 
Comentar que, de la misma manera que se puede crear electricidad con un imán, también se puede crear un imán con electricidad. Un cable bien enrrollado en una barra, por el que circula corriente, convierta la barra en imán. Es lo que se conoce como electroimán.

Mercurio: planeta, dios, elemento

Nos vamos a centrar en esta última acepción, "elemento". Y no es un elemento cualquiera, si no uno de los elementos más interesantes desde el punto de vista químico. 


METAL LÍQUIDO


Pensar en un metal es pensar en un material grisáceo, pesado, duro, conductor eléctrico y térmico.


El mercurio es grisáceo, y aunque pueda parecer que no, es más pesado que el plomo (1 L de mercurio pesa 13'55 kilos, 1 L de plomo pesa 11'35 kilos).


Hasta aquí bien. Empezamos lo raro.


Es líquido, el único metal líquido a temperatura y presión normales. La explicación es compleja, hay que tirar de Cuántica y Relatividad. Un esbozo de algo tan complicado podría ser esto ...


El núcleo del mercurio pesa, pesa bastante (para hacernos una idea, pesa 12'5 veces más que el núcleo del oxígeno). Esto hace que tenga a los electrones muy atraídos. Además de esto, los dos electrones más externos se encuentran en un orbital s, un tipo de orbital que tiene la manía de contraerse. Por tanto, estos dos electrones interaccionan bastante con el núcleo, al estar cerca de un núcleo muy grande; y por esta interacción, se aceleran, llegando a velocidades próximas a la de la luz.

Y cuando las cosas viajan cerca de la velocidad de la luz, entra en juego la Relatividad, ocurriendo cosas raras. Como que estos electrones aumenten de masa (por la archiconocida ecuación de E = m·c²), luego la interacción con el núcleo aumenta todavía más. 

De forma que nos encontramos con que los dos electrones más externos están casi encadenados al núcleo, así que no se comparten. Y como el enlace metálico se basa en compartir electrones, pues el enlace Hg-Hg es muy débil. Tan débil que no hace falta calentar para fundirlo: a la temperatura ambiente hay suficiente energía como para romper algunos enlaces y obtener el estado líquido. Hay que bajar hasta -39 ºC para obtener mercurio sólido (en la imagen).




¿Y es buen conductor? Aunque es conductor, es un conductor bastante malo: 92'3 veces peor conductor eléctrico que el grafeno (el mejor) y 14'7 peor que el hierro (conductor, pero normalito).


VINO, ACEITE, JAMÓN, QUESO Y MERCURIO


¿Dónde hay mercurio? Donde haya una mina de cinabrio (HgS), mineral rojillo de donde se saca el mercurio. Basta con calentarlo a unos 650 ºC, y ...


HgS + O2 → Hg + SO2


Y resulta que la mayor mina del cinabrio del mundo se encuentra en un pueblecito manchego llamado Almadén. Se cerró en 2002 por la caída del precio del mercurio. En 2006 se abrieron al público (Parque Minero de Almansa) y, desde 2012, esas minas son Patrimonio de la Humanidad.


Por lo fácil que es de obtener, el mercurio se conoce desde tiempo inmemoriales. Se le atribuían poderes mágicos y medicinales: curaba desde un "mal de ojo" a un cólico. Y además de esto, se usaba para algo tan importante como extraer oro. 


Fácil: coges lodos de un río donde creas que haya oro, los mezclas con mercurio, el mercurio disuelve el oro formando una amalgama (hablaremos de ellas más adelante), calientas la amalgama y se evapora el mercurio, quedándote el oro al fondo.


Así estaban los romanos: locos con Hispania y este líquido plateado.


Y lo que la Historia te quita, la Historia te da. ¿Cómo extraíamos los españoles plata de las minas del Potosí? De la misma manera que los romanos extraían oro de las minas gallegas: mercurio, amalgama y calentar.


Sin embargo, no caímos en la sencillez del proceso tan pronto. Los primeros años de extracción fueron fundiendo el mineral con óxido de plomo (PbO). Pero este proceso era costoso, ya que para alcanzar 962 ºC se necesitaba mucha madera, y poco eficiente. Entonces llegó Bartolomé de Medina, y se le ocurrió extrar la plata como el oro: por amalgación. Fue un éxito.




Y bueno, hablemos un poco de amalgamas. Al mezclar dos metales fundidos obtenemos aleaciones, por ejemplo, cobre + estaño = bronce. Pero cuando uno de los metales es mercurio, obtenemos amalgamas. Las amalgamas pueden ser líquidas o sólidas, dependiendo de si tienen más o menos mercurio.


