Laboratorio de Química yBiología

Materiales de apoyo y capacitación

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Crecimiento de cristales: un jardín químico

El reconocimiento de la existencia de materiales cristalinos data de miles de años atrás. Homero, al escribir la Iliada y la Odisea, usó la palabra krystallos para mencionar las enormes formaciones de cristal de roca con las que se encontraron sus héroes en el camino. Los sólidos cristalinos están constituidos por partículas (átomos, iones o moléculas) que interaccionan entre sí y que se “acomodan” de una manera ordenada (vibrando alrededor de determinadas posiciones) formando estructuras que se repiten en todas las direcciones, determinando la geometría macroscópica del cristal. En muchos casos estas formas geométricas se pueden reconocer a simple vista (como en el caso de la sal de mesa o de los copos de nieve).

Objetivos• Construirun“jardínquímico”defigurasverticalesarborescentesformadasporlaprecipitaciónde

sales coloreadas.• Estudiarlainfluenciadelatemperaturaenlavelocidaddeformacióndeloscristales.

Recursos- Un recipiente transparente de vidrio, - Espátula grande y de boca ancha o una pecera - Tabla periódica- Solución acuosa concentrada de silicato - Jeringas de sodio (“vidrio soluble”, tiene la - Termómetro consistencia de un jarabe) - Lupa- Polvofinoocristalespequeñosdesales - Agua coloreadas,comoporejemplo:sulfatode - Arena cobre (II), sulfato de hierro (II), cloruro de - Proyector cobalto (II), sulfato de níquel (II), cloruro - Recinto de temperatura regulable de hierro (III)

El color de la sal depende del catión metálico: Cu2+ azul; Fe2+ verde oscuro; Co2+ rosa púrpura; Ni2+ verde claro; Fe3+ rojo naranja.

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ProcedimientoEn el recipiente de vidrio colocar arena y a continuación la solución de silicato de sodio. Una vez que ya no quede arena en suspensión, o sea que el líquido esté incoloro y transparente, dejar caer muy suavemente (como espolvoreando) una de las sales y a continuación cada una de las otras.Poner el sistema en reposo en un lugar tranquilo en el que la temperatura sea lo más constante posible. Observar y registrar los cambios que se van produciendo durante, por lo menos, tres días. Hacer los primeros registros cada 5 minutos y luego dos veces por día. Es conveniente que consignen las observaciones en una tabla como la que sigue:

Fecha y hora Observaciones realizadas

Los cationes de las sales adicionadas reaccionan con los aniones silicato provenientes del silicato de sodio que es soluble en agua y se van desarrollando vistosas formaciones de silicatos coloreados insolubles.

La ecuación general correspondiente a las reacciones que se producen con las sales de metales de transición es: Na2 SiO3 + MeSO4 → MeSiO3 + Na2 SO4 soluble soluble insoluble soluble Cuando los cristales ya no crecen más, es conveniente cambiar el líquido por agua destilada, usando jeringas. De esta forma el “jardín químico” dura mucho más tiempo.

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Es interesante observar las formaciones cristalinas haciendo uso de una lupa y/o del proyector en forma vertical.

Proyecto de investigación escolar

Problema¿Cómoinfluyelatemperaturaenlavelocidaddeformacióndeloscristales?

El desafío para los alumnos es, teniendo en cuenta los materiales de los que disponen, diseñar el procedimiento más adecuado para poder dar respuesta a la pregunta anterior, y ponerlo en práctica. Confeccionar el informe correspondiente que incluya la descripción de lo realizado, los resultados obtenidos y las conclusiones a las que arribaron.

Vitamina C en jugos de fruta y en productos envasados

IntroducciónAlgunosdelostrastornosqueafectanlasaluddelossereshumanosprovienendehábitosalimentariosinadecuadosquepueden,porejemplo,producirelingresodeficientedesustanciasindispensablesparael organismo, tales como las vitaminas.LasdeficienciasparcialesdelavitaminaC(ácidoascórbico)semanifiestanenestructurasanormalesde los dientes, anorexia, anemia y predisposición a enfermedades infecciosas. La administración de esta vitamina acelera la curación de heridas y fracturas. El requerimiento mínimo diario promedio de ella para un adulto es de 30 mg, considerablemente más elevado que el de otras vitaminas.

