P1• ¿Cómo se sintetiza un material elástico?

A lo largo del curso de Ciencias III has desarrollado y aplicado aprendizajes y competencias para trabajar en ciencias. En este bloque sometemos a tu consideración un conjunto de proyectos, de los cuales deberás seleccionar el que más te interese. El desarrollo de estos proyectos te brinda de nuevo la oportunidad de integrar los conocimientos y habilidades que has adquirido durante todos tus cursos de Ciencias. Ésta es una oportunidad perfecta para dejar salir al científico que llevas dentro. La química es una ciencia experimental, y los conocimientos generados PROYECTOS por ella se han obtenido a través del trabajo en el laboratorio. Ahora es tu turno. ¡Manos a la obra!

A lo largo del curso de Ciencias III has desarrollado y aplicado aprendizajes y competencias para trabajar en ciencias. En este bloque ponemos a tu consideración un conjunto de proyectos, de los cuales deberás seleccionar el que más te interese. El desarrollo de estos proyectos te brinda de nuevo la oportunidad de integrar los conocimientos y habilidades que has adquirido durante todos tus cursos de Ciencias. Ésta es una oportunidad perfecta para dejar salir al científico que llevas dentro. La química es una ciencia experimental, y los conocimientos generados por ella se han obtenido mediante el trabajo en el laboratorio. Ahora es tu turno. ¡Manos a la obra!

Aprendizajes esperados

• Plantearás preguntas, realizarás predicciones, formularás hipótesis con el fin de obtener evidencias empíricas para argumentar tus conclusiones, con base en los contenidos estudiados en el curso. • Diseñarás y elaborarás objetos técnicos, experimentos o modelos con creatividad, con el fin de que describas, expliques y predigas algunos procesos químicos relacionados con la transformación de materiales y la obtención de productos químicos. • Comunicarás los resultados de tu proyecto mediante diversos medios o con ayuda de las tecnologías de la información y la comunicación, con el fin de que la comunidad escolar y familiar reflexione y tome decisiones relacionadas con el consumo responsable o el desarrollo sustentable. • Evaluarás procesos y productos considerando su efectividad, durabilidad y beneficio social, tomando en cuenta la relación del costo con el impacto ambiental.

Los materiales elásticos están por todos lados (figura 1), lo cual indica claramente que nuestra sociedad los utiliza en forma creciente.

Eso se debe a que a mediados del siglo pasado se empezaron a sintetizar de manera industrial diversos materiales cuyas características mejoraron la calidad de vida de las personas y poco a poco fueron sustituyendo a los materiales tradicionales como el hierro, la madera y el cartón, entre otros. Tal es el caso de los elastómeros, que son polímeros de alto peso molecular con una propiedad que los hace diferentes a los otros (fibras y plásticos): la elasticidad; por ejemplo, el hule o caucho puede aumentar más de 10 veces su longitud y regresar a su tamaño original. Y hay otros cuya longitud puede incrementarse hasta un 400% cuando son sometidos a una fuerza externa, pero también regresan a su longitud original cuando la fuerza deja de actuar. ¿Te lo puedes imaginar?

a

b

FIGURA 1. Los materiales elásticos poseen propiedades muy diversas (a), gracias a las cuales tienen innumerables aplicaciones, desde las domésticas hasta las aeroespaciales (b).

primer A p A rte

¿Qué materiales son elásticos?

Recaben, en equipo, la información necesaria que les permita dar respuesta a las siguientes preguntas: • ¿Qué características tienen los materiales elásticos y dónde los utilizamos? • ¿Qué tipo de materiales son elásticos? ¿Cómo se clasifican? • ¿Podrías encontrar la razón “química” de por qué estos materiales son elásticos? • ¿Cómo se fabrican los materiales elásticos? • ¿Cómo se reciclan y reutilizan los materiales elásticos?

Expliquen sus respuestas Discutan en grupo los resultados de su investigación y sus reflexiones. Elaboren entre todos un periódico mural que les permita compartir sus resultados con los miembros de su comunidad escolar.

1. Forma equipo con tus compañeros y, a partir de la información recopilada en la primera parte de este proyecto, seleccionen tres de los polímeros que más utilicen.

2. Investiguen las características de estos polímeros: su estructura y sus métodos de síntesis. 3. Dibujen en su cuaderno la estructura de Lewis de estas sustancias. Identifiquen en ellas las unidades que se repiten en el espacio. 4. Elaboren un modelo tridimensional de un polímero en el que se muestren los cambios que éste sufre ante la compresión y la elongación. 5. Comparen sus modelos y estructuras con los de sus compañeros de grupo. • ¿Cuál de los modelos que elaboraron representa mejor las propiedades elásticas de los polímeros?

