Sostenibilidad energética

Debido al alto valor que alcanzó el precio de la energía eléctrica en España la semana pasada, hoy me dispongo a comentar mi opinión sobre este tema. Empezamos!!

Energía eléctrica

Aunque la energía no se crea ni se destruye, hay maneras de desaprovechar gran parte de la energía que generamos. De hecho, una gran cantidad de energía consumida por la población es desaprovechada, mayoritariamente en forma de calor. Esta energía también se genera y se paga.

Este calor se puede observar en que los aparatos eléctricos se calientan (principalmente por efecto Joule),por ejemplo, una tele, un teléfono móvil, un ordenador una bombilla o el motor de un coche. Habitualmente este calor es disipado, es decir, el aire del entorno enfría la fuente de calor, llevándose consigo esta energía generada. Un sistema de enfriamiento no siempre hace que nuestro proceso energético sea más eficiente ya que, por ejemplo, el líquido refrigerante de un ordenador, de un coche o el gas del aire acondicionado únicamente "transportan" ese calor a otro sitio donde con ayuda de un radiador y un ventilador es disipado con aire. En definitiva, todos los aparatos eléctricos empleados hoy en día (con extremas excepciones que comentaremos) no son 100% eficientes energéticamente. Siempre hay que aportarle más energía de la que es capaz de transformar.

¿Y cómo se puede ser más eficiente?

La mayoría de los aparatos eléctricos y electrónicos no pueden ser modificados para rebajar su consumo y en muchos casos puede ser incluso perjudicial. Hay varias maneras de ser energéticamente eficiente más allá de coja transporte público, llene sus electrodomésticos, apague las luces cuando no esté, desenchufe los aparatos eléctricos con standby, etc. Estoy hablando de cambios puntuales que pueden suponer un ahorro del 90% en algunos casos en su consumo y, finalmente, en la factura de la luz (que es lo que realmente nos importa, el hecho de desaprovechar la energía hoy en día es casi innata al ser humano).

Compra artículos energéticamente eficientes: ¡Qué listo! Ya lo había pensado.

Pues resulta que hay mucho más detrás que la eficiencia energética, principalmente hay un dinero importante al cabo del año en la factura de la luz. Y no sólo me refiero al frigorífico, lavadora o lavavajillas, si no al gran olvidado en la mayoría de las casas y que más en uso está: las bombillas (y la iluminación en general).

¿Te has preguntado alguna vez por qué en las cocinas y cuartos de baño generalmente no hay bombillas,como en el resto de la casa? Y viceversa. Esto se debe a que generalmente son espacios donde se pasan tiempos relativamente grandes (cocinar, ducharse, etc.) y las bombillas tradicionales no son la mejor opción. La opción de hace 10 años era un tubo fluorescente (el fluorescente de la cocina y el baño de siempre, vamos). Este tubo tradicional es más eficiente energéticamente que las bombillas de filamento para sitios con largas estancias (por ejemplo, lugares de trabajo, hospitales...) mientras que son muy poco eficientes para lugares con un tránsito corto e irregular de gente, por ejemplo, el pasillo de tu casa.

¿Por qué esa diferencia de eficiencia? Todo proviene del mecanismo que tienen ambos dispositivos de generar luz. ¿Y las bombillas de bajo consumo? También vamos a ver los mecanismos de todas las opciones que conozco de iluminación del mercado (si sabes alguna más déjamelo abajo⇩ en los comentarios y lo añadiré como postdata):

• Las bombillas tradicionales, de filamento, emiten luz por el principio de emisión del cuerpo negro: Todo objeto caliente emite luz, el color depende de su temperatura. Para emitir luz visible tiene que estar muy caliente, cerca de los 1000ºC, por ello se ha venido usando el wolframio, con un punto de fusión superior a 3400ºC, en una ampolla de cristal a vacío o rellena de un gas inerte, para que no se queme el filamento. Tienen una característica luz amarillenta debido a que al cuerpo negro le cuesta emitir el violeta, el más energético. Debido a la falta de violeta se ve amarillento. Tienen una eficiencia energética inferior al 10%. En este grupo también entrarían las lámparas halógenas, que contienen algún haluro metálico (combinación de metales con flúor, cloro, bromo o yodo; habitualmente cloro) que permiten alcanzar mayores temperaturas y obtener luces más blancas.
• Los fluorescentes, bombillas de bajo consumo y faros de xenón de los coches funcionan como lámparas de descarga. Estas lámparas consisten en un tubo relleno de un gas a baja presión (en los fluorescentes es mercurio, por eso mejor si se rompe uno ventilar rápido, en las de xenón es xenón y en carteles publicitarios son otros gases nobles habitualmente) recubiertos en algunos casos de sales de metales. El gas del interior es ionizado por una descarga y al recombinarse emiten luz (generalmente ultravioleta). Las sales del recubrimiento, por el fenómeno de la fluorescencia, transforman esta luz ultravioleta en luz visible. El color, más blanco o más amarillento, depende del recubrimiento de sales. Su eficiencia energética es ligeramente superior al 50%.
• Las luces LED (Light-Emitting Diode) son la forma de iluminación más eficiente por el momento, llegando a una eficiencia energética del 90%. Funcionan por un proceso luminiscente al aplicar corriente a un sólido, pero no por efecto Joule como las bombillas tradicionales; de hecho, las lámparas LED apenas se calientan. También son muy usadas en pantallas planas o de teléfonos móviles, reemplazando cada vez más a las antiguas LCD (Liquid Christal Display, o pantallas de cristal líquido).