Si bien la vitamina C existe abundantemente en frutas y verduras, su contenido puede reducirse a una fracción muy pequeña en los alimentos cocinados, enlatados o desecados, pues esta vitamina se oxida con extrema facilidad, se “destruye” velozmente y es muy sensible a la luz.

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La vitamina C (C6 H8 O6) pertenece al grupo de las vitaminas hidrosolubles y está químicamente relacionada con los monosacáridos. Se ingiere a través de los alimentos, se absorbe en el intestino delgado y de allí se distribuye a todo el organismo.Entre las propiedades químicas del ácido ascórbico (vitamina C) sobresale su fuerte poder reductor, es decir, la facilidad con que se oxida.

Precisamente en este poder reductor se basan la mayoría de los métodos químicos para determinar el contenido de vitamina C en un alimento, pues es capaz de reducir ciertas sustancias coloreadas transformándolas en entidades incoloras. Por ejemplo el yodo de color pardo rojizo se reduce a ioduro incoloro: I2 + C6 H8 O6 → C6 H6 O6 + 2 HI. Se utiliza como reactivo una solución alcohólica de yodo. La determinación se realiza en presencia de almidón en suspensión acuosa, que actúa como indicador del yodo, con el cual da color azul violáceo.

Objetivo• Determinar la existencia de vitamina C en jugos de frutas y ordenarlos según su contenido en esta vitamina.

Recursos - Gradilla con tubos de ensayo - Lugol - Vitamina C (en pastillas no efervescentes - Cuchillo ni saborizadas) - Embudo- Jugos de fruta exprimidos y colados - Plato- Suspensión acuosa de almidón en - Pipetas de 10 cm3

frasco gotero - Trapo rejilla o papel toalla

La suspensión acuosa de almidón debe estar recién preparada, para ello mezclar una punta de espátuladealmidónomaicenaconunos250mldeagua:Agitarlaantesdeyaqueelalmidóntiende a depositarse en el fondo.

Procedimiento Para determinar la cantidad de vitamina C presente en una muestra, se agrega gota a gota solución alcohólica de yodo (si se compra en farmacia como tintura de yodo, conviene diluirla), hasta que la reacción se haya completado. Esto se detecta usando un indicador que informe cuando el yodo agregado ya queda sin reaccionar: se trata del almidón, que da un color característico azul violáceo con el yodo. Si el jugo es incoloro o de un color muy tenue (por ejemplo de pomelo o de limón) no se hace necesaria la presencia del almidón ya que se detecta sin problemas el color del yodo, cuando ya no reacciona por haberse consumido toda la vitamina C. Si el jugo es coloreado (como por ejemplo el caso de la mandarina, del tomate, etc.) el color del yodo no se puede percibir y por eso es necesaria la presenciadelalmidónqueoriginauncolorsuficientementefuertecomoparaserdetectado.Entodoslos casos se trabaja con el mismo volumen de jugo y se agrega almidón ya que, entonces, el número de gotas necesarias de alcohol iodado dependerá del jugo que se esté analizando.

a. El trabajo consiste en colocar en sendos tubos volúmenes iguales de diferentes jugos, agregar unas gotas de suspensión acuosa de almidón recién preparada, y contar en cada caso el número de

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gotas de solución de yodo necesarias para que aparezca el color violeta. Comparando los resultados, sepodráidentificarelproductomásricoenvitaminaC,esdecirelquerequieremayornúmerodegotasantes de que aparezca el color que indica que ya no queda vitamina C. Se puede completar una tabla como la siguiente:

Jugo de... Número de gotas de alcohol iodado

Naranja

Limón

...

...

...

