I. INTRODUCCIÓN

 

         La materia aparece en tres estados fundamentales que son el sólido, el líquido y el gaseoso. Que se dé cada uno de ellos depende de las fuerzas de cohesión entre sus partículas. En sólidos y líquidos éstas son muy altas. Sólo que en los sólidos son algo mayores, por lo que sus partículas no pueden desplazarse sólo vibrar. En los líquidos sí se desplazan, por lo que pueden fluir, lo que les otorga que puedan cambiar de forma. Con lo que los sólidos poseen forma fija y los líquidos no...

 

        ¿O no? ¿Es tan clara la división impuesta por tener forma fija?

 

Un poco de teoría:

        

         Fluidos newtonianos son todos aquellos para los que la viscosidad (resistencia a fluir) es constante con la temperatura como el agua, el alcohol, etc.

         Los fluidos no newtonianos son sustancias que pueden comportarse como sólidos y líquidos, dependiendo de la presión a la que se les someta. Su viscosidad  es función de la tensión a las que se les someta.

         Un fluido no newtoniano que encontramos en la cocina es el ketchup: generalmente ocurre que al volcar el recipiente de ketchup el contenido no salga, no se vierta. Es necesario agitar fuertemente para que el contenido se vierta con facilidad. Ocurre que la viscosidad del fluido disminuye al agitarlo, promoviendo el movimiento de las moléculas entre sí.

 

         Las sustancias con las que vamos a hacer el estudio de la forma son polímeros en su mayor caso. Los polímeros están formados por largas cadenas de miles de moléculas pequeñas que se repiten, como las cuentas de un collar. Según el tipo de molécula, la longitud de las cadenas, la unión de esas cadenas entre sí para formar estructuras tridimensionales, etc., tendremos un polímero líquido o sólido, con distintas propiedades.

Los polímeros se pueden clasificar:

 

·                       SEGÚN SUS CARACTERES QUÍMICOS

 

ü         Atendiendo a su composición se clasifican en homopolímeros, todos los monómeros son iguales, si no lo son se trata de copolímeros.

ü   Atendiendo a la cadena los polímeros pueden se lineales o ramificados, según que las cadenas sean lineales o presenten ramificaciones que les den una estructura de reticulado tridimensiónal.

ü   Por otra parte si las cadenas que forman el polímero son de la misma longitud se dice que el polímero es monodisperso, por el contrario, si no ocurre así se dice que el polímero es polidisperso.

 

ESTRUCTURA DE LOS POLÍMEROS

Lineales

Ramificados

Entrecruzados




 

 

 

 

 

·                       SEGÚN SU PROCEDENCIA

ü            Naturales: se encuentran en la naturaleza, como celulosa, madera, proteínas etc.

ü            Artificiales: han sido sintetizados industrialmente.

  Sin embargo esta clasificación no es clara, puesto que muchos polímeros naturales o bien pueden reproducirse en el laboratorio o son base de ulteriores manipulaciones.

·                       SEGÚN SUS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

ü            Termoestables o Termofijos.

ü            Termoplásticos.

ü            Elastómeros.

  Los termoplásticos adquieren plasticidad, de ahí su nombre, al ser calentados lo que permite su conformación por técnicas relacionadas con el calor. Sus cadenas no están ramificadas. Por el contrario, los termoestables no tienen esta propiedad y al calentarse lo más normal es que acaben descomponiéndose. Se trata de cadenas muy ramificadas y entrecruzadas.
  Elastómeros son los derivados o sustitutos del caucho. Su propiedad característica es la elasticidad.

 

 

II. ESTADO SÓLIDO. FORMA FIJA

        Se caracteriza por que las fuerzas que ligan sus partículas constitutivas, sean átomos o moléculas, están firmemente unidas por fuerzas de cohesión. Por tanto, su forma es fija. La estructura es una repetición de estas unidades primarias, de manera parecida a un polímero. En el caso de un elemento, la partícula repetida sería el átomo.

 

è  Obtención de carbón a partir de azúcar.

 

         Vamos a convertir las moléculas de sacarosa del azúcar en una masa de carbón por deshidratación severa con ácido sulfúrico.

 

Instrumental:

Materiales:

·       Espátula

·       Agitador

·       Vaso de precipitados

Ø      Ácido sulfúrico concentrado

Ø      Azúcar (sacarosa)

 

Se vierte azúcar en un vaso de precipitados (aproximadamente un cuarto de su capacidad). Se añade una pequeña cantidad de ácido sulfúrico, resbalando por las paredes del vaso de precipitados, hasta formar una pasta espesa. Y a esperar.

  El resultado obtenido es...

