Isoterma de Langmuir

Juan José González Sevilla

Irving Langmuir fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1932, debido a su trabajo en química de superficie cuando esa rama de la química física apenas era reconocida como una disciplina especial. Langmuir era predominantemente químico de superficie, aunque también destacó en una teoría de la interacción química y la valencia basada en la estructura del átomo, conocida como teoría de Langmuir-Lewis. Participó con la mayoría de científicos de la época en Solvay de 1927 junto con Curie, Einstein, Bohr, Born, Dbye, Dirac y Heisenberg entre otros.

Su entrada en la ciencia de superficie se produjo sobre los procesos físicos que ocurren en los alrededores de filamentos metálicos calientes, conduciendo a estudios de evaporación y condensación en la superficie. Langmuir no dudaba de que las moléculas fueran reales, dotados de tamaño, forma, con una distribución dipolar de carga eléctrica e importancia en la forma que estaban orientados.

Antes de Langmuir, un gas adsorbido se consideraba una especie de atmósfera en miniatura que se extendía a corta distancia de una distancia sólida. La mayoría del conocimiento en adsorción era empírica, incluso la Ley de Gibbs no estaba verificada experimentalmente aún.

Su concepto físico era que cuando las moléculas de gas chocan sobre una superficie blanda o líquida, en general no rebotan elásticamente, sino que condensan en la superficie, retenidas por el campo de fuerza de los átomos de la superficie. El tiempo transcurrido entre la condensación de la molécula y evaporación dependía de la intensidad de las fuerzas superficiales, la adsorción era el resultado de este retraso. El gas estaba limitado a una monocapa a menos que la temperatura y presión se acercaran a condiciones de presión de vapor saturado.

ACTIVIDAD A REALIZAR LOS ALUMNOS

OBJETIVOS

• Comprender el concepto de catalizador, energía de activación y tipos de catálisis.
• Mediante una ecuación cinética de primer y segundo orden desarrollar el mecanismo en la ecuación de Langmuir.
• Saber qué es la etapa controlante y aprender a pensar cómo influye en la ecuación al realizar los cálculos en un diseño.
• Entender la relevancia de los catalizadores en la industria y “Química Verde”.

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD

1. Realizar un “brainstorming” sobre la “Química Verde” y la importancia de los catalizadores, creando un debate inicial.
2. Mediante un video mostrar consecuencias del cambio climático, procesos industriales y catalizadores, suplementando mediante un Power Point con una clase magistral.
3. Formar grupos para realizar investigaciones del efecto del CO₂ en el cambio climático y como se pueden mitigar los efectos. Los grupos tienen que estar compuestos por alumnos que defiendan que el aumento debido a las emisiones producidas en la actualidad de CO₂ afectan al cambio climático negativamente y otros grupos con la opinión contraria, debido a la cantidad de información que se dispone. Diseñar un póster por grupo, un blog y un vídeo. Para darle un carácter práctico en grupo al trabajo, se realizará una visita al laboratorio de ingeniería química en la universidad para ver cómo se prepara un catalizador y posteriormente a una biorrefinería.
4. Realizar un último debate para confrontar las diferentes posiciones obtenidas como fruto de la investigación realizada del CO₂.

CRITERIOS DE LA EVAULACIÓN

Se evaluará en función del trabajo de cada grupo, póster elaborado, fuente de información donde se haya realizado la investigación y test individualizado preparado mediante una actividad lúdica. Los alumnos que quieran conseguir matrícula de honor y enriquecer sus conocimientos, deben de diseñar un pequeño software en Matlab, Excell o cualquier lenguaje de programación con un caso real, para modelar el volumen de un reactor catalítico y una cinética de primer o segundo orden usando la ecuación de Langmuir (Las indicaciones y datos son proporcionados por el profesor en la clase maestra).

Referencias bibliográficas

1. Historical Note. Classics and Classicist of Colloid and Interface Science 9. Irving Langmuir. Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 133, No. 1, November 1989.

2. https://lh3.ggpht.com/-5e2rWRYoJLo/UEPi33_c6XI/AAAAAAAAGIg/zI5fS50nJgY/s1600h/Cientificos%25255B4%25255D.jpg

¿Cuantos años tienen los fósiles?

Willard Libby estudió química en la Universidad de California en Berkeley, donde se licenció en 1931 y doctoró en 1933. Fue profesor en la misma hasta 1945, ya que fue nombrado profesor de química en la Universidad de Chicago. En diciembre de 1941, tuvo que interrumpir sus estudios pues fue llamado a colaborar en el proyecto Manhattan en la Universidad de Columbia. Tras la segunda guerra mundial volvería como docente a la Universidad de Chicago hasta 1959. En 1954 fue designado miembro de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos de Estados Unidos. En 1959 renunció a dicho cargo para volver a enseñar química como profesor en la Universidad de California en Los Ángeles.

La datación mediante carbono-14 es la más conocida entre todos los métodos radiométricos. Fue desarrollada en 1946 por Willard Libby, quien posteriormente, en 1960, recibió el Premio Nobel de química por su trabajo.

