Comparación de electro conducción en las principales bebidas

Comparación de electro conducción en las principales bebidas hidratantes
del mercado salvadoreño
Número de candidato: 004660-0001
1
Introducción
El experimento consiste en la medición de la electro-conductividad de varias
bebidas energéticas y bebidas estimulantes, que son las principales en el mercado
salvadoreño. El tema de los electrolitos tiene mucha relación, con los seres vivos,
debido que estos cumplen muchas funciones esenciales para la vida, tal como la
Bomba de Potasio-Sodio. Este tema me intereso mucho debido que, estas bebidas
energéticas como Hi-extreme solo están presentes en Latinoamérica, así que no
son habituales a hacerse pruebas ni experimentos, además que este tema me
permite unir los fenómenos químicos y biológicos con la electricidad, que se llevan
a cabo en los seres vivos, en cada momento de la vida, así manteniendo el
funcionamiento de los órganos, y de suplir la cantidad de agua necesaria.
La base detrás del experimento, son los electrolitos, la conductividad eléctrica y los
procesos biológicos. Se puede definir conductividad eléctrica como: “La medida de
la capacidad de un material o sustancia, para dejar circular libremente la corriente
eléctrica”1. Esta se subdivide, en la rama de la conductividad a través de los fluidos,
que está permitida por los electrolitos. Y los electrolitos son “Solución de iones
capaz de conducir corriente eléctrica. Los electrólitos participan en los procesos
fisiológicos del organismo, manteniendo un sutil y complejo equilibrio entre el medio
intracelular y el medio extracelular.”2. Estos iones son los que dentro de la solución
crean dos polos, uno negativo y uno positivo, así permitiendo el paso de la corriente
eléctrica. Las funciones que estos ejercen sobre el organismo, son varias, pero las
que destacan son: Mantener el volumen de sangre, la cantidad de sudor, el flujo de
la sangre, la acidez de la sangre(pH).3 Uno de los proceso esenciales en el
organismo y que funciones a través de los electrolitos es la bomba de sodio-potasio,
que permite el intercambio de ambos electrolitos , a través de un transporte activo
con ATP que estimula la bomba para expulsar al Na del citoplasma, y a su vez, abrir
la bomba para dejar entrar el Potasio. Esto contribuye al potencial eléctrico del
cuerpo, para realizar diferentes procesos biológicos. Existen diferentes electrolitos
en la naturaleza, pero los más comunes son: “Calcio, cloruro, magnesio, fosforo y
sodio”
Pero a su vez, este experimento posee una base teórica, en la rama de la
electricidad. Así se incluyen los temas de amperaje y resistencia. Se puede definir
amperaje como: “Unidad de intensidad de corriente eléctrica del sistema
internacional, equivalente a la intensidad de una corriente constante que, al circular
por dos conductores paralelos y rectilíneos, colocados a la distancia de un metro
uno de otro en el vacío, produciría entre dichos conductores una fuerza de dos
1
Paul Tipler (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary
Modern Physics (5th edición). W. H. Freeman.
2
Enciclopedia Salud http://www.enciclopediasalud.com/definiciones/electrolito
3
Chemistry of PowerAde http://www.chemistryislife.com/the-chemistry-of-powerade
2
diezmillonésimas de newton por cada metro de longitud.”4. Así, el amperio como
medida de la intensidad de la corriente eléctrica, existe una medida de la oposición
de la corriente, y este es el ohmio Ω. El ohmio es la unidad de la resistividad
eléctrica, y tiene una relación con el amperaje y el voltaje. El experimento se basará
en medir, a través de fórmulas la resistividad de los fluidos, y compararlos entre sí.
Objetivos
El objetivo de esta práctica es medir, e investigar la conductividad de diferentes
bebidas energéticas dentro del mercado salvadoreño, que dicen contar con la con
presencia de electrolitos. Debido que nuestro cuerpo los necesita para las funciones
más básicas.
Pregunta de Investigación
De todas las bebidas principales del mercado salvadoreño ¿Cuál es la bebida
hidratante más electro conductora?
