EXPERIMENTA CON LA QUÍMICA
HIELO CALIENTE INSTANTÁNEO
DESCRIPCIÓN
¿Cómo se hace hielo de manera instantánea? ¿Es esto real? ¿Puede hacerse hielo en segundos? ¿Es hielo en realidad?
En este experimento podremos observar la reacción química que se produce cuando se mezcla vinagre y bicarbonato sódico. Es un experimento sorprendente porque pensaréis que estamos fabricando hielo cuando en realidad estamos jugando con la cristalización instantánea. En esta reacción química observaremos burbujas de dióxido de carbono (gas) y otro producto líquido, el acetato de sodio, con el que podemos fabricar hielo caliente aunque en realidad no es hielo. Utilizamos el término caliente porque en este proceso de cristalización se produce calor.
Imágenes de la cristalización en el acetato de sodio.
Fotografías realizadas durante el experimento.
MATERIALES
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750 cl de vinagre blanco.
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55 g de bicarbonato de sodio.
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Un cazo.
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Una cuchara.
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Un vaso graduado en cl para medir la capacidad del vinagre.
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Una báscula para pesar el bicarbonato.
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Recipiente de cristal que resista el calor.
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Papel de aluminio.
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Electrodomésticos:
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Frigorífico.
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Vitrocerámica.
Imagen de los materiales.
Fotografía tomada durante el experimento.
PROCEDIMIENTO
Imagen de la mezcla del vinagre con el bicarbonato de sodio.
Fotografías realizadas durante el experimento.
Comenzamos mezclando en un cazo 750 cl de vinagre blanco y 55 g de bicarbonato de sodio. Para ello hemos utilizado la báscula, para poder pesar la cantidad exacta de bicarbonato. Al mezclar estas sustancias, observamos que hay una reacción efervescente, burbujas. Este es el gas que se desprende de la mezcla, es decir el dióxido de carbono. Por eso hemos tenido que ir mezclando poco a poco el bicarbonato, ya que salía mucha espuma y se podía salir del recipiente, a la vez que removíamos despacio con una cuchara para favorecer una mezcla más homogénea.
El bicarbonato de sodio (NaHCO3) y el vinagre (CH3COOH) reaccionan para dar acetato de sodio (CH3COONa), dióxido de carbono gaseoso (CO2) y agua (H2O).
CH3COOH + NaHCO3 → CH3COONa + CO2 + H2O
Cuando la reacción efervescente termina observamos que ya no hay espuma, es entonces cuando hemos conseguido una disolución homogénea. Entonces hervimos dicho líquido a temperatura media, es decir, ponemos la vitrocerámica en el mínimo, para evitar que hierva demasiado rápido. Lo dejamos hervir durante aproximadamente 1 hora (queremos que el agua de la mezcla se vaya evaporando). Lo más difícil del experimento fue poder comprobar el momento exacto de apagar el fuego, ya que debíamos observar una costra o película muy fina en el interior de la mezcla. Estuvimos observando prácticamente todo el tiempo para que no se nos pasara ese momento. Es entonces cuando ya se habrá evaporado la mayor parte del agua y en el cazo tendremos una disolución muy concentrada (con mucho soluto) de acetato de sodio.
disolución muy concentrada → CH3COONa
Después cogimos el frasco de cristal y lentamente pasamos el acetato de sodio. Había que hacerlo con mucho cuidado, ya que estaba muy caliente. Lo tapamos con un trozo de papel de aluminio y lo metimos en el congelador aproximadamente 1 hora. Pero durante este tiempo observábamos cómo el líquido iba adquiriendo una textura menos líquida y más densa. Pudimos ver mientras como en el fondo y en los laterales del cazo se habían formado unos pequeños cristales.
Transcurrido el tiempo sacamos el recipiente de cristal del congelador y lo destapamos.
Es entonces cuando metimos en el interior del frasco un objeto, en este caso una cuchara y observamos que en segundos el líquido comenzaba a cristalizarse, hasta hacerlo completamente. ¿Era hielo en realidad? ¿Hielo que se estaba formando en unos segundos? Realmente lo que hemos visto es un proceso de cristalización del acetato de sodio, no hiel, aunque su aspecto físico sí lo pareciese. Ocurre esto porque este estado en el que se encuentra el acetato de sodio, es inestable por tanto cualquier pequeña perturbación como por ejemplo introducir la cuchara, hace que se produzca la cristalización.
Si tocamos con las manos el recipiente notamos que se ha calentado un poco, ya que en este proceso de cristalización se libera energía en forma de calor.
Imagen de la cristalización en el acetato de sodio.
Fotografía realizada durante el experimento.
RESULTADOS Y CONCLUSIONES
Para comenzar esta parte del trabajo nos gustaría hablar de las dificultades que tuvimos que ir superando para poder realizar este experimento con éxito. No fue fácil llevarlo a cabo, ya que no nos salió la primera vez que lo hicimos. Tuvimos que hacerlo varias veces fijándonos en diferentes puntos que fuimos observando y cambiando. Detallamos a continuación los cambios que tuvimos que ir realizando hasta conseguir lograr con éxito la cristalización.