PERO NO ES PLATA TODO LO QUE RELUCE ...


El mercurio es un bicho malo. Con el talio, el plomo y los radiactivos, los Manson de la Tabla Periódica.


En el caso del "agua plateada", ataca al sistema nervioso, sistema inmunológico, riñones, pulmones, piel, estómago, ojos ... Vamos, que te deja para el arrastre.


Podéis imaginaros los mineros de mercurio, los antiguos. Al obtener mercurio, a 650 ºC el mercurio es un gas. Tras unas semanas respirando mercurio, no había minero. En el siglo XVIII la cosa mejoró para el minero de mercurio español: empezaron a controlarse los días que podían trabajar los mineros seguidos, lo que redujo considerablemente la mortalidad.


Pero esta no es la única fuente de riesgo de intoxicación por mercurio. El mercurio no se elimina, por lo que se va acumulando. Y los peces que viven en aguas contaminadas por mercurio se convierte en depósitos de este tóxico elemento (no solo en forma de metal, también en forma iónica y en forma de dimetilmercurio). Así, en 1956 murieron 900 personas en Minamata por consumir pescado intoxicado.

 

La química detrás del hundimiento del Kursk

El 12 de agosto del 2000, en el mar de Barents (en el Ártico, al norte de Escandinavia), la Armada rusa realizaba unos entrenamientos. Pero no eran unos entrenamientos cualquiera: era una táctica del recién elegido Putin para devolver el orgullo a los rusos, y recordar a la Comunidad Internacional que Rusia era un "gigante dormido".


El submarino nuclear Kursk era el orgullo de la Armada rusa. No solo por ser una mole (con una longitud de más de un campo de fútbol y doble casco de acero), si no por sus misiles, con una tecnología secreta que les permitían atravesar el agua prácticamente sin rozamiento (lo que les hacía superar los 350 Km/h). El secreto de esa tecnología, llamada supercavitación, era uno de los objetivos de los EEUU.


Pues bien, este submarino, explotó, matando a 118. En este post vamos a explicar la versión oficial. ¿Existe otra versión? Son muchas las voces que creen que el submarino fue hundido por un buque de los EEUU. A bordo, viajaba un representante de China, cuyo Ejército estaba pensando en comprarle a Rusia unos cuantos misiles con esa tecnología que tanto les estaba costando descifrar. Y ahi quienes dicen que Rusia tuvo que mirar para otro lado para no iniciar una Tercera Guerra Mundial (de hecho, el submarino fue desguazado rápidamente, solo recuperándose una parte del casco para un monumento). Verdad o no, nos centramos en lo oficial.


Para lanzar misiles, es necesario propelente. El propelente es una sustancia (sólida, líquida o gaseosa) que genera una gran cantidad de gases en un corto espacio de tiempo. De forma que impula el cohete. En el Apollo XIII, se usó hidracina, N2H4. En el Kursk llevaban HTP, peróxido de hidrógeno muy concentrado (el del agua oxigenada es al 3 %, así que no intentéis construir un lanza-misiles, el fracaso está asegurado). El peróxido de hidrógeno se descompone siguiendo esta reacción.


 
2H2O2 → 2H2O + O2


 
Este proceso se da, pero es muy lento. Un bote de agua oxigenada que lleva varios meses abierto, a penas hace efecto, ya que ahí ya no queda casi nada de H2O2, se ha descompuesto. Para que pueda ser utilizado como propelente, debe darse muy rápidamente. Para eso se utiliza un catalizador, que acelera la reacción. La reacción que se da podéis verla en este video.


 
Imagináos eso, más concentrado, en mayores cantidades y en un espacio muy reducido como es una cámara de lanzamiento de misiles. Eso pega un pepinazo increíble.


Tras un lanzamiento, hubo una fuga de HTP. ¿Qué pasó? Pues que reaccionó con el cobre y el latón (cobre + zinc) de las tuberías, oxidándolos. Como el metal de oxidó, el H2O2 se redujo:


H₂O₂ → O₂ + 2 H⁺ + 2 e⁻          E = + 0'67 V
Cu → Cu²⁺ + 2e⁻                        E = - 0'34 V
Zn →  Zn²⁺ + 2e⁻                     E = + 0'76 V


 
Como la suma de los potenciales del H2O2 con el cobre es positivo, y la del H2O2 con el zinc también; ambas reacciones se dan (son espontáneas). Estos valores se pueden consultar en una tabla, como esta.


Pues bien, el HTP fue disolviendo tuberías, hasta que entró en contacto con algo explosivo y, claro, explotó. La compuesta estanca de la sala de torpedos estaba abierta, para liberar el exceso de aire que había tras cada lanzamiento. La onda expansiva mató a 7 hombres e hirió a decenas. 


