¿MAGIA O QUÍMICA?
En esta sesión de Magia o química
realizaremos algunas reacciones químicas sorprendentes que parecen magia
aunque todas tengan una explicación. También comentaremos algunas para que
las hagáis
(El experimento 10, que luego se explicará,
medirá el tiempo de la sesión con un reloj, pues no tenemos pilas)
Una
reacción química es un proceso en el que varias sustancias, los
reaccionantes, se transforman en otras sustancias completamente diferentes,
los productos.
Reaccionantes à Productos
Se sabe
que una reacción tiene lugar porque una o más de estas cosas ocurre:
Cambia el color –
Diferentes combinaciones de moléculas reflejan la luz de manera diferente.
Un cambio de color indica un cambio en las moléculas.
Se desprende o cede energía – En todas las reacciones químicas, la energía de los
reaccionantes y la energía de los productos no siempre es la misma.
Algunas veces se produce un aumento de la temperatura y en otros
cosas una disminución.
Se produce un gas – Cuando se produce un gas en una disolución líquida,
pueden verse burbujas que incluso pueden explotar.
Se forma un precipitado – Los
precipitados son productos insolubles que se forman en
una disolución líquida. El producto insoluble se hunde y luego la
disolución se vuelve turbia.
Experimento 1: VISTO Y NO
VISTO
El poliestireno expandido es un material
de embalaje que se encoge y burbujea cuando se coloca en propanona (acetona)
y que puede disolver una cantidad impresionante de este material
Experimento 2: LA
BOTELLA AZUL
Se
agita una disolución incolora en un matraz. Se pone azul y después se
vuelve incolora. Esto se puede repetir muchas veces.
Sin
fuego, el hombre hubiera sido un animal bastante poco importante en el
paisaje africano. Fue el fuego el que amplió las horas en el que los
hombres primitivos podían permanecer despiertos después de la puesta del
sol. Les ayudó a esterilizar la comida que podía estar contaminada o
estropeada, y, quizás lo más importante, permitió cambiar las propiedades
de nuestro entorno. La madera se endurece, el hueso se rompe más fácilmente
para exponer la médula nutritiva de su interior, la piedra se rompe más fácilmente.
El calor del fuego permitió a los hombres primitivos aventurarse hacia el
norte, hacia climas que de otra manera resultarían poco hospitalarios. Sin
embargo más importante que estas aplicaciones iniciales fueron los nuevos
materiales que se obtuvieron a partir del fuego. La arcilla se convirtió en
cerámica, la ceniza se hizo jabón, la arena se hizo vidrio, y varios
minerales se hicieron metales
Se muestra un mechero de mecha y se explica que como en el caso del mechero, los hombres primitivos iniciaban el fuego frotando dos piedras para hacer saltar chispas.
Experimento 3: LA COMBUSTIÓN DE UNA
VELA
Se comprueba que el oxígeno es responsable de que las cosas ardan e su
seno
Materiales
Vela alta, cerillas, cristalizador
grande, probeta grande, agua
(Este experimento se
puede hacer en casa con el asesoramiento de personas mayores, utilizando un
plato y un vaso grande).
-
Se enciende la vela y utilizando la cera se pega al cristalizador y
luego se apaga. Se echa algo de agua y la vela se enciende. Se pueden
explicar las características de la llama de la vela.
-
Se coloca la probeta sobre la vela. Esta se apaga y el agua sube por
la probeta.
En el aire hay un gas que mantiene la
combustión. Aparecen otros productos como dióxido de carbono y vapor de
agua. La presión en el interior de la probeta al acabar el oxígeno es
menor que en el exterior y la diferencia de presiones hace subir el líquido
por la probeta.
El
oxígeno constituye el 20% del aire que respiramos. Con esta concentración
muchas cosas reaccionan con oxígeno desprendiendo calor y energía
luminosa. Otras cosas arden más fácilmente en oxígeno puro.
Los
compuestos orgánicos (compuestos que contienen carbono) reaccionan con oxígeno
para producir dióxido de carbono y agua.