 

Al cabo de un minuto aproximadamente veremos como la pasta –que poco a poco su color cambia de blanco a amarillento- se ennegrece y adopta un aspecto esponjoso ascendiendo por el vaso de precipitados. Lo que ha sucedido es una reacción de deshidratación del azúcar provocada por el ácido sulfúrico. La sacarosa se convierte en un residuo negro de carbono, mientras que el agua se desprende en forma de vapor provocando ese ascenso de la masa y esa textura esponjosa.

         Hay que tener cuidado, tanto por el manejo del ácido sulfúrico concentrado, como por el desprendimiento de gases tóxicos y, también, por el fuerte carácter exotérmico de la reacción.

 

·        Y la estructura del carbón (grafito) es ….

 

 

 

è  Producción de una resina tipo baquelita

 

         La baquelita fue el primer polímero sintético. Es un polímero de fenol formaldehído. Este tipo de resinas son termofijas, o sea que una vez moldeadas no pueden fundirse nuevamente. Se utilizan para unir astillas de madera en paneles de madera aglomerada.

 

         Vamos a sintetizar una resina a partir de la condensación entre la urea y el formaldehído.

 
       Urea  Formaldehído

Rotar los modelos con el ratón

Instrumental:

Materiales:

·       Tubo de ensayo

·       Baño María

·       Pipeta

Ø      Ácido sulfúrico concentrado

Ø      Formaldehído al 40 %

Ø      Urea

 

Colocar en un tubo de ensayo unos 4 ml de disolución saturada de urea (preparada añadiendo 2  g de urea y calentando levemente al baño María) y añadir a continuación 5 ml de formaldehído al 40%. Homogeneizar la disolución y añadir con una pipeta, gota a gota, ácido sulfúrico concentrado. Observar la evolución del sistema y anotar los resultados.

  El resultado obtenido es...

Al cabo de poco tiempo veremos una reacción fuertemente exotérmica. que produce un sólido blanco (polímero urea-formaldehído). La reacción supone la condensación del nitrógeno nucleófilo de la urea y el carbonilo electrófilo del metanal. Este proceso produce un polímero ramificado. Al igual que antes hay que tener cuidado, tanto en el manejo del ácido sulfúrico concentrado, como  por el fuerte carácter exotérmico de la reacción.

 

·        Y la secuencia de la reacción es ….

 

 

·        Investiga qué usos tienen este tipo de resinas.

 

 

 

III. FORMA VARIABLE ¿ESTADO LÍQUIDO?

 

         Existen dos tipos de fluidos según que la viscosidad dependa de la temperatura o de los esfuerzos mecánicos. La percepción de una alta viscosidad nos puede hacer dudar de a qué estado físico asignar la sustancia.

è  Obtención de un polímero entrecruzado

 

Instrumental:

Materiales:

·       Vasos de precipitados

·       Balanza

·       Espátula

·       Varilla de vidrio.

·       Agitador magnético con calefacción.

 

Ø      Alcohol polivinílico al 4%

Ø      Tetraborato de sodio al 4 %

Ø      Agua

Ø      Colorantes como tartracina o fluoresceína

 

1.    Prepara una disolución de alcohol polivinílico (PVA) al 4% y observa sus propiedades. La disolución del alcohol polivinílico debe hacerce con cuidado porque si añadimos el alcohol al agua se forman grumos muy difíciles de disolver. Es conveniente utilizar un agitador magnético con calefacción sin que se llegue a superar los 80-90 ºC (no debe hervir el agua) y añadir el alcohol de poco en poco hasta que este se disuelva.

2.    Pon 10 ml en un vasito de precipitados. Pon 10 ml de PVAL en un recipiente calibrado. Observa sus propiedades.

3.    Añade 15 gotas de borato de sodio en el otro recipiente calibrado. Observa sus propiedades. Añade una gota de colorante al PVAL. Remueve.

4.    Prepara una disolución de tetraborato de sodio al 4% y observa sus propiedades. Añade 2,5 ml de ésta a la disolución de PVA y remueve con la varilla hasta que no se produzca ningún cambio. Observa las propiedades del producto que has obtenido.

  El resultado obtenido es...

         El polímero obtenido se denomina comercialmente SLIME, aunque ya se le conocía como légamo y tiene algunas características de líquido tales como ser un fluido y tomar la forma de su envase. Por otro lado, se rompe cuando se estira rápidamente, como lo hacen los sólidos. Las características únicas del légamo son resultado de las dos sustancias que lo componen. La solución de bórax forma enlaces cruzados entre las moléculas del alcohol PVA. Estos enlaces cruzados hacen que el polímero resultante sea más lento al fluir y cambie su forma.

 

·        Realiza las siguientes actividades

 

1.  ¿Ha ocurrido una reacción química? ¿Qué evidencia tienes?