La onda expansiva y el humo se filtraron por el conducto del aire acondicionado, llegando a casi todo el submarino. A los dos minutos de la primera explosión, otra. El choque del submarino con el fondo del mar y las altas temperaturas habían hecho que explotaran todos los misiles. Esta abrió un agujero en el casco. Los que no murieron por las explosiones, murieron ahogados. Más tarde, se descubrió que algunos se habían refugiado en la popa, y permanecieron unas cuantas horas ahí, dándoles tiempo a escribir cartas de despedida.

Del 7Up al Revigator: agua enriquecida

En todas las botellas de agua viene su composición química: calcio, cloruros, magnesio, potasio, carbonatos, fosfatos, sodio, fluoruros, sulfuros ...Esto no es lo único. También contiene otros iones, cuya concentración es tan pequeña (ppm, parte por millón, e incluso menos) que no informan de ella. 

El lógico pensar que nuestra salud (la salud de unos seres que son un 60 % agua) depende de la composición del agua que bebemos. En algunos casos con más razón que en otros, hemos estado buscando las mejores aguas para beber, y si no las hemos encontrado, no  hemos dudado en añadirle lo que necesitábamos.



LITIO


El litio lleva casi dos siglos usándose en Medicina, sobretodo para tratar transtornos psicológicos (depresiones, transtorno bipolar y manías). También se ha usado como sedante, para la artristis y para la gota; pero no se han encontrado evidencias de que sea efectivo.


El año pasado, un estudio de Psiquiatría llegó a sugerir en The New Tork Times añadir al agua potable una pequeña dosis de litio con el objetivo de reducir las tasas de suicidios, asesinatos y violaciones.


En 1929 se empezó a producir en EEUU una bebida llamada "Bib-Label Lithiated Lemon-Lime Soda". Quizás no os suene, pero casi seguro que os suena el 7Up. Inicialmente esta bebida contenía citrato de litio, y los efectos de este hizo que fuera usada como remedio para la resaca. En 1948, se prohibió en EEUU el uso del litio en alimentación.





FLÚOR


En muchas ciudades se añade flúor al agua para prevenir las caries, sobretodo en países subdesarrollados en los que para la mayoría de la población es difícil tener acceso a productos de salud dental fluorados. La concentración de flúor suele ser 0'7 mg /L.




Se comenzó a fluorar las aguas en 1945, en Gran Rapids (Michigan, EEUU). Actualmente, el 72 % de las ciudades estadounidenses cuentan con agua fluorada.


Existe la polémica sobre si está práctica es beneficiosa para la salud o no. Un estudio de 1992, observó que las ratas que habían estado bebiendo 2 años agua con altos contenido en flúor padecían cáncer de huesos. Sin embargo, no hay evidencias en humanos.


URANIO Y TORIO



Ver como era la vida hace un siglo siempre resulta curioso. Otra manera de pensar e interpretar las cosas que hoy nos parece ridícula. Por ejemplo, mientras que hoy en día somos conscientes de los peligros que conlleva la radiactividad, hace un siglo se entendía como algo casi mágico capaz de curar casi todo.


En el siglo XX, en pleno auge de la Radioquímica, entraron en el mercado una gran cantidad de productos con ingredientes radiactivos. El más curioso es uno llamado "Revigator".


Se trataba de una jarra de cerámica, recubierto su interior de un mineral llamado carnotita (mineral que contiene uranio, vanadio, y otros cationes) y un grifo. Usarlo era muy sencillo: antes de acostarte llenabas la jarra de agua, y a la mañana siguiente ya podías beber hasta reventar el agua radiactiva.


Se suponía que esto curaba casi todo, salud total por 30 $. ¿Qué podía ir mal?


Podrían preguntárselo a Eber Byers. Este millonario estadounidense se metió entre pecho y espalda nada más y nada menos que 1400 ampollas de Radithor (ese productor, además de uranio tenía torio). Murió dos años después, y la causa era más que obvia. Tras su muerte, se empezaron a prohibir estos productos.

¿Cómo obtener oro y plata?

En el post anterior, dijimos que se podía extraer de manera casera oro y plata de dispositivos electrónicos y radiografías respectivamente. En YouTube son muchos los videos que explica el procedimiento, pero no la base química de ese procedimiento. Creo que ha llegado el momento de ello.