...

y ordenar los diferentes jugos de fruta según su contenido creciente o decreciente en vitamina C.Se pueden comparar diferentes jugos de frutas frescas (naranja, pomelo, limón, tomate, kiwi, frutilla, mandarina) y también los jugos que se compran o que se preparan con polvos. Cabe destacar que diferentes grupos de alumnos pueden obtener resultados distintos, aún trabajando con el mismo tipo de fruta, ya que el contenido de vitamina C no es el mismo, por ejemplo, en todas lasnaranjas;influyeelgradodemaduración,sifuereciéncosechadaono,siselamantuvoenlaheladera, etc. Se pueden establecer interesantes discusiones acerca de las posibles causas de los distintos resultados obtenidos.

Reconocimiento de sustancias. ¿Qué es este polvillo blanco?

La propuesta es que los alumnos determinen los componentes de un polvillo blanco desconocido. Para ello:

• Observan de cerca diferentes sólidos blancos, usando los sentidos de la vista, el olfato y el tacto, teniendo en cuenta las normas de seguridad correspondientes, también lo hacen utilizando una lupa, y los describen.

• Examinan el polvo blanco desconocido y descubren que se trata de una mezcla; pero la observación directa no les bastará para saber de qué está compuesta.

• Realizan, entonces, diferentes ensayos con los sólidos en polvo tomados como referencia.• Registran los resultados, reúnen los datos, los comparan, los organizan y los analizan.• Con el conocimiento que han adquirido sobre las propiedades de los sólidos que han estudiado,

junto con sus habilidades analíticas y experimentales, extraen conclusiones, resuelven el misterio y escriben un informe, en el cual aclaran qué es el polvillo misterioso y de dónde creen que provino.

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Problema que se les plantea Ayer, cuando nos fuimos de la escuela, el patio había quedado limpio. Pero esta mañana, cuando llegamos, lo encontramos con huellas, como si alguien hubiera caminado con las suelas de sus zapatos sucias con un polvillo blanco. Nadie sabía qué pasó. Tenemos que investigar qué es ese sólido blanco. Pudimos averiguar que es una mezcla de dos o más de los siguientes sólidos: azúcar, sal de mesa, bicarbonato de sodio, naftalina y almidón. Tenemos que informar cuáles son los componentes del polvillo misterioso.

Luego de presentada la situación problemática es conveniente dar a los alumnos un tiempo para que discutan y hagan propuestas de acción. Es de esperar que surja la idea de conocer primero las características cada uno de los sólidos que posiblemente pueden estar formando parte de ese polvillo.

Primera actividad

Se les pide a los alumnos que describan cada uno de los polvos de la manera más detallada posible, usando los sentidos de la vista, el tacto y el olfato. Las lupas les ayudarán a observar más nítidamente la apariencia de cada uno. También podrían utilizar los microscopios.

Se insiste con la prohibición de utilizar el sentido del gusto y se les recuerda que tienen que registrar sus observaciones.

Recursos - Azúcar(sacarosa) - Lupas- Salfinademesa(clorurodesodio) - Microscopio(opcional)- Bicarbonato de sodio - Espátula- Naftalina molida - Placa metálica negra- Maicena (almidón de maíz) - Mezcla incógnita

La composición de la mezcla es desconocida para los alumnos. Es interesante preparar dos o tres mezclas diferentes y numerarlas, para luego saber qué mezcla le tocó a cada grupo. Cada mezcla puede tener 2, 3 o 4 de los sólidos.

DesarrolloSe trata de que los alumnos vayan ganando experiencia en reunir las pistas (datos) que les permitirán identificarlossólidosdesconocidos.Se sugiere a los alumnos la posibilidad de colocar una muestra de cada polvo sobre la placa negra, ya que esto facilita la observación. Se insiste en la necesidad de trabajar ordenadamente para no mezclar los sólidos y se les propone una tabla para completar.

Los alumnos anotan en sus cuadernos sus observaciones acerca de cada uno de los sólidos en polvo. Luego comparan sus observaciones.

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Sólido →

¿Cómoseve?

¿Aquéhuele?

¿Quésesientealtocarlo?

¿Cómoseveconlalupa?

Otras observaciones

Si disponen de una muestra del “polvillo misterioso”, ¿podrán decir cuál o cuáles de los sólidos están presentesenlamuestraapartirdelosdatosvolcadosenlatabla?

AestaalturadelDesarrollolosalumnospodránreconocer,porobservacióndirecta,quesetratade una mezcla pero no podrán asegurar cuál/es de los sólidos está/n presentes.