Conclusión de este primer punto: El cambiar las bombillas tradicionales por LED, aunque son más caras, tienen una eficiencia energética casi 10 veces superior, es decir, gastaremos hasta 10 veces menos en electricidad empleada en iluminar con esos dispositivos.

Movilidad eléctrica

Este tema todavía es un tabú en muchos países debido a intereses económicos, pero la idea de ahorrar dinero está ahí. El hecho de moverse en vehículos eléctricos en vez de en vehículos de combustión interna supone, además de la mejora en la calidad del aire, un ahorro para el bolsillo. Es destacable la falta de interés del vehículo eléctrico por el público en general, no siendo consciente en la mayoría de los casos de los beneficios que aporta.

Hay distintos tipos de vehículos con motores eléctricos, desde los vehículos híbridos que pueden emplear ambos motores según necesidades hasta vehículos enchufables o de pila de hidrógeno. Vamos a verlos con calma cada tipo:

• Vehículos híbridos: Tienen tanto motor eléctrico como de combustión interna. El motor eléctrico se alimenta de una batería cargada por el motor de combustión interna o por un sistema de recuperación de energía en las frenadas (similar al KERS o MGU-K de la Fórmula 1). Pueden usar ambos motores para mover las ruedas y el consumo de gasolina y electricidad varía dependiendo del tiempo de uso de cada motor. También existen modelos híbridos enchufables que se pueden cargar a la red.
• Vehículos de autonomía extendida: Son vehículos propulsados únicamente por un motor eléctrico pero tienen un pequeño motor de combustión que sirve para cargar la batería. Su consumo es mucho menor que el híbrido ya que el motor no necesita generar energía para mover el coche.
• Coches eléctricos (enchufables): Estos coches carecen de motor de combustión interna y únicamente se mueven con motores alimentados por una batería que se alimenta a través de la luz eléctrica. La marca más reconocida de este tipo de vehículos es Tesla Motors, aunque muchas otras marcas tradicionales de automoción como Nissan o BMW están comercializando modelos 100% eléctricos. Con este tipo de vehículos hay que cambiar el concepto que tenemos para conducirlo: hay que cambiar el cuando se me gaste la gasolina en 2 minutos tengo el tanque lleno y puedo seguir circulando a una mentalidad más parecida a la que tenemos con los teléfonos móviles, en cuanto no lo esté utilizando lo tengo que enchufar para que esté siempre lleno, ya que la carga del 100% de la batería en un enchufe tradicional de 220V puede llegar a tardar 24 h. La posible contaminación de este vehículo procede de la generación de la energía eléctrica, muchas veces generada con combustibles fósiles. Con respecto al consumo, os dejo un vídeo del propietario de un Tesla que explica lo que le cuesta la energía en su vehículo:

• Vehículos con pila de combustible: Son vehículos que funcionan con hidrógeno, "quemándolo" y transformándolo en agua. Este vehículo no generaría ningún tipo de residuo si se pudiese generar hidrógeno en ausencia de electricidad. Otro problema intrínseco a este tipo de vehículos es el problema del hidrógeno, ya que es extremadamente explosivo y el manejo y/o posibles accidentes viales pueden ser catastróficos.

Conclusión del segundo punto: La movilidad eléctrica es la alternativa actual a los combustibles fósiles y, debido a los altos niveles de contaminación registrados estos días, se espera que los combustibles tradicionales vayan desapareciendo gradualmente, no sólo por el hecho de la sostenibilidad energética si no por la contaminación generada, especialmente por los vehículos diésel. También este es un tema en el que las compañías petrolíferas tienen demasiados intereses como para dejar que la transición transcurra rápidamente.

Generación de energía eléctrica sostenible

La generación de energía eléctrica es el punto clave en los apartados anteriores: si la electricidad se genera de manera poco sostenible el resto de los pasos son poco sostenibles. Existen alternativas poco conocidas a las centrales de quema de combustibles fósiles o nucleares de fisión que pueden generar energía eléctrica sin apenas huella en el medio. Comento de manera breve las más importantes:

• Energía hidroeléctrica: Generada mediante la caída de agua en una presa. Presenta la desventaja de que es necesario inundar un valle, con la pérdida de biodiversidad y la necesidad de desplazar a la gente de sus pueblos para inundarlos. Además, en épocas de sequía, no se puede utilizar debido a las restricciones para mantener el agua de la población. La principal ventaja es que el exceso de energía de la red se puede aprovechar fácilmente volviendo a bombear agua a la parte superior de la presa para generar nuevamente energía.
• Energía eólica: Consiste en generar energía moviendo las aspas de un molino con el viento. El viento es más raro que deje de soplar durante muchos días, a si que en principio no hay tantas restricciones. Además la superficie que ocupa el "campo de molinos" puede ser utilizado como pasto para el ganado u otro tipo de actividades. La desventaja con la anterior es la imposibilidad de acumular el exceso de energía excepto en grandes acumuladores al pie o dentro de los propios molinos.
• Energía undimotriz: Energía generada con el movimiento de las olas (será por kilómetros de costa para instalarlo!!). Es una energía ilimitada, funciona siempre y no molesta a prácticamente ninguna actividad humana si se eligen correctamente las localizaciones. La corrosión de los materiales por el agua del mar y lo complejo del mantenimiento suponen las desventajas de este tipo de energía, usada con éxito en Portugal. Os dejo un vídeo de la FECYT que lo explica un poco mejor:

