Tema 5 Los nuevos materiales
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Introducción Los materiales naturales Los materiales artificiales Mejora de los materiales tradicionales Nuevos materiales artificiales Localización, producción y consumo de materiales Los residuos
Tema 5 - Los nuevos materiales
1. Introducción Un material se define como una combinación de elementos químicos que forman una estructura determinada con unas propiedades interesantes para un propósito concreto. Cuando el material procede de la naturaleza (mineral, animal o vegetal) y no sufre muchos cambios con respecto a su estado original se denomina material natural, pero si sufre una manipulación que da lugar a un cambio estructural con nuevas propiedades, tendremos un material artificial. Los avances realizados en ciencia y tecnología aumentan las posibilidades de manipular un material, obteniendo nuevas y mejores propiedades que servirán para aumentar la eficacia de los materiales antiguos o abrir un nuevo abanico de posibilidades que permitan fabricar aparatos o instrumentos nuevos, como dispositivos electrónicos, placas fotovoltaicas, satélites… A lo largo del tema estudiaremos los primeros materiales que utilizó el ser humano y la nueva generación de materiales que se están descubriendo en la actualidad y cuyo perfeccionamiento supondrá un gran cambio en la sociedad que conocemos actualmente.
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Busca información sobre los siguientes hechos o personalidades 1825
1854
1913
1931
Hans Christian Ørsted
William Wilkinson
Harry Brearley
Samuel Stephens Kistler
Se aísla el aluminio
Se presenta la patente del hormigón armado
Se descubre el acero inoxidable
Se crean los aerogeles
1941
1949
1965
2010
J. Whinfield y J. Dickson
Werner Jacobi
Stephanie Kwolek
A. Geim y K. Novoselov
Se inventa el poliéster
Se presenta la patente del microchip
Se descubre el Kevlar
Premio Nobel de Física por el descubrimiento del grafeno
El ser humano domina el fuego (1,5 m.a.)
En Egipto se trabaja el vidrio (2500 a. C.)
Accidente en una industria química en Bhopal (1984)
Primer enlace transoceánico con fibra óptica (1988)
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2. Los materiales naturales Son todos aquellos que no han sufrido un gran cambio a como se presentan en la naturaleza, por lo que sus propiedades, en la mayoría de los casos, son similares a su estado original. Son los primeros materiales utilizados por el ser humano al carecer de la tecnología suficiente para poder modificarlos. Se clasifican en tres grupos:
Materiales naturales de origen vegetal Madera
Fibras vegetales
Material duro, resistente y ligero, por lo que puede usarse como material de construcción, para fabricar herramientas y como combustible. Como su manipulación requiere herramientas metálicas, su uso comenzó con la edad de los metales.
El lino, el algodón o el cáñamo son los más utilizados, pero requiere extraer las fibras de la planta, confeccionar el tejido entrecruzando los hilos y, posteriormente, elaborar la prenda de ropa. Pese al complejo proceso que necesita, la manipulación apenas cambia sus propiedades.
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Materiales naturales de origen animal Piel
Seda
Es un excelente aislante frente al frío, pero al separarla del ser vivo se pudre y pierde sus propiedades. Para evitar este deterioro, se desarrollaron diferentes tratamientos como el curtido, que convierte la piel en cuero, material que mantiene sus características.
Material compuesto de proteínas que segregan las larvas de algunos insectos para confeccionar sus capullos. Se utiliza para tejer telas.
Materiales naturales de origen mineral Los metales tienen multitud de características que permiten su utilización para múltiples fines, ya que son duros, resistentes y buenos conductores del calor y de la electricidad. Pueden presentarse aislados como el oro o el estaño, pero normalmente están asociados a otros elementos que no poseen las mismas propiedades, por lo que se necesita extraer el metal de interés. La minería se encarga de extraer los minerales y la metalurgia saca de ellos los metales y los combina con otros elementos (aleaciones).