2.  El polímero que has obtenido ¿cómo lo clasificaríamos, como sólido o líquido?

3.  Estudio de propiedades mecánicas:
- Estíralo suavemente y después fuertemente. ¿Qué sucede?
- Prueba si un trozo pequeño se aplana cuando lo aprietas.
- Prueba si puedes hacer botar un trozo pequeño encima de la mesa. ¿Qué sucede?

4.  Compara las propiedades del producto que has obtenido y las del PVAL ¿En qué se parecen y en qué se diferencian?

5.  ¿Qué es un fluido tixotrópico? ¿Es el Slime un fluido de ese tipo?

 

è  Síntesis de un polímero similar al Silly Putty

 

Instrumental:

Materiales:

·       Vasos de precipitados

·       Balanza

·       Espátula

·       Varilla de vidrio.

·       Cuentagotas

 

Ø      Acetato de polivinilo.

Ø      Tetraborato de sodio al 4 %

Ø      Agua

Ø      Colorantes como tartracina o fluoresceína

 

1.- Prepara una disolución de cola blanca al 50% y observa sus propiedades. Pon 2 cucharadas en un vasito de precipitados.

2.- Añade una o dos gotas de colorante a la disolución de la cola.

3.- Prepara una disolución de tetraborato de sodio al 4% y añade una cucharada de ésta a la disolución de cola blanca removiendo con la varilla hasta obtener una especie de masilla. (También puede añadirse gota a gota con el cuentagotas para ver los cambios que se van produciendo)

4.- Saca el polímero del recipiente y déjalo encima de la mesa sobre una lámina de plástico o sobre papel encerado. Observa las propiedades del producto que has obtenido.

  El resultado obtenido es...

         Se obtiene otro polímero entrecruzado. A medida que las cadenas del polímero se entrecruzan, el producto toma una consistencia de gel formando el "gluep". Muchos pegamentos comunes son polímeros. Por ejemplo, los adhesivos vinílicos que se compran en la ferretería o en la librería para pegar madera, papel, etc., tienen como componente principal al acetato de polivinilo, de estructura:

-CH2-CHOCOCH3-CH2- CHOCOCH3-CH2-CHOCOCH3-

que con el borato de sodio forma un polímero entrecruzado. El tetraborato de sodio NaB(OH)4 se disuelve en agua dando un ion Na+ y un ion tetraborato .

 

Los iones tetraborato enlazan las largas cadenas de acetato de polivinilo mediante enlaces de hidrógeno aprisionando moléculas de agua. Estas tienen tendencia a escapar por simple evaporación, por lo que si queremos conservar el slime no debemos dejarlo demasiado tiempo al aire libre. Si lo dejamos secar obtenemos una masa endurecida.


 

·        Realiza las siguientes actividades

 

1.    Estudia las propiedades mecánicas del polímero obtenido de forma similar a las realizadas con el slime:
– Estíralo suavemente y después fuertemente. ¿Qué sucede?
– Prueba si un trozo pequeño se aplana cuando lo aprietas.

2.    ¿Puedes hacer botar un trozo pequeño encima de la mesa? ¿Qué sucede?

3.    Adiciona ácido acético a una porción de polímero en un tubo de ensayo ¿Qué ocurre? ¿Por qué?

4.    Adiciona al tubo anterior una punta de espátula de bicarbonato sódico. ¿Qué ocurre? ¿Por qué?

5.    ¿Cuál es el polímero conocido como Silly Putty?

 

 

 IV. ¿FORMA FIJA?. GEL

 

Se denominan geles a coloides transparentes; sistema de dos componentes, rico en líquido, de naturaleza semisólida. En los coloides, las partículas que los forman son mucho mayores que el tamaño de los átomos o de las moléculas, pero demasiado pequeñas para ser visibles. Su tamaño está comprendido entre 10-7 cm y 10-3 cm y existen débiles fuerzas de unión entre ellas

La característica común de ellos es la presencia de un tipo de estructura continua que les proporciona las propiedades de los semisólidos. Muchas sustancias pueden formar geles cuando se añade un agente gelificante. Esto suele ser utilizado en la manufactura de diversos productos, desde comida a pinturas, pasando por adhesivos.

         Su uso en medicina, está muy difundido. Tras su aplicación desaparecen rápida y completamente, lo que les otorga un aspecto cosmético excelente. En dermatología se usan ampliamente sobre todo en zonas pilosas como el cuero cabelludo, o estrechas y de difícil acceso como el conducto auditivo externo o las fosas nasales, en donde la aplicación de productos más grasos haría muy difícil su posterior limpieza. Admite la incorporación de numeroso principios activos bien a través de su fase acuosa, sea ésta un líquido orgánico o agua

 

è  Síntesis de un gel

 

 

Instrumental:

Materiales:

·       Vasos de precipitados

·       Balanza

·       Espátula

·       Varilla de vidrio.

·       Cuentagotas

 

Ø      Poliacrilato sódico.