• Energía nuclear de fusión: Actualmente la panacea de la energía limpia. Emplea el mecanismo energético con el que funciona el Sol,  la fusión de átomos de deuterio (hidrógeno con dos neutrones) y tritio (hidrógeno con dos neutrones) para formar helio y sobra un neutrón con energía suficiente para provocar una reacción en cadena. El deuterio y el tritio se obtendrían del agua con la energía que produce la central y sobraría energía para otros usos. Como ventaja principal es muchísima energía sin ningún tipo de residuos, ya que el único producto es helio. El único problema es tecnológico, cómo controlar un plasma de millones de grados. Por ello se va a construir una central de prueba.
• Energía solar: Aunque hay dos tipos de energía solar, vamos a centrarnos en la energía solar fotovoltaica, la energía solar de concentración para calentar agua, ya sea en espejos cóncavos o en torre no es tan viable para espacios sin extensas praderas como una ciudad. Los paneles fotovoltaicos pueden colocarse en todos los tejados de los edificios, cobertizos, centros comerciales y todo tipo de edificios, proporcionando, en la mayoría de los casos, energía suficiente para el consumo diario del edificio. La energía sobrante durante el día puede acumularse en baterías colocadas estratégicamente en los edificios. Uno de los mejores lugares es dentro de las paredes, ya que no perturban en el hogar y pueden almacenar la energía suficiente para un día. El mejor ejemplo, es el Powerwall, nuevamente de Tesla. Además de las placas fotovoltaicas tradicionales, Tesla ha desarrollado unas placas con forma de tejas normales para casas individuales que, a simple vista, son indistinguibles de las tradicionales, garantizadas de por vida.

Conclusión del tercer punto: La dependencia de las energías no renovables tradicionales (combustibles fósiles y fisionables) es cada vez menor, existiendo nuevas alternativas no contaminantes. Hoy en día todo depende de la voluntad de las compañías eléctricas de abandonar los caminos tradicionales y pensar un poco en el Planeta.

Después de toda esta información, me gustaría saber vuestra opinión sobre todo este tema de eficiencia energética y movilidad y generación sostenible. He dejado bastantes enlaces para los que quieran más información. Nos vemos la semana que viene!!

¿En qué trabajo actualmente?

Después de terminar un doctorado, las opciones de empleo que se abren pueden resultar casi infinitas aunque la realidad es bastante diferente. También voy a intentar contaros en qué trabajo teniendo en cuenta que la mayoría no conocéis las técnicas que empleo. Empezamos!!

¿Qué hacer cuando acabas el doctorado?

Para empezar, vamos a ver lo que supone ser doctor, es decir, tener un doctorado. Doctor es la titulación académica más alta dentro de un campo de estudio. Supone no sólo conocer el campo si no que además se hacen aportaciones novedosas e innovadoras, es decir, además de adquirir conocimientos se genera conocimiento. Esta es la parte más importante. El hecho de que sea la titulación académica más alta supone que la evaluación se va a llevar a cabo por gente con la misma titulación académica. Por tanto, como sería injusto que alguien evaluarse a una persona con su misma titulación, es un tribunal quien lleva a cabo la evaluación (en mi caso particular de 5 personas, aunque varía dependiendo del país y/o la universidad).

Lo que se evalúa es la tesis doctoral, un compendio de los resultados y conclusiones más importantes obtenidas durante el periodo de investigación. Además, se realiza una exposición pública de entre 30 y 45 minutos con los datos más relevantes. A continuación, los miembros del tribunal disponen de tiempo ilimitado para resolver todas sus dudas, por lo que irán preguntando uno a uno todas las dudas que tengan para ofrecer la calificación más oportuna. Por último, si algún asistente con el título de doctor en la materia a evaluar quiere puede realizar preguntas, aunque no suelen realizarse ya que podrían perjudicar al doctorando. Una vez acabada la defensa, el tribunal delibera la calificación a puerta cerrada y una vez de acuerdo hacen pública la calificación. En caso de obtener calificación de sobresaliente, se vuelven a reunir para decidir si otorgar el rango cum laude, con honores, equivalente a la matrícula de honor. La concesión debe ser aceptada por cada miembro del tribunal. En caso de que un miembro considere que no debe otorgarse, no se dará. La tesis doctoral es de dominio público y puede ser consultada por cualquiera en caso de necesidad.

La publicación de la tesis doctoral no implica necesariamente la publicación de artículos en revistas de investigación del campo pero se considera que una tesis no tiene la importancia necesaria si al menos una parte no es aceptada como novedosa e innovadora por revistas especializadas, en el caso de la ciencia en general, suelen ser revistas internacionales.

¿De qué me sirve el doctorado?

El doctorado supone que eres un experto en el campo de estudio y que eres capaz de llevar a cabo, de forma autónoma, un proyecto de investigación novedoso e innovador. Este concepto es desconocido para la mayoría de la sociedad (al menos de la española, que es donde resido) que muchas veces cree que la máxima titulación es un máster o una maestría.