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3. Los materiales artificiales Todos los materiales naturales constituyen el punto de partida a partir de los cuales se pueden elaborar otros artificiales con características y propiedades muy diferentes. A mayor tecnología, mayores cambios pueden realizarse en la materia inicial, por lo que estudiaremos los primeros materiales que se obtuvieron y terminaremos con los que se están obteniendo actualmente: - Papel: Está formado por una pasta de celulosa (polisacárido que forma las paredes celulares de las células vegetales) que se extrae principalmente de la madera. Su capacidad de absorber tinta y quedarse atrapada entre las fibras es la razón por la que se utiliza como soporte para la escritura. Refinado de ➎ la pasta
Blanqueado de la pasta ➍
➌
Obtención de la pulpa ➋
Extendido de ➏ la pasta
Corte de la madera
➊ ➐
Prensado y secado del papel
➑
Obtención de madera
Bobinado y corte del papel
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- Vidrio: Los ingredientes básicos son la arena de sílice (dióxido de silicio), el carbonato de calcio (caliza) y el carbonato de sodio (sosa), pudiendo añadir a la mezcla vidrio reciclado. Los materiales se calientan a unos 1300 °C y se forma un vidrio muy frágil. La tecnología posterior permitió conocer que si se añade borato de sodio se obtienen variedades más resistentes y, si se deposita el vidrio fundido sobre un baño de estaño (también fundido), se pueden fabricar láminas de vidrio lisas y uniformes.
Carbonato de calcio (CaCO3)
Vidrio reciclado Carbonato de sodio (Na2CO3) Arena de sílice (SiO2)
Las materias primas se funden a más de 1000 ºC El vidrio fundido flota sobre el estaño formando una lámina uniforme
Estaño fundido Horno
Al enfriarse se forma una lámina dura de vidrio plano
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- Materiales híbridos: Son aquellos que están compuestos por dos o más materiales muy diferenciados que forman una estructura que posee propiedades que ninguno de sus componentes tiene por separado. Aunque visualmente puedan presentar un aspecto uniforme, cada constituyente conserva su identidad y no se mezcla con el resto. En la mayoría de los casos, uno de los materiales sirve de base o matriz y el resto se alojan en su interior (refuerzo), dispersos en forma de fibras o partículas. Puede existir un tercer componente (interfase) que ayude a conjugar la matriz y el refuerzo. La matriz es más fácil de moldear, confiere cohesión al conjunto y protege a las fibras o partículas que forman el refuerzo, evitando de esta forma la aparición de grietas y distribuyendo las tensiones que sufre el material. El refuerzo es más duro que la matriz, por lo que aporta rigidez y resistencia. Refuerzo Interfase Matriz
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La denominación de material híbrido suele emplearse para los materiales cuyo refuerzo es microscópico, mientras que en los materiales que tienen un refuerzo macroscópico se denominan composites. Algunos ejemplos son: Adobe: Formado por una matriz de barro con un refuerzo de paja Plástico (matriz) reforzado con fibra de carbono (refuerzo)
Hormigón: Tiene una matriz de cemento con un refuerzo de grava Plástico (matriz) reforzado con fibra de vidrio (refuerzo)
Busca qué tipo de materiales son el Pykrete y el Cermet
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4. Mejora de los materiales tradicionales Con el estudio de la materia a escala atómica, actualmente es posible comprender el comportamiento de los materiales tradicionales, permitiendo mejorar sus propiedades. Existen muchos ejemplos que nos rodean en el día a día: ➯ Aceros especiales: El acero es una aleación de hierro y carbono, pero esta fórmula se ha mejorado con nuevos elementos como el cromo, el níquel, el tungsteno o el titanio, dando lugar a una gran variedad de aceros que son más duros y ligeros, o que aguantan mejor el calor y la corrosión. ➯ Superaleaciones: Son mezclas homogéneas de dos o más elementos, de los cuales al menos uno debe ser un metal, pero tanto la composición como la estructura de los mismos está fuertemente controlada para ofrecer características muy precisas como soportar altas temperaturas y tensiones o evitar la oxidación y la corrosión. Las turbinas de los aviones se fabrican con superaleaciones de níquel, cobalto, titanio y cromo que deben soportar temperaturas de 1500 °C y rotaciones de miles de revoluciones por minuto. Las superaleaciones son capaces de soportar estas condiciones manteniendo sus propiedades.
