En este experimento te voy a mostrar cómo generar hidrógeno de forma casera utilizando algo tan cotidiano como aluminio de la basura y sosa cáustica.
Puede sonar a truco de feria o a broma de patio de colegio, pero detrás de esta reacción hay química real, principios científicos y un concepto clave que deberías conocer: la reacción redox.
También te explicaré qué sucede exactamente cuando el aluminio entra en contacto con una solución de hidróxido de sodio, por qué elegimos estos materiales y cómo preparar la disolución para que este pequeño generador de hidrógeno funcione de forma eficiente y segura.
Si ya viste mi vídeo (que encontrarás enlazado al final de este artículo), aquí encontrarás la parte técnica y los detalles prácticos que no entraron en cámara: ecuaciones, parámetros clave y recomendaciones para que puedas repetir este experimento entendiendo lo que pasa de verdad.
Así que ponte gafas, guantes (y algo de sentido común) y vamos a profundizar en cómo convertir una simple lata de chatarra en un generador de hidrógeno hecho en casa.
Reacciones Redox
Antes de empezar con el experimento haremos un poco de teoría para entender lo que se va a llevar a cabo. La reacción química que se produce entre un metal y una base o ácido se llama reacción de reducción-oxidación o reacción redox.
Básicamente, toda reacción redox implica un intercambio de electrones entre dos sustancias. Una sustancia se oxida, es decir, pierde electrones; mientras que otra sustancia se reduce, es decir, gana esos electrones.
Para entender esto, hay que imaginarse un átomo de cada substancia con sus protones y neutrones en el núcleo y los electrones dando vueltas a su alrededor. Centrándonos en los electrones, estos se agrupan por capas alrededor del núcleo donde en cada capa caben un número limitado de ellos. La última capa de electrones, que es la más externa, se le nombra capa de valencia y es donde se producen los intercambios.
No profundizaré más aquí con esto de los electrones porque es muy largo, extenso y cada elemento o substancia tiene su número de electrones y estos pueden variar según las condiciones que se encuentre y hay excepciones, y en definitiva no quiero alargar más este tema, pero en líneas generales (y para simplificar mucho el tema), se usa una norma/regla que es la regla de octeto.
La regla del octeto establece que los átomos tienden a ganar, perder o compartir electrones para lograr una configuración electrónica estable con ocho electrones en su capa de valencia. Así que se podría decir que los átomos tienen una última capa de electrones con ocho huecos o espacios para ganar o perder electrones.
De esta forma se entiende que:
- En la oxidación: un átomo pierde electrones y gana «huecos»
- En la reducción: un átomo gana electrones y pierde (o reduce) sus «huecos»
Ambas ocurren de forma simultánea y están siempre acopladas. Por eso se dice que donde hay oxidación, hay reducción, y viceversa.
Otros ejemplos de reacciones redox son: la corrosión del hierro, la combustión de hidrocarburos o las reacciones que ocurren dentro de una pila o batería. En todos estos casos, siempre hay un elemento que cede electrones y otro que los acepta.
Ya por último (y no me quiero enrollar más), cada elemento tiene un número finito de electrones/huecos para realizar intercambios, a esto se le llama estado de oxidación o número de oxidación y es un valor que se puede encontrar fácilmente en cualquier tabla periódica.
Se que esto puede ser un rollazo (y más si no te gusta la materia), pero he creído necesario dar una pequeña pincelada de teoría para entender la reacción que llevaremos a cabo en este experimento para obtener hidrógeno.
Aluminio contra sosa cáustica
Ahora que ya sabemos qué es una reacción redox, vamos a ver cómo se aplica de forma práctica, en este experimento y usando dos ingredientes muy fáciles de conseguir: aluminio reciclado (latas, papel de aluminio, virutas de taller…) y sosa cáustica (hidróxido de sodio, NaOH).
Cuando mezclamos aluminio, sosa cáustica y agua, se produce una reacción exotérmica (que libera calor), que genera hidrógeno gaseoso como producto principal y aluminato de sodio disuelto en la solución.
La reacción simple sin balancear es esta:
He querido usar los elementos tal cual se ven en la tabla periódica ya que así se pueden ver los estados de oxidación de cada elemento y su masa atómica, datos que nos harán falta para llevar a cabo este experimento.
Esta reacción (escrita así tal cual), no está balanceada, esto significa que no hay las mismas cantidades de substancias/elementos al principio (antes de la flecha) que al final (después de la flecha). Como en esta web se siguen las normas de la (¡termodinámica!) conservación de la materia , hay que equilibrar ambos lados para que haya la misma proporción antes y después de la flechita.
Esto se hace de la siguiente manera:
Viendo la reacción con el estado de oxidación de cada elemento, se puede ver cuales son los elementos que se oxidan y cuales se reducen. Vemos, por ejemplo, que el sodio (Na), cede un electrón al principio, cuando forma parte de la sosa cáustica, y tambíen cede uno cuando se encuentra en el aluminato sódico. Sucede lo mismo con el oxígeno (O) pero al revés, tiene 4 al principio, 2 en la sosa y 2 en el agua, y luego hay 4 en el aluminato. El sodio y el oxígeno se quedan iguales en ambos lados de la reacción, aunque en distintos compuestos.
No sucede lo mismo con el aluminio (Al) y el hidrógeno (H). El aluminio pasa de 0 al principio, cuando va por libre, y pasa a 3 cuando está en el aluminato. El hidrógeno, en cambio, pasa de 3 a 0. Entonces tenemos que el aluminio se a oxidado, a perdido 3 electrones; y el hidrógeno se a reducido, a ganado esos 3 electrones.