Para disponer de más datos se aborda la siguiente actividad.

Segunda actividad

Se les pide a los alumnos que exploren lo que ocurre cuando se mezcla cada uno de los sólidos en polvo con diferentes líquidos.

Cada grupo discutirá la forma que les parezca más adecuada para trabajar, es decir, elaborarán un diseño experimental.

Recursos- Azúcar - Saldemesa- Bicarbonato de sodio - Naftalina molida- Maicena (almidón de maiz) - Lupas- Espátula - Agua- Alcohol - Vinagreblanco- Solución de lugol - Vasos de precipitados pequeños o - Varillas de vidrio gradilla con tubos de ensayo- Gotero

Desarrollo (sugerido)• Aunaporcióndecadaunodelossólidosqueseencuentraenunvasootubodeensayo,seleagregaunadeterminadacantidaddeagua.Atodoslamismacantidad(selamidepormlocm3, si se utiliza pipeta calibrada o por el número de gotas, si se utiliza un gotero común).

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• Se revuelve con una varilla (diferente en cada caso), se anotan las observaciones y se comparan los resultados. Si se utiliza una sola varilla de vidrio, se deberá limpiar la misma antes de introducirla en cadatuboafindenomezclarlosdiferentessólidos.

• Se reitera ese proceso con los demás líquidos disponibles y se les propone una tabla para completar.

Es conveniente hacer referencia a las variables, esto es, a las condiciones del sistema que pueden variaromodificarse,afectandoelresultadodelproceso.Enestecasolasvariablessonlaclasedesólidoydelíquidoylascantidadesutilizadas.Parahacerensayossistemáticosseplanificaunprocedimiento en el cual, en cada oportunidad, cambia una sola variable.

Sólido →

Líquido ↓

Agua

Alcohol

Vinagre

Tintura de yodo

Almezclar bicarbonato de sodio con vinagre se producenburbujas que contienendióxido decarbono, se produce una reacción química. En cambio, hay otros sólidos y líquidos que cuando se mezclan no producen nuevas sustancias. Por ejemplo, cuando se mezcla agua con sal, se obtiene agua salada, no una nueva sustancia. Se pone especial énfasis en las normas de seguridad ya que el yodo es venenoso y mancha, por lo que hay que tomar todas las precauciones posibles.

Tercera actividad

Los alumnos ya están en condiciones de diseñar y poner en práctica el plan de acción para resolver el problema, esto es, informar cuáles son los componentes del polvillo misterioso.

Recursos- Lupas - Espátula- Agua - Alcohol- Vinagre blanco - Solución de lugol- Vasos de precipitados pequeños o - Varillas de vidrio gradilla con tubos de ensayo - Gotero- Indicador de pH - Mezcla incógnita

Algunaspreguntasquesepuedenhacerparaorientarlatareason:

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¿Quésólidossepuedendiferenciarhaciendousodelalupa?(el azúcar de la sal, por las características de los cristales; la maicena por su opacidad y textura)

¿Quélíquido/spermite/nidentificaraalguno/sdelossólidos?(el vinagre/la solución de lugol)

¿Quésólidosepuedeidentificarusandovinagre?(el bicarbonato de sodio ya que con vinagre se producen burbujas)

¿Quésólidosepuedeidentificarusandolugol?(el almidón o la maicena porque se pone de color azul-violáceo oscuro)

¿Cuálesdelossólidosnosonidentificablesniconvinagreniconyodo?(azúcar, sal, ácido cítrico, naftalina)

¿Cómosepuedeidentificarlanaftalina?(porque no se disuelve en agua y por el olor)

¿Cómosepuedeaveriguarcuálessonloscomponentesdelpolvillomisterioso?(por sus características observables en forma directa y por la acción de diferentes reactivos)

El protocolo (serie de etapas previstas) debe contener, en forma ordenada, la lista de los ensayos que realizarán, los posibles resultados de cada uno y la información que brindarán. Alterminarsutrabajo,cadagrupoelaborauninformeescritoyenunapuestaencomúnsocializasusresultados, explica lo que han realizado y cómo han extraído las conclusiones a las que arribaron.