Se emplean productos peligrosos si no se sabe como utilizarlos. Se recomienda tomar todas las precauciones: gafas protectoras, batas, guantes que resistan productos químicos, un sitio aireado, recipientes que no se vuelvan a utilizar más y que resistan ... Divulgatia no se hace responsable del mal uso de esta información.


ORO


El primer paso es disolver el oro. Lo que vendría ser:


Au (0) → Au (III)


 


Disolver metales es fácil, ya que tienen  tendencia a oxidarse. Con aguafuerte (HCl) , podemos disolver casi cualquier metal (aluminio, hierro, plomo ...). Sin embargo, algunos se resisten (como el cobre), y necesitamos algo más fuerte que el HCl, el ácido nítrico (HNO3).


Pues bien, el oro no se disuelve ni con HCl ni con HNO3. Pertenece a los llamados "metales nobles", metales muy inertes.  Y para disolverlos, usamos una mezcla de HCl y HNO3 llamada "agua regia" (mezcla que conocían los alquimista desde el siglo IX). Se necesitan 3 volúmenes de HCl y 1 volumen de HNO3.


Lo que hace es disolver el oro. La reacción que ocurre es esta:

Au_(s) + 3HNO_3(ac) + 4HCl_(ac) → HAuCl_4(ac)+ 3H₂O_(l) + 3NO_2(g)

Primero la disolución se pondrá de color amarillo, luego verde y luego verde muy oscuro casi negro. En ese momento ya no habrá más oro que disolver.


Ahora filtramos y neutralizamos el ácido en exceso. Es peligroso mezcla ácidos fuertes y bases fuertes, ya que la reacción es muy exotérmica y puede explotar. Se recomienda usar una base débil, como la urea, y añadirlo lentamente, ya que burbujea y puede debordarse.


Tenemos en la disolución cationes de Au (III). Lo vamos a precipitar usando metabisulfito de potasio, muy usado en la industria del vino. El metabisulfito (carga negativa) se une al oro (carga positiva) formando un compuesto insoluble, luego precipita. Lo dejamos al menos un día, para que sedimente, y con cuidado de no perder precipitado, vamos quitando la disolución sobrante.


Ahora solo queda calentar ese sedimento. El oro funde a más de 1050 ºC. Y no solo calentamos para fundir el oro. Recordamos que tenemos metabisulfito de oro, o sea, el oro es Au (III) y no Au (0). Calentando, descomponemos el metabisulfito en SO2 (un gas) y obtenemos Au (0). Echamos en agua fría el oro fundido y obtenemos una canica de oro.


PLATA


La plata es un "metal seminoble", es decir, podemos disolverlo usando solo ácido nítrico. Sumergimos las radiografías cortadas en HNO3, y dejamos hasta que quede las radiografías completamente limpias. Lo que ha ocurrido es, en resumen:


Ag (0) → Ag (I)


Debemos cortar bien las radiografías y utilizar la menor cantidad de HNO3 posible. Ahora diluimos con agua, que quede bien diluido para que el ácido no interfiera en el próximo paso (no podríamos neutralizar, ya que si nos pasamos y llegamos a medio básico, la plata precipita como AgOH).


Introducimos en la disolución de plata diluida un cable de cobre. Que sea grueso (muchos cables de cobre enrrollados). Dejamos unas horas, y sobre el cable se empezará a depositar la plata. Cuando no veamos cobre en la parte del cable sumergida, movemos para que siga depositándose plata. Normalmente dura 6 - 8 horas.



Filtramos la plata, y fundimos. La plata funde a unos 950 ºC.

10 curiosidades de los elementos químicos

En el Universo y en los seres vivos los átomos que más abundan son los de hidrógeno, y en la Tierra son los de oxígeno. El elemento menos abundante de todos es el ástato, en la Tierra solo hay 25 gramos.



 



El metal más ligero es el litio, el más pesado es el osmio (concretamente 42'5 veces más pesado que el litio).

Por ejemplo, una manzana de osmio macizo pesaría 32'5 kilos; y de litio 1'4 kilos.





El metal más caro es el rodio. Unas 10 veces más caro que el oro. Se utiliza principalmente como catalizador (acelerar reacciones lentas), como por ejemplo en los tubos de escape de los coches, donde acelera la reacción que convierte gases tóxicos en gases inocuos.



 

El primer elemento que se formó fue el hidrógeno, el último que desaparecerá se espera que sea el bismuto. Además, forma unos cristales policrómicos preciosos.







Los billetes de euro tienen europio, los detectores de humo tienen americio y la piedra de los mecheros tienen cerio. Esto son algunos ejemplos de los usos cotidianos de los elementos de las llamadas "tierras raras".