Un doctor se supone que está preparado para investigar y generar conocimiento o soluciones a problemas conocidos, por lo que la salida profesional natural es seguir investigando, ya sea con una beca o contrato postdoctoral, un postdoc, ya sea en una empresa/universidad pública o privada. Debido a la formación que tiene también puede realizar sin problema cualquier tarea que pueda realizar con una titulación inferior, cosa que muchas veces cuesta asumir.

No te vayas por las ramas, ahora mismo ¿qué estás haciendo?

Pues ahora mismo tengo mis ocupaciones un poco deslocalizadas. Mi ocupación principal es de técnico de análisis en el laboratorio de Espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente, conocido como ICP masas (ICP-MS) del Servicio Interdepartamental de Investigación (SIdI) de la Universidad Autónoma de Madrid. Además, colaboro en el laboratorio de la Unidad de Láseres y Haces Moleculares en el Instituto Pluridisciplinar de la Universidad Complutense de Madrid. Vamos paso a paso y vamos explicando poco a poco lo que voy haciendo en cada uno de los sitios.

Actualmente, como ya he comentado, trabajo en el laboratorio de ICP-MS del SIdI. Analizamos metales (más bien trazas de metales) presentes en prácticamente cualquier cosa, siempre que pueda disolverse. Si no se pudiera disolver por los métodos más agresivos, se lo pasaríamos a nuestros compañeros de TXRF (fluorescencia de rayos X por reflexión total), que pueden medir directamente en sólidos. Realizamos análisis semicuantitativos (qué metales tiene y una concentración aproximada) y cuantitativos (cuánto tiene exactamente). Si necesitáis más datos podéis entrar en la página web del SIdI o podéis dejar abajo⇩ un comentario e intentaré solucionar vuestras dudas.
La técnica de ICP-MS consiste en introducir la muestra en una antorcha de plasma de argón, que se encuentra a una temperatura entre 6000 y 10000 K (podéis pasarlo a grados, es aproximado). A esta temperatura, todas las moléculas y la mayoría de los compuestos se disocian y se obtienen los átomos separados pero no sólo separados, si no que es capaz de arrancar el electrón más externo de la mayoría de los átomos aislados. Una vez que tenemos estos iones (átomos cargados) los introducimos al analizados de masas empleando campos magnéticos y los separamos por su masa atómica. Explicado rápido, esa es la base de la técnica de ICP-MS. Como siempre, si quieres mas información, puedes preguntar abajo⇩ en los comentarios sin problema.

También estoy colaborando en el Instituto Pluridisciplinar. Allí estamos realizando investigación y cuantificación de nicotina y algunos otros compuestos en cigarrillos y cigarrillos electrónicos. Para ello, estamos realizando medidas mediante espectroscopía UV-Vis (medidas con luz visible y ultravioleta) así como cromatografía de gases y de líquidos.

Hasta aquí el post de hoy. He hablado un poco más de lo que estrictamente pone en el título del post pero algo más de información nunca está de más. Nos vemos el jueves (espero) con un nuevo post. Recuerda que puedes votar en la encuesta el tema o dejármelo en los comentarios (aquí o en facebook).

Cuídate y nos vemos en el próximo post!!

¿Cómo es un átomo?

Para saber qué es la química y cómo está organizada hay que empezar por la parte más pequeña, por decirlo de otra manera, hay que empezar por los ladrillos para construir la casa. Estos ladrillos son los átomos. Como veremos a continuación, estos átomos están compuestos de partículas más pequeñas que serán importantes en algunos casos. Empezamos!!

¿De dónde vienen los átomos?

La teoría atómica no es algo que provenga del siglo XIX o XX, si no que se propuso allá por el siglo V o VI a.C., con Demócrito como principal autor de esta teoría. Defiende que toda la materia no es más que una mezcla de elementos originarios que poseen las características de inmutabilidad y eternidad, concebidos como entidades infinitamente pequeñas y, por tanto, imperceptibles para los sentidos, a las que Demócrito llamó átomos, término griego que significa indivisible, que no puede dividirse en tomos, como las enciclopedias (a-tomo). Esta teoría fue perdiendo importancia a favor de otras como la de los 4 elementos naturales (fuego, agua, aire y tierra) o el creacionismo.

Modelo de Dalton

No fue hasta el siglo XVIII donde científicos como Lavoisier o Proust (que desarrolló buena parte de sus investigaciones en España, en concreto en el Alcázar de Segovia) empezaron a observar que las sustancias se combinaban y se comportaban como si estuviesen hechas de partículas diferentes más pequeñas. Basado en estos descubrimientos y otros realizados por él mismo, Dalton creó una lista con pesos atómicos de cada uno de los átomos, asignándoles masas relacionadas con respecto al más ligero, al hidrógeno. Todos estos científicos entendieron los átomos como entes indivisibles.

Modelo de Thomson

No fue hasta 1897 cuando Thomson observó en un tubo a vacío que, al aplicar un voltaje entre dos electrodos separados se observaba que el tubo se iluminaba por el lado del ánodo (polo positivo). 