La socialización de las formas de trabajo es muy enriquecedora ya que se discuten las ventajas y desventajas de cada propuesta, sobre la base de argumentaciones. Los chicos intercambian sus observaciones y conclusiones. Si hay opiniones divergentes se abre el debate. Si es necesario, se repite algún ensayo.

Electroquímica: la pila de Daniell

John Frederich Daniell (1790 - 1845)

Químico inglés. Se destacó en la invención de diversos aparatos (como por ejemplo un instrumento que mide la humedad ambiental o higrómetro) pero, sobre todo, en sus estudios en el campo de la electroquímica, donde desarrolló la pila que lleva su nombre. Este dispositivo fue el primer aparato confiabledeproduccióndecorrienteeléctricaquelesirvióparaprofundizaren el estudio de los fenómenos eléctricos.

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FundamentaciónEn 1839 en su libro titulado “Introduction to Chemical Philosophy”, Daniell da a conocer la primera pila o celda electroquímica, que todavía se estudia en las clases de Química, en las escuelas secundarias. Intentaremos reproducir su montaje pero con materiales actuales.

En la actualidad, las pilas y baterías comerciales son imprescindibles para el funcionamiento de muchos aparatos tales como celulares, linternas, MP3, MP4, relojes, radios. Existen muchas variedades de pilas y baterías que diferenciamos por el precio, el tamaño, la forma, el tiempo de duración. La base del funcionamiento de todas ellas es similar. Se trata, entonces, de conocer y analizar las reacciones que ocurren dentro de una pila y que originan la circulación de la corriente eléctrica, tan codiciada para el desarrollo de las actividades cotidianas.

Las pilas son dispositivos en los que se producen reacciones redox (reacciones de óxido reducción, esto es, de transferencia de electrones) originándose una corriente eléctrica que se puede aprovechar para hacer funcionar un aparato. En una pila se transforma energía interna (energía química) de las sustancias presentes en la pila, en energía eléctrica. Es probable que sea necesaria una revisión de las características de las reacciones de óxido reducción, para su aplicación en la explicación del funcionamiento de una celda electroquímica.

Objetivos • Explicar el funcionamiento de una pila a partir del modelo de reacción redox como transferencia de

electrones.• PlanificarelarmadodeunapilaDaniellapartirdelosmaterialesquesedisponeyprocedimientos

planificados,parahacerfuncionaralgúnaparatoeléctrico.

Recursos- Dos vasos de precipitados o recipientes - Una chapa de cobre transparentes - Una chapa de cinc- Solución 1 M de sulfato de cobre (II) - Mulltímetro (líquido transparente de color celeste) - Cables de conexión- Solución 1 M de sulfato de cinc - Pinzas cocodrilo (líquido transparente e incoloro) - Soporte

Para armar el puente salino: - Soluciónacuosadeclorurodepotasioode - Tuboflexibletransparente sodio (también puede ser nitrato o sulfato) - Pompones de algodón

Procedimiento1. Con los materiales disponibles armar un dispositivo como el que se representa en el siguiente dibujo. La chapa de cinc debe quedar parcialmente sumergida en la solución acuosa de sulfato de cinc, la de cobre dentro de la solución acuosa de sulfato de cobre (II) o sulfato cúprico. El puente salino conecta ambos compartimentos.

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puente salino

Cu2+Zn2+

Zn Cu

2. El puente salino se puede rellenar con una solución acuosa del electrolito. Para ello, colocando el tubo en U se carga con el líquido, luego se pone los tapones de algodón y con cuidado para que no se derrame, se lo introduce invertido, con sus extremos en sendos líquidos de los compartimentos del Cu y del Zn.

3. Observar y registrar lo que ocurre al cerrar el circuito y dejarlo cerrado durante unos minutos. ¿Qué ocurreconlachapadeZn?¿Quéseobservasobrelachapadecobre?

4. Interpretar lo observado teniendo en cuenta el modelo de transferencia de electrones y las características de las reacciones de óxido reducción. Escriban las hemiecuaciones de oxidación y de reducción y la ecuación neta que simboliza la reacción en la pila Daniell.

