ISBN: 978-0-615-93971-1
XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC
LUCES LED EN UN CIRCUITO DE FRUTAS Eduardo Capistran Romero, Sergio Cisneros Hernández, Daniel Ballesteros Álvarez, Max Núñez Delgado, Stephanie Suarez Salman & Jorge Mata-Ramírez* FACULTAD DE INGENIERÍA ARQUITECTURA Y DISEÑO CARRETERA TRANSPENINSULAR ENSENADA-TIJUANA NUMERO 3917, COLONIA PLAYITAS. Ensenada, B.C., C.P. 22860. Teléfono 646-1750744, Fax 646-1744333. * E-mail: Stephanie.suarez@uabc.edu.mx Abstract. Elaboramos un circuito eléctrico hecho a base de frutas naturales las cuales que se conectan a unas luces LED. En este experimento las frutas funcionaban como una batería por medio de una grapa de zinc galvanizada y un cople de cobre y cada fruta. Conectando más de seis frutas cítricas en serie teníamos como resultado un voltaje suficiente para encender dos luces LED ya que en las frutas cítricas se llevaba a cabo una reacción electroquímica que nos producía energía eléctrica.
Palabras claves:Reacciones electroquímicas, reducción, oxidación, electrones, solución electrolítica, circuito eléctrico, luces LED. .
liberados en el electrolito se combinan. El flujo de electrones que pasan a través del cable o el medio constituyen potencial eléctrico de la batería. La materia en sus diferentes aspectos, y muchas soluciones que utilizamos todos los días contienen partículas cargadas positivamente y negativamente, esto incluye la mayoría de frutas y verduras, que para este proyecto experimental las podemos utilizar como un electrolito. Los Metales (como el cobre y hierro) que tienen diferente manera de transportar a los protones y electrones que los componen, nos sirven como medios de transporte para las reacciones electroquímicas que aquí describiremos y realizaremos. Este conjunto de conocimientos es la base de nuestro proyecto y se apoya en el hecho de que los estudiantes aprenden sobre los procesos de la electroquímica a través de actividades que combinan la ciencia y la ingeniería detrás de las baterías. El conocimiento obtenido a través de estos, nos lleva a construir una batería económica a partir de frutas naturales.
1. Introducción En las ferias de ciencia, en nuestra casa y en el laboratorio, las actividades manuales nos ayudan a visualizar de manera objetiva y así entender como ocurren muchos de los procesos electroquímicos. Muchos conceptos elementales sobre electroquímica se puede aprender a partir de las actividades experimentales relacionadas con las pilas y las baterías que comúnmente utilizamos. Sumado a esto, podemos entender y relacionar estos conceptos de electricidad y cargas con el uso adecuado de un equipo de medición como es el caso de un Multímetro, esto nos ayuda a explicar de mejor manera en que consiste nuestro experimento. Muchas moléculas fácilmente "ceden" electrones y / ó protones a una solución, y por otra parte, otras moléculas los aceptan fácilmente. Podemos decir entonces que dentro de las soluciones la función de estas moléculas es lograr de alguna manera una estabilidad eléctrica. Cuando utilizamos una batería, un polo (comúnmente denominado ánodo) transfiere fácilmente los protones (carga) a la solución (llamada electrolito) de la misma manera, los electrones viajarán desde otro polo (para mantener la estabilidad) a través de un cable o algún tipo de conductor, para que finalmente lleguen al otro polo (cátodo), que tiende recibe los electrones. En una solución los electrones desde el cátodo y los protones
Recordemos que en la transferencia de electrones entre átomos, un donador de electrones se denomina agente reductor, un aceptador de electrones se denomina comúnmente como agente oxidante. Cuando un agente reductor dona electrones, se dice que se ha oxidado; cuando un agente 17
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oxidante acepta electrones, se dice que se ha reducido. La oxidación y la reducción ocurren siempre simultáneamente; si un átomo o ion dona un electrón, otro átomo o ion debe de aceptarlo [1].
2. Materiales y Métodos Materiales: Frutas cítricas, casa hecha de madera con cuadricula, caimanes, coples de cobre, grapas galvanizadas, diodos LED (Light-Emitting Diode: ‘diodo emisor de luz’) y cables de red. Diseño: Circuito hecho con frutas haciendo estas el papel de baterías. Entorno: Universidad Autónoma de Baja California; XX jornadas de Ingeniería. Equipo: Multímetro para medir el voltaje de las frutas en el circuito.
En muchos de los procesos biológicos, las células-moléculas donantes de ioneselectrones liberan un electrón durante la respiración celular, lo cual se transforma en la liberación de energía [2-4]. Algunos de los micro-organismos más elementales como es el caso de las bacterias, obtienen energía en los procesos en los que está involucrada la transferencia de electrones [2-3]. El proceso de donación y aceptación de electrones es reversible. Por ejemplo, bajo unas condiciones determinadas el cadmio metálico puede donar electrones y transformarse en iones Cd2+, como lo hace cuando se trata con HCl, Cd + 2H
3. Parte Experimental. Una corriente eléctrica es un flujo de electrones a través de un conductor. Muchas reacciones de transferencia electrónica pueden disponerse de manera que los electrones donados por el agente reductor sean obligados a fluir a través de un hilo conductor hasta llegar al agente oxidante. Una disposición de este tipo se denomina batería o célula electroquímica (galvánica). En este caso la reacción de transferencia electrónica que produce la corriente es:
(Cd2+) + H2.