Tubo de rayos catódicos
De Zátonyi Sándor, (ifj.) - Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10345950

Debido a que estos rayos procedían del cátodo se les llamó rayos catódicos (tampoco se lo pensaron mucho). Se observó que estos rayos eran desviados por campos magnéticos, siendo repelido por el polo negativo y atraído por el positivo, por lo que se le asignó carga negativa. Posteriormente, se probó que estos rayos podían mover un pequeño molinete colocado dentro del tubo de vacío, por lo que se empezaron a considerar como corpúsculos, su nombre original, que fue modificado posteriormente a electrón.

Debido a que los electrones no eran átomos, significaba que tenían que ser una parte de los átomos, es decir, dejaba de ser indivisible. Thomson propuso que, ya que los electrones se desprendían del átomo y tenían carga negativa, éste debería ser una bola cargada positivamente en cuya superficie se encontrarían estos electrones, dando lugar al Modelo atómico de Thomson o vulgarmente conocido como el modelo del pastel de pasas (para que os hagáis una idea, como un Doowap o Weikis).

Modelo atómico de Thomson
(https://quimica.laguia2000.com/general/modelo-atomico-de-thomson)

Modelo de Rutherford

Tras este modelo, un discípulo de Thomson apellidado Rutherford trató de averiguar cómo de grandes eran esas esferas con carga positiva. Para ello, empleó partículas alfa (cargadas positivamente, para que se repeliesen) y las disparó contra una delgada lámina (unos pocos átomos de espesor) de oro, detectando cómo se desviaban mediante una pantalla fluorescente.

Experimento de Rutherford
(http://www.rolscience.net/2016/08/experimento-de-rutherford.html)

Se observó que un gran número de las partículas lanzadas se desviaba ligeramente, pero algunas sufrieron desviaciones grandes y, lo más importante, un pequeño número de partículas rebotó hacia atrás. Esto, para la idea que se tenía acerca del átomo, era tan impresionante e imprevisible que, en palabras del propio Rutherford, era igual a si se disparaba una bala de cañón contra una hoja de papel y esta rebotase.

Por todo esto, propuso un nuevo modelo en el que el átomo estaba vacío, toda la carga positiva se concentraba en el centro (o núcleo), haciendo que rebotasen estas partículas, mientras que los electrones se movían libres alrededor, dando lugar al Modelo atómico de Rutherford (el que se ve siempre, vamos).

Modelo atómico de Rutherford
(http://gifimage.net/modelo-atomico-de-rutherford-gif/)

En 1913, Thomson (el de antes) canalizó una corriente de iones de neón a través de campos magnéticos y eléctricos, hasta chocar con una placa fotográfica que había colocado al otro lado. Observó dos manchas en la placa, que revelaban dos trayectorias de desviación diferentes. Thomson concluyó que esto era porque algunos de los iones de neón tenían diferentes masas. Debido a que son especies del mismo elemento (aunque tienen distinta masa) se las denominó isótopos (iso-topo), que quiere decir que están en el mismo lugar (de la tabla periódica).

Isótopos de Ne por Thomson

En 1918, Rutherford descubrió que cuando se disparan partículas alfa contra un gas de nitrógeno, sus detectores de centelleo mostraban señales de núcleos de hidrógeno. Determinó que el único sitio del cual podían provenir estos núcleos era del nitrógeno y que el nitrógeno debía contener núcleos de hidrógeno. Por estas razones, Rutherford sugirió que el núcleo de hidrógeno, del que en la época se sabía que su número atómico era 1, debía ser una partícula fundamental. Lo denominó protón, el primero, ya que tenía masa 1, siendo 1836 veces más grande que el electrón.

Posteriormente, en 1928, Bothe descubrió que al bombardear átomos de berilio con partículas alfa se emitían partículas sin carga. Los posteriores experimentos de Chadwick demostraron que esas partículas eran eléctricamente neutras y de una masa similar a la del protón. Como era neutro, lo llamaron neutrón (tampoco se complicaron con este). Por tanto, en la modificación del modelo de Rutherford, se introdujo que el núcleo no era una esfera positiva, si no que estaba compuesto de dos partículas más pequeñas, los protones (con carga positiva) y los neutrones (sin carga, sólo aportan masa).

Modelo de Bohr

Este modelo explicaba el comportamiento de los átomos así como su clasificación y sus isótopos, pero si los electrones tienen carga negativa y los protones positiva... ¿por qué los electrones no se van al núcleo en vez de quedarse dando vueltas? Otra pregunta sin respuesta en aquel momento era por qué los átomos sólo pueden emitir (o absorber) luz sólo de determinados colores.

Espectros de emisión atómica
(https://triplenlace.com/2013/01/01/espectro-continuo-de-emision-y-de-absorcion/)

Hubo que esperar unos años, hasta que Planck y Einstein desarrollaron la teoría cuántica, para que Bohr postulase que los electrones no se podían mover libremente, únicamente a distancias fijas del núcleo. Con esto se explicaba por qué los electrones no se iban al núcleo y por qué los espectros de emisión eran líneas discretas y no un espectro continuo (las líneas corresponden a la diferencia de energía entre las distancias de los niveles). Llegamos al modelo atómico de Bohr, mucho más complejo que el de sus predecesores debido a que no estaba basado en la observación, si no en cálculos y teorías matemáticas bastante complejas. Esa fue la principal razón de que, a partir de aquí, se perdiese el interés de mucha gente y el modelo atómico general sea todavía el de Rutherford.