Como es habitual en la ciencia, la datación mediante radiocarbono surgió a partir de la curiosidad científica. En 1939, el físico americano Serge Korff, descubre que el bombardeo de la atmósfera por los rayos cósmicos produce neutrones, descubrimiento del que parte Libby. Por lo que, esta técnica surgió en un estudio sobre los posibles efectos que podían tener sobre la Tierra y la atmósfera terrestre los rayos cósmicos. Al estudiar en mayor profundidad los rayos cósmicos, llegó a una predicción cuantitativa de la concentración natural de 14C en la vida de la biosfera.

Libby dedujo que el carbono 14 radiactivo, creado en la atmósfera por los rayos cósmicos, penetraría en todos los tejidos vivos sirviendo de vía de entrada el anhídrido carbónico, absorbido en primer lugar por las plantas y transmitido luego a los animales. Durante toda su vida, la planta y el animal estarían recibiendo continuamente carbono radiactivo y mantendrían un nivel constante de él en sus tejidos. Pero, al morir el organismo, cesando con ello la adquisición de carbono, el carbono radiactivo en sus tejidos empezaría a disminuir por agotamiento radiactivo.

Finalmente, en 1947, el equipo de investigadores dirigido por Libby elaboró la técnica de datación mediante carbono 14, que se convirtió en un instrumento indispensable para la arqueología, la antropología física y la geología

Objetivos:

• Ver cómo los avances científicos de una rama ayudan a otras.
• Saber en qué consiste el método de datación del C14.
• Repasar la estructura química del C y conceptos como vida media de un átomo.
• Aprender a resolver problemas de radioactividad.
• Comprender la relación CTS y medio ambiente.

Desarrollo actividad:

-Kahoot: imágenes de elementos para que digan adivinen cuántos años tienen (ej.: pirámides de Egipto, un bosque, un fósil, etc.)
-Lanzar la pregunta: ¿Cómo sabemos la edad de las cosas?
-Proyectar vídeo explicativo
-Resolver un problema de radioactividad donde se aportan los datos para calcular la edad de un objeto.

Evaluación:

• Participación en clase.
• Realización correcta del problema planteado.

Bibliografía:

SIMÓ CABRERA, L. (2018). Datación de muestras de origen biológico mediante radiocarbono (trabajo fin de grado). Universitat d’Alacant, Alicante

Varela, J. (2015). La datación mediante carbono 14; Frank Libby [Entrada en un blog A hombros de gigantes. Ciencia y tecnología. Recuperado de https://ahombrosdegigantescienciaytecnologia.wordpress.com/2015/09/08/la-datacion-mediante-carbono-14-frank-libby/amp/

El cemento el núcleo de nuestras ciudades, ¿pero hay algo más?

El primer ¨cemento¨ que se usó fue creado por John Smeaton en 1758, para reconstruir el faro de Eddystone. Lo creó mediante la mezcla de una puzolana y una caliza con alta proporción de arcilla. Años más tarde (1796) James Parker crea un nuevo tipo de cemento que denominó ¨Romano¨, porque pensaba que los romanos lo habían utilizado, este lo creo al quemar a temperatura moderada calizas ricas en arcilla y sílice y también alúmina. Este 1824 junto con Joseph Aspdin patentan el Cemento Portland, al quemar la mezcla que uso Parker para el ¨cemento romano¨ a mayor temperatura. Con el paso de los años este proceso se fue mejorando, por ejemplo los químicos franceses Vicat y Le Chatelier y el alemán Michaélis fueron de capaces de producir un cemento de calidad homogénea. Hasta llegar al cemento Portland actual  que se obtiene después de mezclar piedra caliza, arcilla, arena con alto contenido en sílice y pirita u otro mineral de hierro. Esta mezcla se calcina en un horno a unos 1450ºC aproximadamente para obtener el Clinker, este Clinker se muele con un retardante del fraguado para obtener el cemento. A lo largo de la historia se han ido utilizando diversos combustibles para llegar a esa temperatura. Estos combustibles han sido históricamente carbón, fuel, gas, entre otros, hasta que ahora por motivos económicos y ambientales se ha buscado la valorización de diferentes residuos. Este proceso lleva asociado una gran emisión de CO₂.

OBJETIVOS

• Conocer que es la valorización de residuos y el reciclaje.
• Entender el efecto invernadero y sus consecuencias.
• Profundizar sobre Le Chatelier y sus descubrimientos científicos Especialmente el equilibrio químico

ACTIVIDADES

• Realizar un brainstorming para conocer las ideas previas de los alumnos.
• Dividir a los alumnos en grupos para realizar una serie de trabajos y exponerlos para conocer diversos conceptos tales: valorización, reciclaje, efecto invernadero. La idea de estos trabajos es que respondan a peguntas tales como: – ¿Es segura la valorización?