¿Qué es y qué propiedades tiene el Kevlar? ¿qué utilidad inicial buscaba su inventora Stephanie Kwolek?
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5. Nuevos materiales artificiales Actualmente, con la revolución tecnológica de los últimos siglos, los conocimientos en física y química y la aparición de la informática, es posible la manipulación de la materia a escala microscópica, permitiendo la creación de materiales revolucionarios. Muchas veces, las ideas que permiten los descubrimientos se extraen de estructuras presentes en la naturaleza. Los seres vivos están constituidos por estructuras basadas en el carbono, ya que puede formar largas cadenas mediante enlaces estables y resistentes. Estas estructuras, llamadas polímeros, se forman por la repetición de una unidad elemental llamada monómero, dando lugar a macromoléculas como la seda, el almidón o la celulosa. Con esta idea se empezaron a diseñar materiales artificiales como los plásticos o las fibras sintéticas.
Etileno (monómero)
Polietileno (polímero)
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➯ Destilación fraccionada: El petróleo contiene moléculas denominadas hidrocarburos (polímeros con una base de carbono e hidrógeno) de muy diversas longitudes. La separación de los mismos se realiza mediante una destilación fraccionada en la que la temperatura sirve para separar las moléculas, ya que sus puntos de ebullición dependen de la longitud de sus cadenas. Los monómeros del plástico se extraen del petróleo o del gas natural. Fracciones líquidas que se condensan a cada temperatura
Gas licuado
Torre de destilación fraccionada
Nafta: Utilizado para diluir el petróleo crudo Gasolina: Combustible para vehículos Queroseno: Combustibles para avión, parafina para alumbrado y calefacción
Petróleo crudo
El petróleo se calienta a 400 ºC para convertirlo en vapor
Gasóleo: Combustibles diésel Aceites lubricantes, abrillantadores
ceras,
Fuel: Combustibles para barcos y procesos industriales Betún para caminos y techos
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➯ Plásticos: Existen muchos tipos y pueden clasificarse atendiendo a su comportamiento frente al calor: los termoplásticos se pueden fundir, modelar y enfriar una y otra vez, por lo que se reciclan con facilidad; los termoestables se queman si se calientan demasiado. Existe un código que permite una rápida identificación de los principales tipos de plásticos, la mayoría de los cuales pueden reciclarse, pero eso no significa que puedan ir al contenedor amarillo, ya que la mayoría deben reciclarse en un punto limpio a excepción de los envases. Aplicaciones primarias típicas
PET
Polietileno tereftalato
En qué se transforman o reciclan
Envases: botellas y bandejas. Monofilamentos. Refuerzos para neumáticos. Cintas de vídeo y audio.
Envases para gaseosas y agua. Fibras textiles para prendas de vestir, lonas, velas náuticas, alfombras, juguetes. Cuerdas. Hilos.
Son los más fáciles de reciclar. Alta transparencia y admiten colorantes.
PEAD
Polietileno de alta densidad
Películas para envases. Bolsas de comercio. Cajones para frutas y pescados. Tuberías para agua, gas, irrigación. Tapas. Juguetes.
Fáciles de reciclar. Alta resistencia a impactos, químicos y temperaturas.
Bolsas de residuos domésticas. Botellas para detergentes y artículos de limpieza. Tuberías y cajones. Mobiliario urbano (bancos y mesas).
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Aplicaciones primarias típicas
PVC
Policloruro de vinilo
En qué se transforman o reciclan
Tuberías. Tarjetas de crédito. Productos médicos. Marcos de ventana. Aislantes para cables. Botellas. Juguetes.
Tuberías de construcción, riego y protección de cables. Muebles de jardín. Barandas. Zapatos. Pantallas anti-ruido. Artículos para el hogar.