ActividAd previA

segund A p A rte

Materiales elásticos: su estructura y propiedades

Antes de comenzar, sería conveniente precisar que, en sentido estricto, la palabra “plástico” debería usarse exclusivamente para referirse a aquel material que se deforma por la acción de una fuerza, pero que cuando ésta deja de ejercerse el material no regresa a su forma original. Es decir, un material plástico es aquel que podemos moldear, por ejemplo, la plastilina, que es plástica (de ahí su nombre). Muchos de los materiales a los que llamamos “plásticos” no lo son. Por otro lado están los materiales elásticos, los cuales, al igual que los plásticos, se deforman por efecto de una fuerza, aunque estos materiales sí recuperan su forma original cuando la fuerza ya no actúa sobre ellos; por ejemplo, una liga no es plástica, sino elástica. Muchos materiales elásticos lo son hasta cierto punto, pues si la fuerza aplicada sobre ellos rebasa ciertos límites, el material se deforma de manera permanente. De la misma manera, muchos materiales plásticos son también elásticos si la fuerza aplicada para deformarlos es muy débil. De hecho, ésta es la razón por la que los vasos de plástico rígido rebotan al caerse, pues también son ligeramente elásticos.

Los químicos han aprendido a preparar una amplia gama de polímeros (a los que, de manera común, se les llama plásticos) cuyas propiedades son muy diversas. No sólo la elasticidad o plasticidad puede modificarse a voluntad, sino que también es posible modificar muchas otras propiedades, por ejemplo, es posible preparar polímeros aislantes o conductores de la electricidad, o resistentes a las altas temperaturas, o bien polímeros que mantienen su elasticidad incluso a muy bajas temperaturas.

Parecería que los materiales con propiedades plásticas y elásticas (figura 2) son un invento de los químicos, pero no es así. En la naturaleza encontramos múltiples ejemplos de materiales poliméricos con ambas propiedades: el caucho (también conocido como hule natural), la celulosa (que permite a un árbol doblarse sin romperse), el colágeno de nuestros tendones y cartílagos o incluso la masa de pan antes de meterla al horno, son ejemplos de materiales elásticos.

Sin embargo, ¿por qué estos materiales tienen propiedades tan singulares? ¿Qué hace que un material sea plástico o elástico? ¿Hay alguna semejanza en su estructura? ¿Cómo pueden modificarse las propiedades elásticas de un material?

Todas estas preguntas y muchas otras podrán resolverse al abordar esta parte del proyecto.

FIGURA 2. Los materiales elásticos tienen propiedades poco comunes. ¿Por qué? El desarrollo de este proyecto te permitirá conocer un poco más sobre estos sorprendentes materiales.

1. Planeación

Elijan un tema El tema de los materiales elásticos es muy vasto, por lo que seguramente les sobrarán opciones para desarrollar este proyecto. A continuación se listan algunos temas posibles: • ¿Qué tipos de materiales elásticos hay? ¿A qué se debe la propiedad elástica de los elastómeros? ¿Cómo se obtienen los elastómeros? • ¿Qué es el caucho natural y de dónde se obtiene? ¿Qué propiedades tiene? ¿Desde cuándo se obtiene? ¿Cuáles son sus usos? ¿Qué países son los principales productores de éste? • ¿Qué es la gutapercha? ¿De dónde se obtiene? ¿Cuáles son sus usos? • ¿Desde cuándo se elabora el caucho sintético? ¿Cuáles son sus propiedades? ¿Cómo se sintetiza? ¿Qué es la vulcanización? ¿Cuáles son sus usos? ¿Cómo se sintetizan el caucho sintético (snr), el poli (estireno-co-butadieno) (sbr) y los cauchos nitrilo, butilo, neopreno y termoplástico? • ¿Cómo se reciclan estos materiales? ¿Cómo se hacen la reutilización, el recauchutado y el reciclado de neumáticos? • ¿Cómo se puede preparar un polímero elástico utilizando materias primas de origen natural (como gelatina, almidón o caseína)? • ¿Cómo se puede preparar un polímero sintético (por ejemplo, a partir de bórax y pegamento blanco)? • ¿La variación del proceso de preparación de un polímero puede alterar sus propiedades? ¿Cómo afectan las diferentes variables de la síntesis (temperatura, concentración de reactivos, catalizadores) las propiedades de un polímero elástico? • Recuerden que pueden proponer cualquier tema relacionado con la síntesis de materiales elásticos.