Ø      Agua

Ø      Colorantes como tartracina o fluoresceína

 

1.- Prepara una disolución de cola blanca al 50% y observa sus propiedades. Pon 2 cucharadas en un vasito de precipitados.

2.- Añade una o dos gotas de colorante a la disolución de la cola.

3.- Prepara una disolución de tetraborato de sodio al 4% y añade una cucharada de ésta a la disolución de cola blanca removiendo con la varilla hasta obtener una especie de masilla. (También puede añadirse gota a gota con el cuentagotas para ver los cambios que se van produciendo)

4.- Saca el polímero del recipiente y déjalo encima de la mesa sobre una lámina de plástico o sobre papel encerado. Observa las propiedades del producto que has obtenido.

  El resultado obtenido es...

 

         Se obtiene un gel. Los poliacrilatos son polímeros superabsorbentes debido a su estructura. En el caso del poliacrilato de sodio, los grupos carboxilato de sodio (-COONa) cuelgan de la cadena principal. Al contacto con el agua se desprenden iones sodio (Na+) dejando libres grupos negativos (-COO-). Estos, al estar cargados negativamente, se repelen entre sí, por lo que el polímero se "desenrolla" y absorbe agua. El poliacrilato de sodio es un polímero de masa molecular muy elevada, por lo que no se disuelve sino que gelifica.

 


 

El poliacrilato de sodio puede absorber agua destilada hasta unas 800 veces su propia masa. Si además de agua destilada se encuentran presentes otras sustancias, como es el caso de la orina, la capacidad de absorción se reduce mucho. Los iones y las sales disueltas pueden reducir esa capacidad en un factor superior a 10.

 

 

·        Realiza las siguientes actividades

 

1.    Este compuesto tiene la singular característica de parecerse a la nieve mirado a simple vista, por lo que sirve para la creación de nieve artificia. Deja el gel durante unos 20 minutos en el vaso de precipitados. ¿Qué ocurre? ¿Por qué crees que ocurre? Mide la cantidad de sustancia resultante y saca alguna conclusión.

2.    El poliacrilato de sodio se utiliza como agente desincrustante. ¿Qué propiedades crees que pueden justificar ese uso?

 

 

è  Obtención de un gel natural.

 

         La gelatina es una mezcla coloide, incolora, translúcida, quebradiza y casi insípida que se obtiene a partir del colágeno procedente del tejido conectivo de  restos de animales hervidos con agua. Principalmente está compuesta por cadenas proteicas (más del 90 %).

 La gelatina seca al ponerla en contacto con un líquido lo absorbe y se hincha. Al calentar el líquido se forma un sol (un sistema coloidal fluido) con el líquido como dispersante. A medida que se enfría el sistema, la viscosidad del fluido aumenta y acaba solidificando formando un gel (sistema coloidal de aspecto sólido). El estado de gel es reversible al estado de sol si se aumenta la temperatura

 

Con la gelatina se puede formar una espuma que actúa de emulsionante y estabilizante, es en esta forma que se usa en alimentos preparados como sopas, caramelos, mermeladas, algunos postres. También se usa como estabilizante de emulsiones en helados y en mezclas en que intervienen aceites y agua.


 

 

 

 

 

Instrumental:

Materiales:

·       Vasos de precipitados

·       Balanza

·       Espátula

·       Varilla de vidrio.

·       Pipeta.

 

Ø      Gelatina

Ø      Nitrato de hierro.

Ø      Colorantes como tartracina o fluoresceína

 

1.- Prepara una disolución saturada de gelatina en 100 mL de agua.

2.- Añade una o dos gotas de colorante a la disolución de la cola.

3.- Prepara 50 mL de disolución de nitrato férrico, de concentración  40 g/L. Añade 10 mL a la disolución de gelatina removiendo con la varilla hasta obtener el gel (También puede añadirse gota a gota con el cuentagotas para ver los cambios que se van produciendo)

4.- Saca el polímero del recipiente y déjalo encima de la mesa sobre una lámina de plástico o sobre papel encerado. Observa las propiedades del producto que has obtenido.

  El resultado obtenido es...

 

         Se ha obtenido un polímero entrecruzado natural, en el que los enlaces entre la gelatina y los nitratos son débiles debido a la acción de los iones positivos de Fe(III). Esto hace que su resistencia al estiramiento sea menor.

 

·        Realiza las siguientes actividades

 

1.     Calienta el vaso en que tienes la gelatina. Después enfríalo con agua del grifo. ¿Qué ocurre?

2.     ¿Qué podrías decir acerca de la viscosidad, elasticidad y ductilidad del producto final?

3.     Investiga cuáles son los enlaces que forma el agente entrecruzante. ¿Cambiaría la estructura si se adiciona en mayor cantidad?

4.     Si te animas, fabrica tu propia crema hidratante