Modelo atómico de Bohr
(https://www.timetoast.com/timelines/la-historia-del-modelo-atomico)

Modelo mecano-cuántico

El modelo mecano-cuántico (y el empleado actualmente) está basado en el desarrollo posterior de la mecánica cuántica y de la espectroscopía (medida de los espectros), en el que los niveles de Bohr se cambian por funciones de probabilidad de encontrar a un electrón en un determinado volumen, dando lugar a los orbitales atómicos. Todo esto está basado en la dualidad onda-corpúsculo de De Broglie, que demostró que toda partícula se puede comportar como una onda, por tanto, los electrones se podían modelizar por ondas. Con esta idea, Schrödinger definió una ecuación para el comportamiento de los electrones en las órbitas atómicas, la famosa ecuación de Schrödinger. Con el cuadrado de esta ecuación se obtiene la probabilidad de encontrar al electrón en un volumen determinado, convirtiendo al electrón en una densidad de probabilidad.

Demasiado complicado y abstracto para muchos.

Hasta aquí el (tostón del) proceso de averiguar cómo se ha construido el átomo. Todo lo que es el núcleo y los electrones, de momento, no se han podido ver aunque mediante técnicas como el microscopio de fuerza atómica (AFM) y el de efecto túnel (STM) si que se ha podido ver la envoltura electrónica de los átomos.

Imágen de grafeno mediante AFM
(https://www.zmescience.com/science/physics/smallest-atomic-force-microscope/)

Nos vemos la semana que viene con más, y espero que mejor, ciencia. Si hay alguna duda, sugerencia o queréis que amplíe más algún tema (por ejemplo, por qué si los protones están cargados positivamente no se repelen en el núcleo) podéis dejarlo en los comentarios de aquí abajo⇓. No os olvidéis de suscribiros para enteraros de todo

Cuidaos y nos vemos en el próximo post!!
 

¿Cómo funciona la cromatografía?

En el post de la semana pasada vimos qué era y para qué servía la cromatografía, esta semana vamos a intentar entender cómo funciona. Empezamos!!

¿Qué es un proceso de distribución?

La semana pasada vimos, en el ejemplo del profesor Luis Polo, que los bañistas se distribuían entre los locales y el río, pero ¿eso cómo funciona?

Si seguimos con ejemplos de casa, sabrás que el agua y el aceite no se mezclan. Si añadimos un poquito de colorante alimentario podrás ver que parte se queda en el aceite y parte en el agua. El colorante se ha distribuido entre las dos fases. Así de simple. 

• ¿Todos los colorantes se distribuyen igual? La respuesta es no, ni siquiera todos los colorantes del mismo color.
• Y si añado más del mismo colorante, ¿qué pasa? Pues que la relación entre la cantidad (concentración) de colorante entre las dos fases es constante. Esto expresado matemáticamente:

K = C_agua/C_aceite

donde C_agua es la concentración del colorante en el agua, C_aceite es la concentración del colorante en el aceite y K es la constante de distribución.

Este proceso de distribución se lleva a cabo de la misma manera entre las fases estacionarias y móvil en la cromatografía. Como cada sustancia tiene distinta K entre las dos fases somos capaces de separarlos por muy similares que sean. Únicamente seremos incapaces cuando sean exactamente iguales.

Separaciones utilizando procesos de distribución

Hemos comentado que la relación entre la concentración en ambas fases es constante, por lo que si, por ejemplo, añadimos más agua, parte del colorante en el aceite pasará al agua para mantener la distribución constante. Es decir, hemos extraído colorante del aceite y lo hemos pasado al agua.

Ahora, empleando un embudo de decantación, vamos a separar el agua y el aceite, por lo que tendremos el colorante distribuido en dos vasos. Añadimos más agua al aceite separado para seguir extrayendo más colorante, agitamos, dejamos que se distribuya y volvemos a extraer. Esta segunda porción de agua tiene menos colorante, pero todavía tiene, por lo que seguimos extrayendo hasta que el agua y el aceite despues de separar no tenga nada de colorante. Al final, ¿cuántas extraciones hemos realizado? 10, 100, 1000... Muchas, en cualquier caso, y hemos utilizado mucha agua para extraer el colorante, varios litros. Este es el fundamento de las extracciones líquido-líquido. También podemos retener el colorante en vez de en un líquido en un sólido, como las toallitas esas que se añaden a la lavadora para evitar que se nos destiña toda la colada. En el caso de querer extraer el colorante de la toallita, estaríamos hablando de una extracción sólido-líquido.

Para pasar de este tipo de extracciones a la cromatografía únicamente habría que dejar fija la toallita. Vimos, en el ejemplo de los rotuladores del post anterior, que los colorantes estaban fijos en un punto y, por distribución entre el papel y el disolvente que subía, se iban separando. En este caso, en cada instante y en cada punto del papel se estaba llevando a cabo una distribución. La parte que se quedaba en el papel no avanzaba mientras que la parte en el disolvente seguía subiendo y modificando constantemente las relación de concentraciones. Como las K de cada componente de la tinta son diferentes somos capaces de separarlos (lo que hace la cromatografía, por si no había quedado todavía claro 😜).

¿Y cómo calcular cuánto se retiene cada cosa?