– ¿Que provoca el CO₂ en la atmósfera? ¿De dónde proviene este en la industria cementera? Pueden usar este articulo como base

https://www.bbc.com/mundo/noticias-46594783

– ¿Es lo mismo el reciclaje y la valoración?

• Realizar otro trabajo individual sobre Le Chatelier y sus aportaciones a la química.
• Realización de ejercicios relacionados con equilibrio químico, donde se analizaran las reacciones del proceso entre otras.
• Visita a una fábrica de cemento para conocer el proceso más de cerca.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

La actividad se evaluara de la siguiente manera:

• Se tendrá en cuenta la participación del alumno en las diferentes actividades, su interés, su comportamiento durante la visita y el trabajo en equipo (10%)
• Evaluación del trabajo en grupo y de su exposición de manera correcta (50%)
• Evaluación del trabajo y de los ejercicios relacionados con equilibrio (40%)

FUENTES

• http://www.flacema.org/el-cemento/historia
• http://www.revistacyt.com.mx/pdf/noviembre2013/ingenieria.pdf
• http://materconstrucc.revistas.csic.es/index.php/materconstrucc/article/view/232/278

 

Los experimentos de Joule sobre el calor

El 1849 J.P. Joule, después de una larga experimentación, publicó sus resultados sobre la naturaleza del calor como forma de energía. Estas conclusiones, adaptadas al lenguaje científico moderno, se pueden resumir de la siguiente forma.

• La cantidad de calor producida por la fricción de los cuerpos, ya sean sólidos o líquidos, es siempre proporcional a la cantidad de energía gastada.
• La cantidad de calor (en calorías) capaz de incrementar la temperatura de 1 kg de agua en 1ºC requiere el cambio en la energía mecánica representada por la caída de 1 m de un peso de 4,180N

A finales del siglo XVI el holandés Zacharias Janssen, construyó el primer modelo microscopio compuesto, basándose en el principio fundamental del telescopio astronómico que Galileo Galilei inventó en 1925. Zacharias consiguió observar pequeños objetos colocando dos lentes convexas dentro de un tubo opaco, este instrumento fundó los principios del microscopio compuesto, además del telescopio. A mediados del siglo XVII, el microscopio fue perfeccionado por dos grandes científicos Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) y Robert Hooke (1635-1703). Leeuwenhoek creó un microscopio de una sola lente que le permitía aumentar hasta 300 veces el tamaño, esto permitió la observación de objetos de 1.4 micrómetros. A partir de aquí  pudo aportar grandes descubrimientos científicos, entre ellos, la observación de un mundo microscópico, como las bacterias y los protozoos. El trabajo de Leeuwenhoek permitió a los médicos conocer la existencia de esos microorganismos y qué papel juegan en las enfermedades. Hooke perfeccionó el microscopio colocando un condensador para concentrar la luz, esto le permitió obtener imágenes más nítidas. En su obra Microgrphia detalla los descubrimientos que hizo en el campo de la física y la biología, además se describe por primera vez la célula y su estructura.

 

ACTIVIDAD A REALIZAR EN CLASE DE FÍSICA

OBJETIVOS

• Conocer la contribución de la física en otras áreas científicas, como la microbiología, la biología molecular o la nanotecnología
• Aprender las propiedades electromagnéticas de la luz
• Aprender los conceptos de emisión, recepción y propagación de la luz
• Observar los principios de la óptica a través de la técnica de microscopía.

 

DESARROLLO DE LA ACTIVIDAD

Esta actividad está dividida en 3 fases, y se realizará en grupos de 3-4 personas. 

Fase 1.- Hacer una búsqueda bibliográfica de los inicios de la microscopía y qué avances o descubrimientos científicos han surgido gracias al microscopio.

De modo introductorio, se realizará una presentación explicando la historia de las lentes/microscopios con 3-4 diapositivas, tiempo máximo 5 minutos.

Al terminar las presentaciones se abrirá un debate, reflejando la importancia de la historia y las contribuciones científicas a lo largo del tiempo.

Fase 2.- A partir de los materiales que tengáis en casa tendréis que diseñar un microscopio.  Haréis una demostración donde cada grupo explicará la funcionalidad de los componentes y  la resolución de las imágenes a observar.

Fase 3.- Al final de cada demostración, los demás compañeros tendrán que opinar y evaluar el proyecto de cada grupo, también tendrán que formular entre 1-2 preguntas a los participantes.

 CRITERIOS DE EVALUACIÓN

Se realizará una evaluación continuada, teniendo en cuenta la participación y originalidad de cada alumno. También se volará el trabajo en equipo, así como las contribuciones realizadas en cada etapa.  Finalmente, a partir de los proyectos presentados se realizará una pequeña prueba a través del programa Kahoot.

 

Bibliografía:

Croft, W. J. (2006). Under the microscope, a brief history of microscopy. Singapore: World Scientific.

Sánchez Lera, R. M., & Oliva García, N. R. (2015). Historia del microscopio y su repercusión en la Microbiología. Humanidades Médicas, 15(2):355-372