 
3 elementos han sido descubiertos por españoles: platino, wolframio y vanadio (descubrimiento compartido con un sueco). El país que más ha descubierto es el Reino Unido, seguido de los estadounidenses.

Foto de archivo de los químicos españoles del siglo XVIII celebrando los descubrimientos. 



En las minas de una pequeña isla sueca (Ytterby), se han descubierto cuatro elementos químicos: itrio, el erbio, el terbio e iterbio.

La vida en la Tierra está basada en el carbono. Si hubiera vida en otros planetas, esta podría estar basada en el carbono, pero también en el silicio (bastante parecido), el nitrógeno, el boro, el fósforo, el cloro, el arsénico o el azufre. Imaginarse la bioquímica de formas de vidas hipotéticas resulta ser muy entretenido para muchos bioquímicos. También imaginan una vida sin agua, donde esta sería sustituído por el amoniaco, el fluoruro de hidrógeno, el metanol ...


Las radiografías tienen plata y algunos dispositivos de los ordenadores tienen oro. En YouTube hay variedad de videos donde explican como hacerlo.

En próximos post explicaré la explicación química de estos procesos.
 

 


El descubrimiento del flúor fue una labor en la que muchos fracasaron, y algunos murieron. Se sabía dónde estaba, pero no se conseguía aislar porque era muy reactivo (es la especie más oxidante de todas, luego reacciona con casi todo). Muchos murieron intoxicados o por explosiones. Lo consiguió Moissan, quien ganó el Premio Nobel en 1906 por esto.

Moissan recibiendo el Nobel.

Los ácidos más fuertes que te puedes encontrar

Arrhenius definía el ácido como aquella sustancia capaz de ceder protones al medio. Un protón (H+) es un átomo de hidrógeno al que le hemos quitado el único átomo que tiene, quedándose el núcleo desnudo (y como la mayoría de los hidrógenos solo tienen en el núcleo un protón, pues se le llama al catión de hidrógeno protón). Por ejemplo:


HCl   →   H (+)   +   Cl (-)




Ni esta definición de ácido es siempre válida (luego sería mejorada por Brønsted y Lewis) ni existen los protones (realmente existe H3O+, que es H2O con un H+, pero como trabajamos siempre en medio acuoso, usamos H+ para simplificar). A pesar de esto, la usaremos para explicar el concepto de "superácido".


Bien, cada ácido tiene una fortaleza, que no es más que su tendencia a ceder protones. Por ejemplo, el ácido bórico (H3BO3) es un ácido muy débil, el ácido acético (el del vinagre, CH3COOH) es un ácido débil (30000 veces más fuerte que el bórico) y el ácido sulfúrico (H2SO4) es un ácido muy fuerte. 


El sulfúrico al 100 % es oxidante, deshidrante y el más fuerte de los ácidos. O al menos eso se creía, hasta que aparecieron en escena los "superácidos", ácidos más fuertes que el ácido sulfúrico al 100 %.


Algunos ejemplos:

Ácido trifluorometansulfúrico o tríflico 

800 veces más fuerte que el sulfúrico


 

Ácido fluorosulfónico 

1300 veces más fuerte que el sulfúrico


 
Superácido carborano

1000000 veces más fuerte que el sulfúrico


 

Ácido mágico (derivado del fluorosulfónico)

16000000 veces más fuerte que el sulfúrico



Ácido fluoroantimónico

2 seguido de 19 ceros más fuerte que el sulfúrico


 

Hay otros más exóticos, como el ión hidruro de helio. Si bien se ha conseguido reaccionar el radón, el kriptón y el xenón, no se han conseguido aún compuestos de argón, ni de neón ni mucho menos de helio.


Sin embargo, en determinadas condiciones, se puede hacer que un protón (H+) y un átomo de helio (He)  reaccionen para dar HeH+. Es obvio que esto no es estable, y que el helio está como loco por deshacerse de ese protón, o sea, es un ácido estupendo. ¿Cuánto? 1 seguido de 51 ceros más fuerte que el sulfúrico.


¿PARA QUÉ SIRVEN LOS SUPERÁCIDOS?


Esto es Química "exótica" y sirve para seguir haciendo precisamente eso, Química "exótica". Por ejemplo, calentando metano y ácido mágico, conseguimos que se forma CH5+. Esto es muy raro y muy inestable, y pronto pierde 2 H para dar CH3+ e H2. El CH3+ es un carbocatión primario, más estable que el CH5+ pero todavía muy inestable. Este reacciona con 3 metanos para obtener un carbocatión terciario, bastante más estable que uno primario. Por esto, el química húngaro Olah obtuvo en en 1994 el Premio Nobel.