El calcular las concentraciones de cada especie en un proceso dinámico es bastante complicado, por eso se han buscado otros parámetros para medirlo indirectamente.

• En el caso de que se lleve a cabo en papel o similares (como en el caso de los rotuladores) se utiliza el factor de retención (retention factor en inglés, R_f)

R_f = d_compuesto/d_disolvente

Medida de Rf

En el caso de la figura, los puntos rojos corresponden al mismo compuesto ya que tienen el mismo R_f mientras que, en el caso de los puntos azules, aunque son muy similare son compuestos diferentes. El compuesto negro no corresponde a ningun otro cumpuesto presente.

• En el caso de que se lleve a cabo en una columna (como en la figura de la semana pasada), se mide el factor de retención (k). Se utiliza este factor ya que es aproximadamente constante para cada compuesto si se utilizan las mismas condiciones independientemente del equipo utilizado.

k = (t_R-t₀)/t₀

donde t_R es el tiempo de retención del compuesto (lo que tarda en salir de la columna desde que entra) y t₀ (tiempo básico, no muerto, como pone en muchos libros, nadie se mueren con esto) es el tiempo de retención de un compuesto no retenido (o del disolvente de la muestra). El valor de k no debe ser inferior a 2 (ya que apenas se retendría lo suficiente para separarse del disolvente) ni superior a 10, ya que se retendría demasiado y se "desparramaría" por toda la columna. Valores hasta k = 20 son aceptables únicamente en cromatografías con interacciones muy grandes o separaciones muy pequeñas (cromatografía iónica o quiral, ya hablaremos de ellas otro día).

Por hoy es suficiente. Espero que hayas comprendido lo que es una distribución y su empleo en la cromatografía. También, la relación de la distribución y la retención (lo que se queda en la fase estacionaria se retiene con respecto al resto. Espero sacar otro post para el jueves. Decide qué tema tratar en la encuesta de arriba a la derecha (es posible que sólo se vea en la vista de la página web y no en versión móvil, se puede cambiar abajo) y suscribíos para estar a la última!

Cuidaos y nos vemos en el próximo post!

¿Qué es eso de la "cromatografía"?

Hoy te introduciré por encima el mundo de la cromatografía, es decir, a la parte principal de mi tesis doctoral. Una introducción para todos los públicos. Ya habrá tiempo para profundizar con calma. Empecemos:

¿Qué es la cromatografía?

Según la Real Academia Española la cromatografía es un método de análisis químico para la separación de los componentes de una mezcla por distribución entre dos fases, una estacionaria y otra móvil. Esta definición es adecuada para que nos hagamos una idea aunque no es del todo correcta.

La idea general es que sirve para separar mezclas (si no hay mezclas no hay nada que separar), y esa es la idea principal con la que hay que quedarse. Con la cromatografía separamos, no medimos, no cuantificamos y no sabemos cuánto de bien lo separamos. Para saber todo esto necesitamos una técnica complementaria que mida después de separar.

Segunda idea: Distribución entre dos fases, una estacionaria y otra móvil. Es decir, tenemos una fase estacionaria (fija) donde se van a retener los componentes de la mezcla mientras que los demás son arrastrados. Los que más interaccionen con la fase se retendrán más mientras que los que interaccionen poco serán fácilmente arrastrados por la fase móvil. Por tanto, se va a llevar a cabo la distribución de las moléculas entre una fracción retenida en la fase estacionaria y el resto en la fase móvil. Por próximas que sean estas fracciones entre dos moléculas diferentes esta técnica es capaz de separarlas mediante un elevadísimo número de repeticiones, pero en este tema entraremos más a fondo próximamente.

No me resisto a poner el ejemplo que me dio mi director de tesis Luis Polo hace ya bastantes años: 

Un símil de la cromatografía es un río en el que se lanza a la vez a un montón de gente con chalecos salvavidas. Este río es especial y en su orilla hay un bar y un cine. Ya que el tiempo medio que pasa una persona en un bar es distinto al que pasa en un cine es diferente (se puede hacer un símil con la interacción) podemos separar a la gente en 4 grupos dependiendo de lo que tarden en llegar al final del río: Grupo 1: los viejunos, no les gusta ni el bar ni el cine y prefieren dejarse arrastrar por la corriente. Grupo 2: los seres oscuros, no les gusta la luz del sol por lo que encuentran en el cine su escondite perfecto. Grupo 3: los juerguistas, les gustan los bares y espacios abiertos (y no tienen ganas de ir al cine a aguantar casi dos horas sentados y sin una mísera cervecita). Grupo 4: los ricos, les sobra el dinero (y al parecer el tiempo) y van ambos sitios, bar y cine. Estos cuatro grupos son arrastrados (y separados) por una fase móvil (el agua) dependiendo de su interacción con la fase estacionaria (bar + cine).

Recuerda que el río no cuenta gente, hay que poner a un becario al final para que cuente gente y que no están todos juntos en el cine o en el agua, realmente entran y salen continuamente.

Por tanto, la Real Academia Española da una definición genérica de la cromatografía pero falla, por ejemplo, en denominar método a la cromatografía cuando es una técnica. Cosas de frikis, vamos.

