¿Qué queríamos saber/qué problema teníamos?
Todos los objetos que usamos cada día están hechos de materiales con propiedades especiales. Por ejemplo, Las ventanas son de vidrio porque es transparente y deja pasar la luz o Las sartenes son de metal porque resisten y transmiten el calor. Es decir, los materiales que empleamos en nuestro día a día se definen por sus propiedades, pues son estas las que determinan para que podemos emplear cada uno de ellos. Pero… ¿cómo conseguimos materiales con las propiedades que necesitamos? Los científicos trabajan para crearlos de la forma más fácil, limpia y barata posible.
Entre todos los materiales, hay unos muy especiales llamados catalizadores. Estos son materiales cuyas propiedades les permiten conseguir que determinados procesos de cambio químico (reacciones químicas que transforman unos materiales en otros) ocurran más rápido, con menos energía y más barato. Por eso, muchos científicos y científicas trabajan para descubrir nuevos catalizadores que sirvan en industrias y laboratorios.
Los científicos estudian la naturaleza y se inspiran en ella buscando materiales naturales que puedan convertirse en catalizadores útiles. Luego modifican esos materiales para darles las propiedades necesarias Y por último comprueban cuál funciona mejor en cada situación. En este artículo, queríamos averiguar si la forma de hacer un catalizador afecta a su rendimiento, para así elegir el más eficiente.
¿Cómo lo hemos hecho?
Para poder responder a la pregunta, lo primero que tenemos que hacer es diseñar cómo vamos a producir nuestro catalizador. Dado que queríamos preparar dos catalizadores producidos a partir de dos materiales distintos necesitamos pensar dos procedimientos para tratar estos materiales. Para crear los catalizadores, seguimos unos pasos parecidos a cocinar algo en la cocina, ¡pero un poco más avanzado! En estos procesos lo que hacemos es que partimos de un material natural, y mediante diferentes procesos de cambio químico transformamos ese material inicial en el catalizador que queremos conseguir.
Para obtener los catalizadores que necesitábamos para este estudio hemos seguido un procedimiento que tiene cuatro pasos.
- Preparación de la materia prima.
En este caso vamos a partir de dos materiales naturales, la glucosa (un tipo de azúcar) y la celulosa (un material que forma parte de las plantas y que está formado por unidades de glucosa). Lo primero que hacemos es mezclarlas con agua y un poco de ácido clorhídrico y meterlas en unos hornos especiales a una alta temperatura (195ºC o 215ºC) durante unas horas. Finalizado el proceso hemos conseguido transformar la glucosa o la celulosa en otro material que llamamos carbón hidrotermal (se denomina así porque se ha obtenido en agua- hidro- y por tratamiento con calor-termal).
- Transformación del carbón hidrotermal en carbón sulfonado.
Para el siguiente paso necesitamos convertir el carbón hidrotermal en otro material que se llama carbón sulfonado. Para ello lo filtramos para separarlo de otros materiales y lo lavamos muy bien con agua y acetona (el material que se usa para quitar el esmalte de uñas y que tiene un olor muy característico). Luego, tenemos que mezclar el carbón hidrotermal con ácido sulfúrico para transformarlo (cambio químico) en carbón sulfonado. Ahora ya tenemos el catalizador que queríamos conseguir.
- Hacemos pruebas para saber las propiedades del material que hemos preparado:
Una vez que hemos conseguido producir el material que nos interesa necesitamos comprobar que tiene las propiedades que necesitamos. Para ello realizamos varias pruebas. El carbón sulfonado es un material en forma de polvillo muy muy fino. Mirándolo con nuestros ojos no podemos ver más que ese polvo negro. Por lo tanto, para saber si tiene la forma y el tamaño que necesitamos usaremos un microscopio, que es un instrumento que nos permite ver cosas muy muy pequeñas que no podemos ver con nuestros ojos.
- Hacemos pruebas para saber si el material que hemos preparado funciona:
Finalmente necesitamos saber si nuestro catalizador funciona, es decir, que consigue que una determinada reacción química (cambio químico) se produzca de manera más rápida. Para ello, ponemos en un matraz un poco de glicerina, un poco de acetona y una pequeña cantidad del catalizador preparado. Luego, colocamos el matraz en un agitador magnético que agita la mezcla muy rápido (a 800 vueltas por minuto) a temperatura ambiente. Para comprobar si el cambio químico se ha producido, cada cierto tiempo, se toma un poco del contenido del matraz y se analiza con un cromatógrafo de gases, que es un aparato que es capaz de decirnos qué materiales hay en un recipiente donde tenemos varios, aunque nosotros no los podamos ver a simple vista.
¿Qué hemos obtenido?
Al finalizar todo el proceso descrito hemos logrado crear materiales con unas propiedades muy útiles, que pueden usarse en cosas como catalizadores (materiales capaces de acelerar las reacciones químicas). Sin embargo, las características de estos materiales son diferentes cuando los producimos a partir de la glucosa que cuando los producimos a partir de la celulosa.
Cuando trabajamos con glucosa, conseguimos un material que parece formado por esferas muy muy pequeñas, con muy pocos huecos entre ellas y que se mojan con facilidad. Sin embargo, cuando los analizamos con otras técnicas se observa que realmente hay algo más de espacio entre ellas. Esto significa que, aunque estos materiales no parecen muy porosos al principio, tienen pequeñas cavidades que podrían hacerlos útiles para ciertas aplicaciones, como absorber sustancias o interactuar con líquidos y gases.