Hipótesis
La conductividad eléctrica en un fluido está dada por la cantidad de electrolitos
presentes en la bebida o fluido, o también llamados iones positivos y negativos.
Dando como resultado que la bebida con mayor cantidad de electrolitos presente
será la que posee la mayor conductividad de todas las bebidas medidas en el
experimento se tomar. Existen diferentes tipos de factores que pueden influir en la
solución. Por lo cual la hipótesis será que la bebida con mayor contenido de sodio
será la que conduzca mejor la corriente
Variables
Variable independiente:
Tipo de bebidas
Variable dependiente:
Resistividad e Intensidad
4
Real Academia Española http://dle.rae.es/?id=2RZRSMR
3
Variables controladas:
Temperatura
Cantidad
Distancia entre las dos puntas
Dejando
las
bebidas
a
una
temperatura ambiente por una hora.
Se usó una cantidad determinada de
50ml de cada bebida
Se colocaron las puntas a los bordes
de la placa de Petri, y su diámetros es
de 10.5 cm
Materiales
1. Cable conductor
2. Foco Ahorrador de 14w 110-120v de 195mA marca Phillips
3. Multímetro Digital con puntas
4. 2x pinzas tipo cocodrilo
5. Interruptor
6. Convertidor de 3 puntas a 2 puntas
7. Socket para foco 110-120v
8. Sal
9. Agua destilada
10. Bebidas energizantes: Raptor, Hi Energy y Amp
11. Bebida isotónica: Powerade y Gatorade
12. Placa de Petri
13. Guantes aislantes
14. Cinta Aislante
15. Destornillador aislado
Procedimiento
1. Colocarse guantes aislantes.
2. Conectar el cable al socket y hacer las conexiones con el interruptor, y partir
el cable en dos puntas para conectarlas al fluido, (sin electricidad para evitar
accidentes)
3. Colocar el foco en el socket
4. Encender el multímetro y colocarle las puntas tipo cocodrilo, después
conectarlo en modo voltímetro. (Colocarlo en AC)
5. Se coloca en la placa de Petri el fluido a medir hasta un nivel previamente
determinado(50ml).
6. Colocar las dos puntas del cable en el fluido, separadas una de la otra por el
recipiente de Petri a 10.5cm
7. Conectar el circuito en a la corriente del laboratorio.
4
8. Observar la iluminación del foco
9. Colocar las dos puntas del multímetro en los terminales del foco.
10. Tomar datos del voltaje obtenido.
11. Luego conectar el multímetro en los terminales del interruptor, y colocar el
multímetro en modo para medir amperaje.
12. Repetir el procedimiento para cada bebida.
13. Medir el voltaje y la intensidad de la corriente, en el cable sin conectar al
fluido, y conectarlo al agua con sal. Medir los datos y comparar
Resultados
Los datos recolectados incluyen las mediciones de las diferentes bebidas en la placa
de Petri. En la mayoría de multímetros digitales la incerteza acerca de las lecturas
es del 2%, pero al investigar la marca de este multímetro este posee una incerteza
del 1%. Esto resulta en la variación en el caso del voltaje de ± 0.5 voltios. En la
corriente de ±0.0001 A. Esta incerteza puede ser causada por: “La deriva, la
desviación y el ruido hallados en las señales de entrada del medidor que
condicionan los circuitos y los errores asociados a los procesos de conversión de
analógico al digital, como el ruido y la linealidad del rango.”5
Tabla 1
Voltaje
Resistencia Voltaje con Cantidad
Fluido(Bebida) entrada(V) Corriente(A) (Ω)
foco(V)
de sal
Hi Energy
120
0.027
4444.44
52
45mg
Raptor
120
0.021
5714.29
53
40mg
AMP
120
0.017
7058.82
52
55mg
Gatorade
120
0.030
4000.00
54
110mg
Powerade
120
0.023
5217.39
54
100mg
Agua
0mg
destilada
120
0.011
10909.09
48
Agua con sal
120
0.192
625.00
115
1g
5
Fluke http://www.fluke.com/fluke/sves/support/biblioteca/Incertidumbre-de-medida.htm
5
Grafico 1
Corriente(A)
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
Agua con sal
Gatorade
Hi Energy
Powerade
Raptor
Agua destilada
AMP
Grafico 2
Resistencia (Ω)
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Hi Energy
Raptor
AMP
Gatorade