Difíciles de reciclar, pero es posible. Alta resistencia y baja densidad.
PEBD
Polietileno de baja densidad
Películas para envases. Bolsas de comercio. Tuberías para el agua, irrigación. Aislantes para cables. Películas termocontraíbles.
Bolsas de residuos domésticas. Tuberías de riego. Films para uso agrícola. Membranas aislantes de la humedad. Macetas.
Difíciles de reciclar, pero es posible. Alta resistencia a impactos y químicos.
PP
Polipropileno
Envoltorios de alimentos. Contenedores. Enseres domésticos. Baterías. Piezas para motores. Tuberías. Medicina (jeringas desechables). Sillas y mesas.
Difíciles de reciclar, pero es posible. Muy resistentes y fáciles de moldear.
Contenedores. Cajones. Piezas para motores. Sillas, bancos, mesas, mobiliario urbano. Productos inyectados.
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Aplicaciones primarias típicas
PS
Poliestireno
Envases lácteos (yogures, postres…). Envases desechables (vajilla, bandejas para alimentos…). Aislantes. Juguetes.
En qué se transforman o reciclan Artículos y accesorios de oficina y librería. Marcos de fotos. Zócalos. Perchas. Macetas.
Difíciles de reciclar, pero es posible. La exposición térmica libera productos químicos.
Otros
PA, ABS, SAN, acrílico, PC y otros
Industria automobilística. Electrodomésticos. Piezas industriales. Colchones. Artículos electrónicos y de construcción.
Se fabrican productos inyectados y partes de instalaciones eléctricas.
Muy difíciles de reciclar. No se sabe con certeza los tipos de resinas que contienen.
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➯ Fibras sintéticas: El nailon fue la primera fibra artificial, patentado en 1938 para sustituir a la seda con la característica de ser muy fuerte y elástica. El primer uso fue para producir medias, pero pronto se destinó a producir materiales para la Segunda Guerra Mundial como cuerdas y paracaídas. Con el paso de los años se han sintetizado más fibras sintéticas como el poliéster, las fibras acrílicas y la licra. ➯ Aerogeles: Compuestos formados por un 90% de aire y el resto puede contener sílice, alúmina, carbono o circonio. Se caracterizan por ser muy livianos, excelentes aislantes, soportan mucho peso y son reciclables.
Propiedad de aislante térmico de los aerogeles
2 g de aerogel soportando un peso de 2,5 kg
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➯ Materiales biocompatibles: Se diseñan para integrarlos dentro de un organismo vivo, evitando el rechazo que puede generarse en un trasplante de otra persona. Sus aplicaciones son médicas, como tejidos artificiales, válvulas cardíacas o prótesis. ➯ Fibra óptica: Filamentos de vidrio (sílice) de gran pureza recubiertos de material óptico que refleja la luz hacia el interior, manteniéndola en la fibra. Se utiliza en la transmisión de información mediante la luz.
Válvulas cardíacas de silicona impresas en 3D
Transmisión de la luz por la fibra óptica
¿Qué son los cabellos de Pele? ¿Por qué reciben este nombre?
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➯ Nanotecnología: Es la manipulación de la materia a escala nanométrica (1 nm = 10-9 m), es decir, manipular de forma precisa los átomos y las moléculas para la producción de nuevos materiales. Al trabajar con los átomos que forman las moléculas, se pueden formar estructuras específicas y la pureza de los materiales resultantes es exacta, por lo que se abre un abanico casi ilimitado de nuevas posibilidades y prestaciones.
Mitocondria
Glóbulo rojo Cloroplasto
Proteína Átomo
Aminoácido
Óvulo humano
Bacteria
Huevo de gallina
Virus Núcleo
Ribosoma
Bacterias pequeñas
Microscopio electrónico
Célula epitelial
Microscopio óptico
Huevo de rana
Algunas neuronas
Ojo humano
1 m = 1000 mm = 1000000 𝜇m = 1000000000 nm
Humano adulto
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El material más famoso es el grafeno, un material formado exclusivamente por átomos de carbono que se organizan formando una malla de hexágonos similar al grafito. La malla de grafeno tiene el grosor de un átomo, es 200 veces más resistente que el acero y cinco veces más ligero que el aluminio, es transparente, flexible y buen conductor de la electricidad y del calor. A sus características básicas hay que sumarle las propiedades que puede tener si se utiliza para crear materiales híbridos o aerogeles, formando materiales más conductores, más resistentes o más elásticos.