Los Cu2+ de la disolución, toman (cada uno) dos electrones y se depositan como Cu metálico sobre la lámina de cobre, con lo cual la concentración de la disolución disminuirá, por lo que el color azul que depende del Cu2+,sevahaciendomenosintenso.Almismotiempolosátomosdecinc de la lámina pierden (cada uno) dos electrones, pasará a Zn2+, por lo que la chapa se va gastando, disminuye su tamaño.La hemicelda donde ocurre la oxidación recibe el nombre de ánodo, mientras que aquella donde se produce la reducción es el cátodo, y se puede recordar por las reglas vocal y consonante, dado que el lugar y el proceso comienza con ese tipo de letras.Ánodo Zn → Zn2+ + 2 e OxidaciónCátodo Cu2+ + 2e → Cu Reducción

5. ¿Cuáleselpolopositivodelapila?¿Porqué?

Si la conexión desde la chapa de Cu, no se hace al polo positivo del voltímetro, el voltímetro no marca o lo que indica tiene el signo negativo. Quiere decir que el sentido de la corriente que circula va desde la chapa de cobre a la de cinc, y por lo tanto el cobre será el polo positivo de la pila.Es muy importante tener presente, y discutirlo con los alumnos, que el sentido convencional de la corriente eléctrica es inverso al sentido de transferencia de los electrones. La corriente de electrones va del cinc al cobre.

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6. ¿PorquéesnecesariosepararloscompartimentosdelCuydelZn?¿Quéfuncióncumpleelpuentesalino?

Eselcincelqueseoxida,elquecedeelectrones.Estoselectronesfluiránporelcircuitoexteriorhacia la barra de cobre, de manera que los cationes Cu2+se reducen. En el puente salino los aniones del electrolito “viajarán” en sentido contrario, de manera de compensar el desbalance eléctricoproducidoencadacompartimentoymantener laelectroneutralidadde losmismos.Alcerrar el circuito, en la hemicelda del cinc se produce un exceso de cationes que son neutralizados eléctricamente por los aniones que llegan del puente salino.

La pila se puede esquematizar por los procesos que tienen lugar siguiendo el orden alfabético; primero lo que ocurre en el ánodo y después lo que pasa en el cátodo, tal como se indica en el esquema: Simbología de la pila Zn / Zn2+ (1M) // Cu2+ (1M) / Cu ánodo → cátodo orden alfabético (la doble barra pretende simbolizar el puente salino)

7. ¿Quévalormarcaelmultímetro?¿Estevalorsemantieneconstantedurantemuchotiempo?

8. Aquésuponenquesedebeelcambioobservadoenladiferenciadepotencial.Tenganencuentaquéesloquesevamodificandoamedidaquelapilafuncionacomotal.

9. Propongan un procedimiento experimental para corroborar si las suposiciones que tuvieron fueron adecuadas.

Cabe esperar que propongan repetir el procedimiento pero variando la concentración de las soluciones de los compartimentos anódico y/o catódico. Por ejemplo, cambiar una y dejar la otra igual; cambiar las dos de manera que sean iguales entre sí pero diferentes a las originales; cambiar las dos de manera que ambas sean diferentes y también distintas a las originales. Es sólo una primera aproximación a la ecuación de Nernst.

10. En el caso de contar con chapas de otros metales y soluciones acuosas de sus cationes, armen otra pila utilizando un par de metales diferente al anterior. Repitan los ítemes 1 a 7. ¿Qué suponen que puedeocurrir?¿Encontrarondiferenciasentreloquesupusieronylosresultadosobtenidos?Elvalormarcadoporelvoltímetroeselmismo?Expliquenloobservado.

Enestecasosepromuevelaconsideracióndelosfactoresqueinfluyenenlosresultadosdeunexperimento, esto es, el trabajo con las variables. Puede ser necesario recordar a los alumnos que deben cambiar una sola variable por vez. Esto es, manteniendo las mismas chapas, cambiar la concentración de los cationes correspondientes. En otro caso, cambiar una o dos de las chapas metálicas pero manteniendo la misma concentración de los cationes (1M) correspondientes.