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La cantidad de vinagre y de bicarbonato sódico: Tuvimos que ser muy meticulosos en este aspecto, midiendo muy bien las cantidades de bicarbonato y del vinagre.
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Cuando comenzamos a hacer la mezcla, salía muchísima espuma. Teníamos que ir muy despacio, introduciendo pequeñas cantidades de bicarbonato a la vez que removíamos la mezcla, hasta conseguir que ya no hubiese espuma. Fue un proceso muy lento que nos llevó bastante tiempo.
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Por otro lado la observación durante el hervido de la mezcla. Fue complicado este paso, ya que teníamos que estar muy pendientes de que apareciera la costra o capa fina en la superficie del líquido, que nos iba a alertar de que ya podíamos apagar el fuego. Este paso nos llevó prácticamente una hora.
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Durante el hervido de la mezcla, el olor a vinagre era muy intenso y dificultaba la observación de la mezcla.
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Durante el enfriado en el congelador, también tuvimos que estar muy atentos a la textura del líquido del acetato sódico, ya que era importante asegurarnos del momento exacto en que este era inestable por el cambio de temperatura y era la clave para poder introducir después cualquier objeto que le hiciera poder cristalizar. La primera vez que lo hicimos usamos el frigorífico y lo sacamos antes de tiempo y no reaccionó ante la cuchara. Por eso en nuestro segundo intento en vez de usar el frigorífico decidimos usar el congelador y observar más de cerca, en pequeños tiempos, el cambio de la textura de la mezcla.
¿POR QUÉ SE PRODUCE LA CRISTALIZACIÓN?
Al mezclar el vinagre ( CH3COOH ) y el bicarbonato ( NaHCO3 ) se produce una reacción química donde se libera dióxido de carbono ( CO2 ) en forma de burbujas de gas. Y además se produce acetato de sodio ( CH3COONa ) en forma líquida.
Este acetato de sodio al hervirse, evapora la mayor parte del agua ( H2O ) de la mezcla y obtenemos una disolución sobresaturada, es decir, la cantidad de soluto es superior a la solubilidad del disolvente, que solidifica por debajo de los 54ºC. Al enfriar la mezcla en el congelador (-22° C) la disolución se mantiene en estado líquido, aunque esté a una temperatura por debajo de su temperatura de solidificación. En realidad este estado es inestable por tanto cualquier pequeña perturbación como por ejemplo introducir un objeto, como la cuchara que pusimos en el líquido, produce su cristalización. En este proceso de cristalización, además, se libera energía en forma de calor, es decir es una reacción exotérmica.
¿QUÉ ES EL CALOR Y CÓMO INFLUYE EN ESTE EXPERIMENTO?
El intercambio de energía térmica se cuantifica con el calor, a su vez, el calor se cuantifica por variaciones de temperatura, o dicho de otra forma, el calor es la transferencia de energía que tiene lugar desde un cuerpo a mayor temperatura a otro a menor temperatura al ponerse en contacto.
El trabajo y el calor son los procesos mediante los cuales se intercambia energía.
Energía, trabajo y calor se miden en la misma unidad, el julio (J).
Al producirse una variación de temperatura hay diferentes factores que pueden influir en esta y modificar esa cantidad de temperatura que se transfiere:
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La variación de temperatura depende de la masa del cuerpo, cuanto más grande sea el objeto al que se transfiere la temperatura, más se esparce el calor y menos se nota y lo mismo al efecto contrario.
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La variación de temperatura depende de la sustancia, es decir, hay diferentes tipos de sustancias, y evidentemente, según los rasgos que las caractericen, unas atraerán el calor más, y otras menos.
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La cantidad de energía calorífica o térmica transferida es proporcional a la variación de temperatura, lo cual quiere decir que cuanto más calor o frío se traspase de un cuerpo a otro, va a variar de forma directamente proporcional la temperatura del cuerpo al que se le aplica esa energía térmica o calorífica.
En este experimento podemos observar que el calor es esencial ya que hemos tenido que hervir la mezcla, y el cambio de temperatura por tanto es un aumento de esta para que reaccione la mezcla.
En este caso, dejamos hervir a fuego lento, con la temperatura más baja de los fuegos, para ir viendo poco a poco la evolución en esta prueba, y una vez hervida, poder haber sido congelada en un refrigerador o congelador de una nevera para llevar a cabo esa forma gélida de la mezcla que se puede llamar como una especie de ‘hielo’ aunque no tenga mucho que ver con el hielo real, más bien, acetato sódico cristalizado o congelado.
También hemos podido observar que la mezcla al haber sido hervida y metida en un frigorífico, en el proceso de cristalización, libera energía en forma de calor que como ya mencionamos anteriormente es una reacción exotérmica.