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➯ Dispositivos electrónicos: En la actualidad, existen multitud de aparatos con circuitos integrados como móviles, tablets, ordenadores, coches o electrodomésticos. Todos ellos se componen de una variedad enorme de materiales gracias al conocimiento de los elementos químicos que conforman la tabla periódica. De hecho, un teléfono móvil contiene un mínimo de 70 de los 94 elementos que existen en la naturaleza, por lo que su construcción implica la extracción de muchos minerales o rocas, la correcta separación de los elementos deseados, su manipulación y la creación de los cientos de componentes que lo forman.
¿Qué es el tántalo? ¿Y el coltán? ¿Qué se fabrica con el tántalo? ¿En qué países se encuentra el coltán? ¿Qué impactos se derivan de su uso?
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Pantalla
Electrónica
Indio Oxígeno Estaño
Aluminio
Silicio
Oxígeno
Potasio
Itrio
Lantano
Terbio
Praseodimio
Europio
Disprosio
El óxido de indio y estaño se emplea en la elaboración de películas transparentes que conducen la electricidad. Permiten que la pantalla sea táctil
El cableado emplea cobre que, junto con el oro y la plata, es el metal principal de los componentes microelectrónicos. El tántalo es el más importante que incluyen los microcondensadores
El vidrio usado en la mayoría de las pantallas es un aluminosilicato (mezcla de alúmina y sílice) que también contiene iones de potasio para fortalecerlo
El níquel se encuentra en los micrófonos y en otras conexiones eléctricas. El praseodimio, gadolinio, neodimio, terbio y disprosio en los imanes, altavoz, micrófono y el dispositivo de vibración
Existen pequeñas cantidades de unos elementos denominados “tierras raras”, responsables de producir los colores de la pantalla y para reducir la penetración de la luz UV en el móvil
El silicio se emplea en el chip del teléfono, el cual se oxida para producir zonas no conductoras. Después se añaden otros elementos para permitir que el chip conduzca la electricidad
Tantalio
Terbio
Neodimio Gadolinio
Silicio
Oxígeno Antimonio
Arsénico
Fósforo
Galio
Estaño
Plomo
Carcasa
Cobalto Oxígeno
Carbono Aluminio
Oro
Disprosio Praseodimio
Batería Litio
Plata
Níquel
El estaño y el plomo se usan para soldar los compuestos electrónicos al teléfono. Si no tiene plomo se usa cobre y plata
Gadolinio
Cobre
La mayoría son de iones de litio, que poseen óxido de cobalto o litio como electrodo positivo y grafito (carbono) como electrodo negativo (otras baterías pueden usar metales como el manganeso). La cubierta que la protege suele ser de aluminio
Algunas se fabrican con una aleación de magnesio que incluye níquel para reducir la interferencia electromagnética. Otras son de plástico, pero suelen incluir compuestos retardantes del fuego como el bromo
Metales alcalinos
Elementos del grupo 13 (grupo del boro)
Elementos del grupo 16 (anfígenos)
Metales alcalinotérreos
Elementos del grupo 14 (carbonoideos)
Halógenos
Metales de transición
Elementos del grupo 15 (nitrogenoideos)
Lantánidos
Carbono Magnesio
Bromo
Níquel
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6. Localización, producción y consumo de materiales Cuando se entiende la importancia de los materiales para el desarrollo de las sociedades, es más fácil comprender las disputas que se establecen entre ellas para controlarlos, siendo uno de los motivos más frecuentes de las guerras pasadas. A partir del siglo XV se inició el colonialismo, alcanzando su máximo desarrollo en el XIX, donde los países europeos se hicieron con el control político y económico del continente americano, África y partes de Asia, explotando sus recursos para aumentar su tecnología y riqueza al mismo tiempo que generaban esclavitud, eliminaban sus costumbres e idioma, contaminaban y empobrecían a los países de origen. En la actualidad, con la globalización, la lucha por conseguir materias primas se ha extendido al planeta entero. La paradoja radica en que muchos países ricos en materias primas no obtienen ningún beneficio por culpa de las prácticas políticas, en muchos casos dictaduras, y las abusivas técnicas empresariales que explotan a los trabajadores y no reportan ningún beneficio al país. Este hecho fomenta que los países que se benefician aumenten su desarrollo y riqueza mientras que los países donde se localizan los recursos sean cada vez más pobres.
