martes, 21 de julio de 2015

Los Volcanes de Lodo de Azerbaijan y un problema de estequiometría de composición

Una relación entre Ciencias de la Tierra, Mitología y Química Analítica.

Vulcano

Sabemos que muchos pueblos y tribus originarias de la Antigüedad adoraban a monstruos o divinidades fantásticas y personificaban a la naturaleza como algunos cuerpos del cosmo o estructuras hidrogeológicas de la Tierra (montañas, volcanes, ríos, mares, etc.). Le debemos a éstas creencias los nombres de cosas pequeñas hasta grandes estructuras, como el vocablo "volcanes". La palabra Volcán proviene del latín "Vulcanus". Vulcano es un dios en la mitología romana, hijo de Júpiter y Juno y esposo de Venus. Era dios del fuego y los volcanes, forjador del hierro y creador de armas y armaduras para dioses y héroes. Según la mitología romana la fragua de Vulcano se encuentra situada bajo el Monte Etna, en la isla italiana de Sicilia, o bajo la isla eolia de Vulcano, en el mar Tirreno. Vulcano corresponde a Hefesto en la mitología griega.
Estas representaciones mitológicas, obviamente configuran una idea fantástica de lo que presuntamente es un volcán. La creencia popular tiene una idea menos mística pero cerrada, muchas veces definen un volcán como una montaña majestuosa en forma de cono y que posee un cráter por donde emerge lava incandescente y ceniza. Se sabe actualmente que existen volcanes sin cono ni cráter definidos y otros no necesariamente se ubican en límites de placas tectónicas, hay volcanes de 30 metros de altura e islas originadas por volcanes.
"Lava": Disney Pixar short film

Por consiguiente, para la ciencia la definición es mucho más amplia, los volcanes son estructuras geológicas por las que emergen magma en forma de lava, muchas veces acompañado de volúmenes variables de gases, vapores y rocas piroclásticas o cenizas provenientes del interior de la tierra. Los volcanes son diferentes a las montañas porque no se forman por plegado, los volcanes comunes son construidos por la acumulación de sus propios productos eruptivos. El término volcán también se refiere a la apertura o ventilación a través del cual se expulsa la roca fundida y gases o vapores asociados. Entonces los volcanes de lodo podrían ser clasificados como volcanes, aunque no todos son naturales porque existen algunos originados por la acción industrial del hombre, y por lo tanto éstos últimos no están relacionados con las verdaderas formaciones volcánicas. Sin ahondar aún más en ese debate, analicemos químicamente a éstos volcanes de lodo. 
Pero para ello propongo resolver un problema de estequiometría de composición de Química Analítica relacionado con el tema de los volcanes de lodo, que se propuso como preparación previa de alto nivel a los jóvenes participantes de la Olimpiada Internacional de Química de Baku 2015. Para comprenderlo y resolverlo debes poseer conocimiento previos de Química General y Analítica, Mineralogía, Química de los compuestos de coordinación.
Volcán de lodo en la Reserva Natural del Estado en Azerbaijan

Azerbaiján es conocida en todo el mundo como la única región donde están desarrollados los volcanes de lodo. De los 800 volcanes de lodo conocidos en el planeta, cerca de 400 se encuentran en el Este de Azerbaiján y la zona que bordea el Mar Caspio. Los volcanes de lodo de Azerbaijan tienen una variedad de formas y tamaños, pero los más comunes tienen varios conos pequeños o respiraderos de hasta unos cuatro metros de altura. Las erupciones volcánicas de lodo en Azerbaiyán normalmente tienen una duración de menos de un par de horas, y se caracterizan por una extrusión vigorosa de brechas de lodo, gases de hidrocarburos y agua.
Bakhar es un volcán de lodo con una alta actividad de filtrado durante el estado latente. Los embalses formados por la actividad de los volcanes contienen el agua expulsada. Esos volcanes de Bakhar tienen una composición dominante de iones Na y Cl. Los sistemas acuosos analizados son enriquecidos con metales y con un elemento X que causa coloración a la llama. Su concentración de 250 ppm en agua filtrada representa un enriquecimiento de 55 veces en comparación al agua de mar. Cuando se concentra aún más, se obtienen cristales de color blanco del agua expulsada de los volcanes, entre ellos el compuesto Y, una de las principales fuentes de X. El óxido común de X contiene 31.0% del elemento, mientras que el compuesto Y solamente 11,3%.
1. ¿Cuál es el elemento X y el compuesto Y?
2. Calcular la masa de Y que se puede obtener a partir de 1 L de agua expulsada.
3. La pérdida de masa bajo calentamiento suave de Y es del 37,8%. Dibuja una posible estructura del anión en Y, sabiendo que contiene dos tipos diferentes de átomos X (coordinación tres y coordinación cuatro).