El aluminio y el hidrógeno, en esta reacción, son lo que se llama pares redox y se pueden representar de la siguiente manera:
Sabiendo esto, ahora podemos balancear la reacción de la siguiente manera:
- Empezando por el hidrógeno, hay 3 al principio con lo que hay que poner 3 al final
- Al hacer esto nos encontramos que ahora hay 6 hidrógenos al final pero solo 3 al principio, con lo cual habrá que aumentar el hidrógeno del principio de la reacción
- Con esto tendremos el hidrógeno balanceado pero hemos hecho crecer el número de sodio y oxígeno del principio. También lo tendremos que hacer crecer al final
- Por último nos queda el aluminio que en esta última operación a pasado a 2 al final por lo que le pondremos un 2 al principio
Con todo esto, por fin tendremos la reacción bien balanceada, hay lo mismo en ambos lados. Y ahora la pregunta del millón: ¿Para qué sirve todo esto?
Cantidades
Toda la teoría que hemos visto hasta aquí está muy bien, es interesante, explica lo que sucede cuando mezclamos aluminio y sosa cáustica (y bla, bla,bla), pero ¿para qué? ¿a dónde nos lleva todo esto? Esto nos lleva a poder calcular las cantidades de cada sustancia (reactivo), que necesitamos para la reacción.
Así podremos saber, por ejemplo, cuánto gas hidrógeno vamos a producir en función del aluminio que tengamos al inicio.
Si te has fijado, al principio, cuando he puesto por primera vez la reacción, lo he hecho usando los recuadros de la tabla periódica para cada elemento. Allí salen datos como el estado de oxidación, el número atómico, la abreviatura y la masa atómica (os he puesto un enlace hacia Wikipedia por si quieres saber más sobre la masa atómica, pero para resumir es lo que pesa un mol de sustancia expresada en gramos).
Para los elementos de este experimentos tenemos las siguientes masas o pesos atómicos:
Y si ahora pasamos estos pesos a la reacción balanceada, queda tal que así:
Estas son las cantidades de cada substancia que tendríamos para completar la reacción y no desperdiciar ningún reactivo. Como se puede ver, respetamos la conservación de masas ya que en ambos lados de las flechitas tenemos 170gr, una muestra más de que tenemos la reacción bien balanceada.
Aquí quedaría poder pasar los gramos de hidrógeno a un volumen, ya que el hidrógeno es un gas y saber la cantidad que se forma en la reacción en gramos, a priori, no es muy útil. Para ello se usa la ecuación para gases ideales que es la siguiente:
Que aplicada al hidrógeno de esta reacción nos da:
En ocasiones está ecuación se simplifica y, a groso modo, se suele decir que un mol de gas equivale a 22,4l (En esta aproximación, no se tiene en cuenta la temperatura solo se coge el valor de 273ºK, de ahí las posibles variaciones)
Ahora si que ya tenemos todo lo necesario para realizar el experimento. Faltará, aún, alguna cosilla (Como preparar la solución de sosa cáustica), pero lo veremos en las siguientes secciones.
Materiales
Para realizar este experimento he usado:
- 2 botes de vidrio
- Tubos
- Conexiones
- Hidróxido de sodio (Sosa cáustica)
- Agua
- Aluminio
Además será necesaria una balanza, cuchilla, taladro, vaso más agitador (para preparar la disolución) y otros materiales para la demostración final que encontraréis en el vídeo
Concentración de sosa cáustica
Para realizar este experimento se tendrá que preparar una disolución de sosa cáustica la cual tendrá una concentración determinada. Dado que la sosa cáustica comercial tiene una pureza del 98-99% y que la relación de peso-volumen en el agua es prácticamente de 1 a 1 (1l de agua pesa 1kg a efectos prácticos), realizaremos la disolución por porcentaje en peso, ya que es un método fácil y directo.
Este método es tan fácil como decir que si la disolución final es el 100%, si queremos una disolución del, por ejemplo, 40% de sosa cáustica, pesaremos 40gr de sosa y luego 60gr (o 60ml) de agua. Se disuelve del todo la sosa y ya tendríamos esta disolución del 40% de sosa cáustica.
Antes de empezar, realicé 4 disoluciones con diferentes concentración para hacer algunas pruebas y determinar cuál era la mejor para el experimento, estas estaban comprendidas entre el 5, 10, 20 y 30%.
Al final, para el experimento, realizaré una disolución con una concentración del 10% en peso.
Aluminio para la reacción
El aluminio empleado para llevar a cabo el experimento vendrá de latas de refresco y cerveza y papel de aluminio, todo de la basura. Las latas habrá que pulirlas un poco antes de ponerlas en contacto con la sosa caustica, ya que llevan un recubrimiento en ambos lados para proteger el aluminio y que entorpece la reacción.
Aproximadamente, he preparado muestras del 50% de aluminio de latas y 50% de papel de aluminio.
Configuración del experimento
La configuración o montaje de este experimento constará de los dos botes de vidrio, uno será el reactor (donde se producirá la reacción aluminio sosa), y el otro se usará como para limpiar el hidrógeno producido y como cortafuegos entre las pruebas que realizaré con el hidrógeno y el generador.
La tapa del bote generador le he hecho un orificio por donde saldrá un tubo hacía el segundo pote. He usado unos pasamuros de aire comprimido para hacer la conexión entre el interior y el exterior del bote. A la tapa del segundo bote le he hecho dos agujeros usando el mismo sistema, en uno entrará el gas con un tubo hasta el fondo y el otro será la salida del gas. Esta salida será la que utilizaré para hacer las demostraciones de lo que se puede llegar a hacer con el hidrogeno.
Resultado
En el siguiente vídeo encontrarás la práctica de este experimento con la preparación de las disoluciones, el montaje, los resultados y una demostración de lo que se puede llegar a hacer con el hidrógeno que se genera:
¡ESPERO QUE TE HAYA GUSTADO!
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