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Soja Petróleo Agua Trigo Plata Gas natural Algodón Arroz Maíz Caucho Uranio Diamantes Oro
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Electricidad
Gas natural
Maíz
Algodón
Carbón
Petróleo
Trigo
Arroz
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7. Los residuos El último problema que hay que tener en cuenta son los residuos, ya que en las civilizaciones antiguas se utilizaban materiales naturales con periodos muy cortos de degradación, pero en la actualidad, el alto grado de transformación que sufren las materias naturales y la aparición de materiales artificiales, hace que sea más difícil su descomposición o que sean tóxicos para el medio ambiente. Un residuo se define como cualquier sustancia, material o forma de energía liberado al medio ambiente por la actividad humana y capaz de producir contaminación o un impacto ambiental. Se pueden producir en el sector primario (fertilizantes, pesticidas, metales pesados), secundario (residuos químicos, radiaciones y gases contaminantes) o terciario (plásticos, vidrios o residuos radiactivos y químicos), por lo que su gestión será crucial para eliminar las posibles contaminaciones que generan y para poder reutilizarlos, minimizando así los impactos que producen en los ecosistemas de nuestro planeta. Tal y como se comentó en el tema pasado, ante la lentitud y falta de compromiso de los políticos, así como la dificultad de llegar a acuerdos mundiales, la responsabilidad recae en todos y cada uno de nosotros, y deberíamos plantearnos una serie de preguntas antes de comprar un producto:
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La obtención de materias primas implica su extracción, transformación y transporte, los cuales implican conflictos entre países y guerras, un alto consumo energético y la modificación del entorno en los países de origen: ¿Qué materias primas contiene el producto que queremos comprar? ¿de dónde proceden? ¿cómo se obtienen? Las sociedades actuales se basan en el consumo, generando nuevas necesidades que en muchas ocasiones son innecesarias o pueden ser cubiertas de otra manera: ¿Qué necesito? ¿para qué voy a utilizarlo? ¿durante cuánto tiempo voy a necesitarlo? Tanto las materias primas que contiene un producto como su lugar de fabricación suelen estar muy lejos del lugar de venta. Estos factores hacen que la huella ecológica que generan sea muy alta y tenga unos efectos muy negativos en el medio ambiente, en las condiciones de trabajo de las personas que lo producen y en la pérdida de empleos en los lugares donde se compra: ¿Debo considerar algo más que el precio de un producto?
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¿Cómo se debería calcular el precio de un producto? ¿En qué países se producen todos los componentes que tiene el producto?
¿Qué condiciones laborales tienen los trabajadores de los países donde se fabrica?
¿Qué degradación sufre el territorio?
¿Se emiten sustancias contaminantes?
¿Qué residuos se generan? ¿Cómo se gestionan?
¿Los recursos se agotarán para las generaciones futuras?
El consumidor no debe fijarse únicamente en el precio, tiene que preguntarse quién lo fabrica, en qué condiciones, qué consecuencias tiene para el medio ambiente y qué recursos se precisan para su fabricación. La inacción de los gobiernos y la opacidad de las empresas en estos asuntos se debe a la falta de compromiso de los consumidores, ya que estos aspectos no se consideran a la hora de comprar un producto.