Powerade Agua destilada Agua con sal
Grafico 3
Voltaje con foco(V)
Hi Energy
Raptor
AMP
Gatorade
Powerade
Agua destilada
Agua con sal
6
Grafico 4
Cantidad de sal
1200
1000
800
600
400
200
0
Agua con sal
Gatorade
Powerade
AMP
Hi Energy
Raptor
Agua destilada
Tabla 2
% de conductividad en
Fluido(Bebida) relación al agua con sal
Hi Energy
14%
Raptor
10%
AMP
8%
Gatorade
15%
Powerade
11%
Agua
5%
destilada
Análisis de los resultados
Haciendo un análisis de los resultados se observa que el agua con sal es el más
electro-conductor de todos los fluidos, debido a su cantidad grande de sodio con
cloro disuelta que forma los iones positivos y negativos (electrolitos) para el paso
de la electricidad. Por otro lado, el menos conductor de todos es el agua destilada
sola., esto debiéndose por la falta de sodio en la solución. Además del sodio existen
diferentes electrolitos presentes en las bebidas que son necesarios para el
funcionamiento del cuerpo humano. Uno de ellos es el potasio, que es un electrolito
del tipo positivo. El sodio y el potasio están presentes en las dos bebidas isotónicas.
Al enfocarse únicamente en las bebidas energéticas e isotónicas se observa, en la
gráfica 2 y en la tabla que la bebida con menor resistencia y con mayor intensidad
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de corriente es la “Gatorade”, que resulta siendo la bebida más conductiva de todas.
Así con un porcentaje del 15% en relación con el agua con sal (Tabla 2) es la que
más condujo de todas las bebidas. Además de conducir la electricidad, en conjunto
con la bebida Powerade son las únicas que si se acercan a una distancia de 2.5cm
logran encender el foco.
Se construyó un circuito (Fig. 1 y 2). El foco utilizado fue de 195mA que únicamente
el agua con sal logro mantenerlo encendido a una distancia de 10.5 cm, debido a
que podía otorgarle 220mA que era suficiente para hacer encender el foco. De igual
manera se trató de hacer el experimento con un foco incandescente de 60W y
ninguna bebida logro encender, únicamente las 2 bebidas Powerade y Gatorade al
acercarse las puntas a una distancia de 2.5cm.
La corriente y el voltaje obtenidos por la electricidad del laboratorio fue de 117V y
de 330mA, por lo cual se puede deducir a simple vista que las bebidas poseen una
resistividad muy alta, aun así, de tener sodio, así como se observa en el Grafico 2.
Debido a que los valores cambiaban de acuerdo con la distancia de las dos puntas
se podía observar la formación de burbujas, que eran el resultado del electrolisis.
Otro factor que pueda influencia a la variación de los valores, era la incerteza
causada por la conversión análoga a digital. Pero esta variación del 1% es mínima
y no afecta de manera significativa los datos obtenidos.
El valor del “Voltaje con el foco” se refiere a la cantidad de voltaje que le estaba
siendo suministrado al foco cuando estaba conectado al fluido. En todas las bebidas
disminuyendo el voltaje casi a la mitad en la mayoría de ellos, bajando muy poco
solo en el agua con sal que bajo únicamente 5V que era suficiente como para que
el foco fuera capaz de encenderse sin ninguna complicación.
Además, al observar y comparar las bebidas, las isotónicas muy diferentes en su
composición a las bebidas energéticas, tal como la presencia del potasio que posee
iones de tipo positivo. Pero las bebidas energéticas poseen una cantidad de ácido
cítrico, que también es conductor de la electricidad. Entonces se cumple la hipótesis,
pero, hay muchos más factores que pueden influir en la conductividad.
El fenómeno que se presenta en el experimento, hace mucha relación al proceso
natural del cuerpo, por ejemplo, en la bomba de potasio y sodio, en el cual se
intercambian tres iones positivos (Na) por dos iones positivos (K), de tal manera que
se produzca un potencial eléctrico que mantiene al ser humano y a los animales con
vida.