O bajo otras condiciones, el ion Cd2+ puede aceptar electrones y ser reducido a Cd metálico, como ocurre cuando se pone en contacto con Zn metálico:
Zn + (Cu2+) (Cd2+) + Zn
(Zn2+) + Cd
(Zn2+) + Cu
En nuestro proyecto pusimos en práctica esta reacción. Colocando una grapa galvanizada en una fruta cítrica (por su concentración acida) y un cople de cobre. El ácido de la fruta provocaba la “descomposición” de los metales para ceder electrones que fluían entre ellos. La unidad del potencial de reducción se expresa en voltios (V).
Los agentes reductores difieren en su facilidad para donar electrones, Por ejemplo, Zn metálico puede donar electrones a Cd2+ para producir Cd metálico y Zn2+, pero Cd metálico es incapaz de donar electrones a Zn2+ para producir Zn metálico y Cd2+. Esto ilustra el hecho de que Zn metálico es un agente reductor más fuerte que Cd metálico [2].
Al tener ya varias frutas sometidas a este procedimiento continuamos colocándolas en los nichos de la cuadricula de la casa de madera y conectándolas en serie con caimanes, tal y como si estos fueran baterías, siendo la grapa de cinc el polo negativo y la parte de cobre el polo positivo. Finalmente soldamos los cables de red a las terminales positivas y negativas de los diodos LED para conectar todo el circuito y
Una reacción de transferencia electrónica reversible escrita en la forma ne- + agente oxidante agente reductor se denomina una semireacción por que no puede transcurrir a menos que se acople con otra semireacción que transcurra en sentido opuesto. 18
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de esta menara comenzar a hacer nuestra explicación a los alumnos.
* Las mediciones eléctricas en las frutas fueron efectuadas con un Multímetro marca Steren. 4. Resultados y Discusión. Resultados: Conectando las frutas haciendo el papel de baterías y las luces en paralelo conseguíamos prender dos luces LED pero también dependía de la cantidad de frutas cítricas, tal y como muestra la tabla 1. Como dato curioso pudimos observar que la manzana y que incluso una uva tenían más de 1 Volt, pero lo que sucedía al momento de conectar el circuito era que teníamos menos voltaje total que el esperado al sumar el voltaje de cada manzana. Discusión:
Figura 1. Dos manzanas y dos peras con coples de cobre y grapas galvanizadas en la casa para el circuito.
Cuando elaboramos este experimento quisimos comprobar si sólo se podía llevar a cabo con las frutas cítricas, ya que en todos los sitios de internet mencionaban solo el uso de cítricos, así que nosotros intentamos hacer el experimento con distintas frutas y verduras. Observamos que sí se logra conseguir resultados de corriente con manzana, peras, cebollas, etc., pero pudo ser realmente costoso usar otras frutas poco acidas por la razón de usar más de 12 de ellas para encender 2 luces LED.
Figura 2. Daniel Ballesteros, soldando los cables red a las luces LED en la casa para el circuito. Tabla 1. Resultados de voltaje en frutas*. Cantidad de fruta
Luces LED
Voltaje
6
2
5.08 V
8
2
6.86 V
10
2
8.98 V
12
2
10.65 V
Voltaje promedio por fruta
0.86V<V<1.02V
Figura 3. Stephanie Suarez y Max Núñez con el proyecto Luces LED en circuito de Frutas. 19
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A pesar de que resulta ser un experimento bastante sencillo de hacer, nos pareció difícil de explicar lo que sucedía con estas frutas a los niños de primaria, y sobre todo a niños de kínder. Solo tratamos de no usar palabras que no entendieran y usamos analogías para que tuvieran una idea de lo que se llevaba a cabo en este proyecto.
5. Conclusiones Las frutas ácidas tienen un sabor agrio y reaccionan con ciertos metales desprendiendo hidrógeno. Las disoluciones acuosas de los ácidos conducen la electricidad (jugo de limón). Las frutas básicas tienen sabor amargo e igualmente, las bases disueltas en agua, conducen la electricidad ya que al igual que los ácidos se ionizan o disocian presentando iones oxidrilos OH-. la explicación del por qué estos ácidos- bases de las frutas disueltos en agua conducen la electricidad, se debe a que estos al disolverse se ionizan, estos iones y ocasionan su conductividad. Recordemos que una base al disolverse en agua incrementa la concentración de los iones hidróxido (OH-). Es importante mostrar aquí que si quisiéramos repetir este tipo de experimentos, es conveniente utilizar algunas frutas en vez de otras, es decir, las frutas que tiene un PH más ácido producen mayor corriente que las otras. Por ejemplo la manzana, a pesar de que esta tiene mayor voltaje por sí sola, entre un circuito hecho únicamente de manzanas el voltaje total no es el esperado; esto debido a que los electrones que se ceden en la reacción no son tantos por el medio poco ácido de las manzanas o cualquier otra fruta no cítrica.
Figura 5. Presentación del experimento durante las jornadas a un alumno visitante. 6. Bibliografía. [1].- R. Nelson Smith, Conway Pierce. Resolución de problemas de química general, 485 páginas, Editorial Reverté (1991). [2].- G. William Daub, William S. Seese. Química, Editorial Pearson Educación, 652 páginas (1996). [3].- David L. Nelson, Lehninger: Principios de Bioquímica, 5ª edición, ISBN 9788428214865, editorial omega, 1296 págs.(2007). [4].- Gilberto Enríquez. Electricidad básica y experimentos, ISBN 9786070503184, Editorial HARPER, 270 págs. (2011). [5].- Paul Tipler, Gene Mosca Física para la Ciencia y la Tecnología (vol. II) (6ª ED.), Editorial Reverté, 513 págs. (2010).
Figura 4. Eduardo Capistran, mostrándoles a niños de primaria como funcionaba el circuito.
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