Una definición mucho más adecuada la ofrece la IUPAC en su libro dorado, que define a la cromatografía como un método físico de separación en el cual los componentes a separar se distribuyen entre dos fases, una de las cuales es estacionaria (fase estacionaria) mientras que la otra (la fase móvil) se mueve en una dirección definida. Esta definición es muy similar pero hace hincapié en que la fase móvil debe moverse en una dirección definida (como en un río) y no puede estar yendo y viniendo (como en una lavadora). También destaca la diferencia de método físico y químico. Realmente es un método físico, ya que las interacciones no modifican la naturaleza de la materia, aunque hay gente que lo considera como una reacción química, la reacción de retención, con todos sus parámetros fisicoquímicos perfectamente definidos.

¿Por qué cromatografía?

Etimológicamente, la palabra cromatografía proviene del griego chroma que quiere decir color y grafein que quiere decir escritura. Entonces, que narices tiene que ver el escribir con colores con el rollo del río?!?! Calma, todo tiene explicación. Todo proviene de que los primeros experimentos realizados por el botánico M.S. Tsweet a principios de siglo con hojas de plantas en los que los componentes se iban separando a través de una columna rellena de partículas de sílice y arrastradas por disolventes orgánicos. Estos disolventes extraían los componentes coloreados de las hojas y los separaba, creando patrones de colores que servían para identificar el tipo de planta. Actualmente, casi todo lo que se analiza es transparente y el nombre de la técnica ha quedado únicamente como recuerdo de cómo empezó todo.

Separación de pigmentos de plantas
(https://www.cromatografialiquida.com.br/Imagens/Colunaespinafre.jpg)

¿Yo puedo separar cosas en casa?

Hay un experimento muy fácil en el que puedes intentar separar los componentes presentes en las tintas de los bolígrafos.

(Empieza a cantar la canción de Bricomanía o de Art Attack o de algo de ese tipo que te motive. En algunos casos el hablar con acento vasco ayuda, jajaja)

Para empezar necesitamos:

• Una mezcla (es decir, los bolis). Si son de distinto color mucho mejor.
• Una fase estacionaria, en nuestro caso, un trozo de folio.
• Una fase móvil. Podéis elegir entre alcohol de botiquín (96%) o acetona (presente en muchos quitaesmalte de uñas).
• Un lapiz, para marcar donde empezamos a arrastrar.

Ahora sólo falta un sitio donde mantener el folio vertical. En los laboratorios se utiliza un utensilio de última tecnología para ello, un tarro de mermelada. Última tecnología. Si queréis algo menos sofisticado, podéis conseguirlo con un vaso del que sobresalga  el folio y enrollarlo al lápiz, apoyado sobre el vaso, por ejemplo.

Ahora que tenemos lo más importante hay que cortar el folio para que entre en el vaso o el tarro estando recto. Una vez cortado, a un dedo y medio del borde hay que hacer una línea con el lápiz y, en esta línea distribuir lo mas homogéneamente posible todos los bolis.

Una vez preparada la fase estacionaria se pone un dedo de fase móvil en el soporte y se introduce el folio manteniendo la línea de lapiz paralela a la superficie del disolvente, evitando que la línea del lápiz se sumerja. Si toca la balsa de disolvente no vale, toca volver a empezar.

Si lo dejas reposar, el disolvente irá ascendiendo lentamente por el folio arrastrando con diferente fuerza a cada uno de los componentes de la tinta, separándolos.

Este mismo efecto lo habéis visto cuando se os mojaba la mochila y se corría toda la tinta de los libros y los cuadernos, el principio fisicoquímico es el mismo. Si quieres ampliar puedes probar diferentes disolventes (disolvente de pintura, gasolina o agua) o pintar dos veces con el mismo boli en el mismo papel para ver que se separan igual. Si te fijas, en la figura se ve como el rotulador rojo y el negro comparten los componentes magenta y amarillo, se diferencian principalmente en que el negro lleva algo de verde.

Separación de pigmentos de rotulador
(https://www.webinnate.co.uk/science/images/ch04.jpg)

Por hoy ya ha sido bastante el rollo, la semana que viene más y mejor. Espero que hayas entendido todo, si no es así aquí abajo⇩ están los comentarios, donde preguntar si hay dudas. Esta semana podéis proponer tema para el lunes (comentarios o encuesta) que viene ya que dentro de dos post seguiremos ampliando estas separaciones. Espero que, al menos, haya quedado claro que en mi tesis me he dedicado a separar cosas, jajaja.

Cuídate y nos vemos la semana que viene!!

Bienvenid@ a mi blog!!

Gracias tu visita!! Me presento, soy Miguel, doctor en Química Analítica, y he creado este blog precisamente para mostrarte el maravilloso mundo que he aprendido (y sigo aprendiendo) durante mis años de estudio.

Intentaré publicar una entrada a la semana hablando sobre los temas que me resulten más interesantes o que se seleccionen como más votados en los comentarios y/o encuestas que habrá. Ahí está otro de los puntos interesantes de este blog, espero tu participación tanto para dudas o conceptos que no hayan quedado claros así como para la proposición de nuevos temas. Espero tus sugerencias!!

Sin mucho más por hoy (todavía estoy aprendiendo a crear todo esto 😅), te invito a que vuelvas la semana que viene a por el primer tema a tratar, el de mi tesis doctoral, la cromatografía. Intentaré explicar todo de una manera sencilla y para todos los públicos.

Cuídate y nos vemos en 7 días!!