Resolución
1. La fórmula general de un óxido es:

    La relación molar de X y O es:
n = 0,5; 1; 1,5; 2 etc.
n = 0,5 da M (X) = 3,6: no existe ningún elemento.
n = 1 da M (X) = 7,2; Li, pero no existe en el estado de oxidación +2.
n = 1,5 da M (X) = 10,8, B. El boro generalmente existe en estado de oxidación +3. X es B.

En solución acuosa, el boro forma especies oxoaniónicas, el contraión puede ser el ión sodio como uno de los iones dominantes en agua expulsada de los volcanes de lodo. El mineral de boro común que contiene sodio es el bórax, que contiene 11,3.% (en peso) de boro.
2. La densidad de la solución diluida es 1 kg / L, a continuación, 1 ppm es 1 mg / L, 250 ppm es de 250 mg de boro. La masa de bórax es: m = 250 / 0.113 = 2212 mg = 2,2 g.

3. La pérdida de masa bajo calentamiento suave de bórax es 37,8% que corresponde a la pérdida de 8 moléculas de agua.
El anión en Y :
contiene dos átomos de boro con coordinación 3 y dos átomos de boro con coordinación cuatro.







Referencias:
-Eremin, Vadim; Gladilin, Alexander (2015) "Preparatory problems by 47th International Chemistry Olympiad (IChO-2015)". Moscow State University, Baku Branch, Azerbaijan.
-State Nature Reserve of the Mud Volcanoes. Disponible en: http://www.azerbaijans.com/content_484_en.html
-Tarbuck & Lutgens. (2005)."Ciencias de la tierra, una Introducción a la Geología física". Pearson Ed.
-Tilling, Robert (1997) "Volcanoes". Disponible en inglés en: http://pubs.usgs.gov/gip/volc/

domingo, 12 de julio de 2015

And the winner is.....Helium


Estuvo por detrás del premio Nobel de 1913 y de tres Oscars de la Academia de Hollywood en 2010 y 2014. Es el principal protagonista en el Albuquerque International Ballon Fiesta de Nuevo Mexico (EEUU) y de otros festivales de América y Europa. Recientemente, en el mes de julio de 2015, hizo despegar por el aire de Calgary (Canadá) a un joven de 26 años que iba sentado muy feliz en una silla de plástico de Us$ 20, si bien el chico terminó con vida y en la cárcel, fue más afortunado que el sacerdote brasileño Adelir Antonio de Carli en 2008 que intentaba batir record de permanencia en el aire como Mr. Carl Friedricksen del film "Up in the air" de Pixar Animations.

"Helium" es un emotivo short film danés ganador de un Oscars en 2014


Si hay un elemento químico que le gusta salir en tv, cine y ganar premios: ese es el Helio. El chico rebelde y ligero de la tabla periódica.
El Helio fue descubierto por Sir William Ramsay en Londres, y de forma independiente por Per Teodor Cleve y Nils Abraham Langlet en Uppsala, Suecia. El nombre deriva del griego, 'helios "que significa sol, porque se detectó en esa estrella por sus líneas espectrales muchos años antes de que se encontrara en la Tierra. Macroscópicamente es un gas incoloro e inodoro y es totalmente no reactivo, es decir no se combina ni con el oxígeno del aire y por lo tanto no es combustible. Debido a su baja densidad se utiliza a menudo para llenar globos decorativos, globos meteorológicos y dirigibles. Aunque el uso desconsiderado para realizar aventuras por el aire al estilo del film "Up" puede ser muy peligroso.