Además, lo que nos muestra los gráficos, es que las dos bebidas con los valores
más altos de resistividad son el AMP y el Raptor. El valor más bajo dentro de las
bebidas los obtuvo, el Gatorade.
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Conclusión
Al haber analizado todas las bebidas mencionadas, se puede concluir que,
la bebida más electro conductora de todas es la bebida Gatorade, debido a poseer
la menor resistividad con un valor de 4000 Ω. Entonces al responder la hipótesis
que, la bebida con mayor cantidad de sodio sería la más electro-conductora, esta
hipótesis se acepta al observar que las dos bebidas más electro conductoras:
Powerade y Gatorade poseen una cantidad de aprox. 100-110 mg de sodio, aun
así, que existen otros componentes en las bebidas que, pueden afectar los
resultados tales como: ácido cítrico entre otros. Además, al analizar la incerteza
presente en los aparatos de medición, en este caso el multímetro de 1%, se
considera que no es significativo, ni afecta los resultados en gran medida, ya que la
diferencia es mínima, por ejemplo, en el caso del voltaje solo seria ±0.5v, que no
afectaría de manera significativa los resultados. Relacionando el experimento al
contexto científico, los resultados obtenidos están muy de acuerdo a lo que nos dice
la base teórica de la conducción en los fluidos. Por otro lado, al comparar esta
actividad de electroconduccion con el organismo, se puede observar de manera
física las propiedades que los electrolitos poseen, y así al usar la teoría de la caída
de potencia se puede comparar y demostrar con este experimento. Procesos tales
como la bomba K-Na, y otras funciones de regulación de la acidez en sangre,
hidratación, control de sudoración, que son esenciales para la vida.
Recomendaciones
Las dificultades que se presentaron durante la investigación es de mantener las
bebidas a una misma temperatura, y ya que las energéticas eran carbonatadas, era
de mantener las dos ese nivel de efervescencia. Se hubiera logrado una mejor
investigación si se hubiera utilizado bebidas en diferentes temperaturas y sin abrir.
Además, debido a que se ocupa corriente alterna, esta tiende a cambiar en
intervalos lo que hace dificultoso su medición con una sola persona. Debido a la
complejidad al medir, si se hubiera conseguido un amperímetro de gancho, este
hubiera facilitado la medición del amperaje, pero de igual manera con el multímetro
se obtiene valores acertados. Al existir demasiadas marcas de bebidas energéticas,
no fue posible medir tantas, sino que se midió las más importante, obviaron las
bebidas internacionales debido a su precio elevado y que además no tienen mucha
relevancia en el mercado salvadoreña, tanto como las bebidas latinoamericanas.
Bibliografía
Wikipedia, La Enciclopedia Libre, “Conductividad Eléctrica” (Consultado: 2 Febrero
de 2016) https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica
Medicine Plus, “Electrolitos” (Consultado: 2 febrero de 2016)
9
https://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/ency/article/002350.htm
Chemistry Life “Chemistry of Powerade” (Consultado: 2 febrero 16)
http://www.chemistryislife.com/the-chemistry-of-powerade
Lenntech “Water Conductivity” (Consultado: 2 febrero 2016)
http://www.lenntech.com/applications/ultrapure/conductivity/water-conductivity.htm
Dywen Sakura, “Electrolitos” (Consultado: 2 febrero 2016)
http://dywensakura.blogspot.com/2015/10/electrolitos.html
Real Academia Española “Amperio” (Consultado 18 febrero 2016)
http://dle.rae.es/?id=2RZRSMR
Fluke “Incertidumbre de medida” (Consultado: 18 febrero 2016)
http://www.fluke.com/fluke/sves/support/biblioteca/Incertidumbre-de-medida.htm
Enciclopedia Salud “Electrolitos”
http://www.enciclopediasalud.com/definiciones/electrolito
Anexos
Fig. 1 representa el circuito utilizado para medir el amperaje de cada fluido, y la Fig.
2 representa el circuito construido, para medir el voltaje que le era suministrado al
foco incandescente.
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Fig. 1
Fig. 2
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