Queríamos ver cómo reaccionan la glicerina con la ayuda del catalizador preparado. Al principio, aunque ponemos juntas la acetona y la glicerina, no se mezclan, ocurre lo mismo que cuando ponemos en un vaso agua y aceite, y vemos los dos fases a simple vista. Pero cuando añadimos el catalizador y agitamos durante un tiempo, podemos ver que ahora solamente vemos un fase. Esto nos indica que la reacción se está produciendo y que se está generando un nuevo compuesto (cambio químico). Este nuevo compuesto se llama solketal y es un disolvente que tiene unas propiedades muy interesantes.
Para estar seguros de los resultados y de que el catalizador está funcionado bien, necesitamos saber cuánto tiempo es necesario para que la reacción se haya completado. Para ello, lo que hicimos fue ir sacando un poco del contenido del matraz y analizarlo en el cromatógrafo de gases. Este aparato nos permite saber cuánta glicerina nos queda y cuanto solketal se ha formado.
Y todo esto, ¿para qué?
Los resultados del estudio nos permiten saber que dependiendo de qué materia prima empleemos y de cómo realicemos el proceso de obtención del catalizador conseguimos un catalizador con unas características diferentes. Es decir, que dependiendo de cómo fabriquemos el catalizador este funciona mejor o peor. En nuestro caso, hemos descubierto que el catalizador que mejor funciona es el que se prepara con celulosa, tratada con ácido a 215 ºC durante 20 horas.
Por lo tanto, este estudio nos ha permitido aprender que el procedimiento, los pasos que se siguen para fabricar un material, es muy importante para conseguir que el material pueda utilizarse para lo que lo necesitamos. Así, para los científicos describir los procesos de obtención y las propiedades de los materiales que se utilizan es muy importante para entender cómo funcionan y poder fabricar cada vez materiales más adaptados a las necesidades de la sociedad y los usos que se le van a dar. Por ello, muchos científicos investigan cómo obtener mejores materiales. En este estudio habéis podido ver un ejemplo de cómo se hacen estos estudios.
La obtención del catalizador a través de diferentes procedimientos y a partir de diferentes materias primas nos permite comparar diferentes formas de producirlo para estudiar cuál es la mejor. De esta manera aprendemos a conseguir los materiales que necesitamos de la manera más sencilla, rápida, económica y sostenible posible. Por ejemplo, en este estudio hemos descubierto que la temperatura a la que se preparaba el carbón, la cantidad de ácido empleada para tratar la celulosa con la que se prepara el catalizador y el tiempo de preparación del catalizador eran factores fundamentales a la hora de obtener un catalizador que funcione lo mejor posible.
Glosario
Ácido clorhídrico y ácido sulfúrico: son materiales que utilizan los científicos generalmente para producir otros materiales. Si no se manejan con cuidado pueden ser peligrosos. El ácido clorhídrico es el material que utiliza nuestro estómago para digerir la comida y se utiliza también en productos de limpieza (Salfumán). El ácido sulfúrico se utiliza en las baterías de los coches.
Son materiales que utilizan los científicos generalmente para producir otros materiales. Si no se manejan con cuidado pueden ser peligrosos. El ácido clorhídrico es el material que utiliza nuestro estómago para digerir la comida y se utiliza también en productos de limpieza (Salfumán). El ácido sulfúrico se utiliza en las baterías de los coches.
Es un instrumento que se utiliza en los laboratorios para remover una mezcla de forma continua y, a veces, a mucha velocidad. Se llama magnético porque utiliza imanes.
Es un proceso en el cual unos materiales, con unas determinadas propiedades, se transforman en otros materiales, con propiedades distintas. Estos procesos nos permiten obtener nuevos materiales a partir de otros que ya tenemos.
Es un carbón que se denomina así porque se ha obtenido en agua (hidro-) y por tratamiento con calor(-termal).
Es un material que, por sus propiedades, permite determinados procesos de cambio químico (reacciones químicas) puedan realizarse de manera mucho más rápida. Un catalizador puede utilizarse varias veces porque no se gasta en el proceso de cambio químico, pero pueden estropearse a medida que se utilizan.
Es un material que se encuentra en las plantas y que utilizamos para hacer papel.
Es un instrumento que encontramos en los laboratorios. Cuando ponemos diferentes materiales juntos en un recipiente, el cromatógrafo nos permite saber qué materiales hay y cuánto hay de cada uno. Es muy útil cuando tenemos procesos de cambio químico, donde se forman nuevos materiales, para saber qué materiales se han formado y cuánto se ha formado de cada uno de ellos.
Es un proceso que utilizamos para separar dos materiales que están juntos cuando uno de ellos es sólido y el otro líquido. Para separar los materiales se utiliza un filtro, un material que tiene unos orificios muy pequeños que no podemos ver. El líquido puede pasar por los orificios del filtro, pero el sólido no, por lo que conseguimos separarlos.
Es uno de los materiales que utilizan los científicos para hacer reacciones químicas. Es un material que se utiliza en algunos jabones.
Es un material parecido al azúcar que se encuentra en algunas frutas y en la miel. Además, es un material muy importante para el funcionamiento de nuestro cuerpo y para que tengamos energía.
Son los materiales de origen natural que se obtienen y procesan para su uso en actividades humanas. En este caso, la glucosa y la celulosa, materiales que tomamos de la naturaleza y utilizamos para obtener nuevos materiales.
Es un recipiente de vidrio de forma generalmente esférica o cónica y terminado en un tubo estrecho y recto, que se emplea en los laboratorios.
Es un instrumento que nos permite observar cosas que son tan pequeñas que no podemos verlas a simple vista.