Joven que voló en una silla atada a 100 globos de helio y terminó preso en julio de 2015


El Helio tambien puede licuarse y posee muchas aplicaciones importantes para la industria. Kamerlingh Onnes fue el primer científico que pudo dominar al rebelde y ligero Helio, trabajó durante muchos años para licuar el elemento que persistió como un gas a muy baja temperatura. Usó aire líquido para producir hidrógeno líquido y luego con el hidrógeno en el aparato licuación, produjo cerca de 60 centímetros cúbicos de helio líquido el 10 de julio de 1908. Su punto de ebullición se encontró que era 4,222 K (−268,928°C). Onnes recibió el Premio Nobel de Física en 1913 por sus investigaciones sobre las propiedades de la materia a bajas temperaturas lo que llevo, entre otras cosas, a la producción de helio líquido.
Cuando el helio se enfría a una temperatura crítica de 2,17 K (llamado su punto lambda), se produce una discontinuidad notable en la capacidad de calor, la densidad de gotas del líquido, y una fracción del líquido se convierte en una viscosidad cero "superfluido". La superfluidez surge de la fracción de los átomos de helio que se han condensado a una energía más baja posible.
Una aplicación importante del helio líquido ha sido en el estudio de la superconductividad y para las aplicaciones de imanes superconductores.

Helio líquido, superfluido

El helio tambien se utiliza como un medio de refrigeración para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), y los imanes superconductores en escáneres de resonancia magnética y espectrómetros de RMN. También se utiliza para mantener frescos los instrumentos satelitales y para enfriar el oxígeno líquido e hidrógeno que alimenta los vehículos espaciales Apolo.
Debido a que es no reactivo, el helio se utiliza para proporcionar una atmósfera protectora inerte para la fabricación de fibra óptica y los semiconductores, y para la soldadura por arco. El helio se utiliza también para detectar fugas, tales como en sistemas de aire acondicionado de automóviles, y porque se difunde rápidamente se utiliza para inflar bolsas de aire de automóviles después del impacto.
Una mezcla de 80% de helio y el 20% de oxígeno se utiliza como una atmósfera artificial para los buzos de aguas profundas y otras personas que trabajan en condiciones de presión.
Los láseres de gas helio-neón se utilizan para escanear códigos de barras en cajas de los supermercados. Un nuevo uso para el helio es un microscopio de helio-ion que proporciona mejor resolución de imagen de un microscopio electrónico de barrido.
Así, el helio además de ser un elemento principal en el Sol, no solo tiene utilidad para inflar globos de cumpleaños y hacer volar a fanáticos de Up, sino que tiene múltiples propiedades y usos en la Industria actual y del futuro que desconocemos.

Esta entrada participa en el XLIX Carnaval de la Química alojado en el blog Radical Barbatilo de @JGilMunoz




Referencias:

John Emsley, Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements, Oxford University Press, New York, 2nd Edition, 2011.
J. S. Coursey, D. J. Schwab, J.J. Tsai, and R. A. Dragoset, Atomic Weights and Isotopic Compositions(version 3.0), 2010, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, accessed December 2014.
Liquid Helium. HyperPhysics. Georgia State University. Disponible en: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/lhel.html#c3
Periodic Table. Royal Society of Chemistry. Disponible en: http://www.rsc.org/periodic-table/element/2/helium
Tables of Physical & Chemical Constants, Kaye & Laby Online, 16th edition, 1995. Version 1.0 (2005), accessed December 2014.
"The Nobel Prize in Physics 1913". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 12 Jul 2015. <http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1913/>
Thomas Jefferson National Accelerator Facility - Office of Science Education, It’s Elemental - The Periodic Table of Elements, accessed December 2014.
T. L. Cottrell, The Strengths of Chemical Bonds, Butterworth, London, 1954.
W. M. Haynes, ed., CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, 95th Edition, Internet Version 2015, accessed December 2014.