Lee más... 2. Desarrollo

Les recomendamos las siguientes lecturas, que les ayudarán a plantear su proyecto. Las pueden descargar de las direcciones electrónicas que se citan a continuación:

Terminología básica usada en polímeros: www.ehu.es/reviberpol/pdf/ publicados/cristobal1.pdf La gutapercha: www.iztacala.unam.mx/rrivas/NOTAS/ Notas12Obturacion/gutapercha.html Manufactura del caucho: http://portaldace.mineco.gob.gt/sites/ default/files/unidades/oportunidades/ Fichas%20T%C3%A9cnicas/ Fichas%20T%C3%A9cnicas%20 -%20Productos%20de%20 Inter%C3%A9s%20para%20la%20 Uni%C3%B3n%20Europea%202008/ Ficha05%20-%20Manufacturas%20 de%20Caucho.pdff Reciclado de neumáticos fuera de uso, y la reutilización del caucho: campus.fi.uba.ar/file.php/295/ Material_Complementario/ Reutilizacion_Reciclado_y_Disposicion_ final_de_Neumatico.pdf

Elaboren la hipótesis o determinen el objetivo de su proyecto Dependiendo del tema elegido, planteen una hipótesis que, como ya saben, es una suposición que pueden escribir como respuesta a su pregunta. La pregunta puede estar relacionada, por ejemplo, con el mejor método que usarán para preparar un polímero elástico o con la variación de las propiedades elásticas de los polímeros en función de las variables que intervienen en su preparación, como la cantidad de reactivos, la temperatura, etcétera.

Propongan una metodología Recuerden que es muy importante planificar la actividad tomando en cuenta el método que van a seguir para responder su pregunta o hipótesis, por ejemplo, cómo obtendrán su polímero, qué esperan lograr, cómo lo harán, etcétera, con el fin de que cuenten con el material y las sustancias necesarios para llevar a cabo su proyecto y dispongan del tiempo suficiente para realizar todas las actividades. Investigación previa Como en todos los proyectos, es importante realizar primero una investigación en distintas fuentes (bibliográficas, hemerográficas, de internet) que les permita conocer y entender aspectos relacionados con los materiales elásticos. La profundidad de la investigación la decidirán ustedes con base en la pregunta inicial y en el título y objetivo del proyecto.

Una vez elegido el tema, algunos puntos por investigar pueden ser los siguientes: • Propiedades de los materiales elásticos y sus usos. • Clasificación, reciclaje y reutilización de los materiales elásticos. • Uno o más métodos de obtención de un polímero elástico. • Representación de los polímeros con modelos. • Relación de la estructura de un polímero elástico con sus propiedades. • Ventajas y desventajas de su uso comparados con otros materiales. • En qué casos los polímeros han sustituido el uso de metales, madera, vidrio, cuero, cerámica y otros materiales.

Con base en la información recabada en su investigación, pueden diseñar algunos experimentos para identificar y cuantificar las propiedades de los distintos polímeros elásticos. En este proyecto no sólo es posible preparar polímeros elásticos, sino también analizar sus propiedades y con ello explicar por qué han sustituido a otros materiales.

Reúnan y analicen la información Una buena forma de hacer esto es mediante tablas o gráficas que les permitan observar fácilmente las relaciones causa-efecto, es decir, las relaciones entre lo que hicieron y la modificación del comportamiento observado, y si los modelos construidos les ayudaron a entender mejor la relación entre la estructura y las propiedades observadas.

Conclusión Recuerden que la conclusión siempre tiene que estar relacionada con la hipótesis o el objetivo planteado al inicio de su proyecto (si alcanzaron o no su objetivo o si confirmaron o rechazaron su hipótesis) y con las razones que sustentan esa conclusión.

Escriban su informe Elaboren un informe de su proyecto para entregarlo al maestro. No olviden incluir el método elegido para medir la elasticidad y otras propiedades de su polímero o polímeros, así como las gráficas o tablas de sus observaciones experimentales.

3. Comunicación

Para dar a conocer sus resultados pueden preparar una presentación con carteles o en computadora, o elaborar un tríptico que contenga los resultados más relevantes de su proyecto.

4. Evaluación

Evalúen los resultados de su proyecto y de la difusión del mismo. ¿Qué habilidades desarrollaron al elaborar este proyecto? ¿Consideran que lo visto en el proyecto les permitió entender y aplicar lo que se estudió en el curso? ¿Cambió su visión sobre las contribuciones de la química y la tecnología?

Les recomendamos el siguiente video, que su maestro puede conseguir en bibliotecas públicas, o bien, por internet o en algún Centro de Maestros: The Annenberg/CPB Project (Productor). (1990). El Mundo de la Química, volumen II [VHS]. Buenos Aires.