Compuesto orgánico + O2 à CO2 + H2O (g)
La madera,
constituida por celulosa, arde muy bien en el aire, produciendo mucho
calore, luz (y humo). El color amarillento de la llama es el resultado de la
incapacidad de la madera sólida de combinarse con el oxígeno de la atmósfera;
como resultado se forma algo de carbono elemental que brilla con color rojo
amarillento. En un ambiente de oxígeno puro la madera arde con llama
brillante.
Los seres
humanos han aprendido como aquilatar combustible y controlar un fuego. Una
vela es un dispositivo para evaporar y hacer arder cera. Un mechero permite
regular la proporción de oxígeno de la llama.
CUANDO
ARDE EL PAPEL
El papel empieza a arder a aproximadamente 230ºC, la temperatura en grados Farenheit que da título a la película Farenheit 451.
Experimento 4: UN BILLETE QUE NO ARDE
Se empapa un billete de cinco euros en
una mezcla de etanol y agua. El alcohol se quema pero el papel no.
La
respiración es en cierto modo una combustión... Al respirar se suministra
al organismo el oxígeno necesario. La sangre se carga de oxígeno... y se
desprende dióxido de carbono.
Las plantas verdes son muy importantes
para la vida sobre la Tierra pues producen el oxígeno necesario para la
vida de los seres vivientes. La fotosíntesis es el proceso químico gracias
el cual las plantas liberan oxígeno a partir del dióxido de carbono y de
la energía del sol.
¿ARDEN
LOS METALES?
La
piedra, la cerámica, los materiales tejidos, y la madera tienen sus
ventajas y desventajas relativas. Sin embargo es difícil subestimar el
impacto de los metales en nuestra sociedad. Los metales pueden modelarse
como la arcilla, son resistentes al calor como la cerámica, pero no son frágiles.
Los
primeros metales se encontraban en su estado elemental o "nativo".
De esta forma sólo se encuentran, el cobre, la plata, y el oro. Evidencias
de su uso se remontan al menos 8000 años. Al principio, estos materiales
fantásticos se utilizaron inicialmente para uso ornamental o para propósitos
rituales—eran demasiado raros para propósitos utilitarios. Además son
demasiado blandos para la mayoría de los usos.
Hace
aproximadamente 7000 años se descubrió que ciertos minerales producían
metales cuando se colocaban en el fuego. Muchos de estos minerales
coloreados se utilizaban para vidriar e impartir color o textura a la cerámica.
De esta manera la primera producción de metales a partir de sus menas fue
probablemente un subproducto de la cerámica. A medida que pasó el tiempo,
los diferentes minerales produjeron metales con propiedades diferentes.
El
oro está casi siempre en su estado nativo, es decir como metal oro elemental. El cobre nativo y la
plata pueden encontrarse en algunas áreas. Los otros metales pueden
reducirse a metales a partir de sus menas.
El
mercurio, el estaño y el plomo son fáciles de reducir. Todo lo que se
necesita son las temperaturas de las fogatas. Pero estos metales son muy
blandos (de hecho el mercurio es un líquido a la temperatura ambiente) y
estos metales no tiene uso para hacer herramientas. El cobre necesita
temperaturas más altas y se diseñaron hornos especiales para alcanzar
estas temperaturas. El cobre es más duro que el mercurio, el estaño y la
plata y fue el primer metal que se utilizó para herramientas.
El
cobre es todavía blando, aunque el borde de una navaja de cobre corta fácilmente.
El siguiente avance llegó con el descubrimiento de que el cobre podía
alearse con el estaño para producir un metal, el bronce, que era más duro
que el cobre o el estaño solos. La plata es similar al cobre en dureza y
temperatura de reducción pero es mucho más raro y en consecuencia se
utiliza en primer lugar para propósitos ornamental a través de los
tiempos.
El
hierro requiere temperaturas
mucho más altas para reducirse que cualquiera de los metales que conocían
los antiguos. Consecuentemente su uso llego después en la historia después
del desarrollo de hornos cada vez más elaborados. Sin embargo excede en
muchos otros metales en dureza y después de su descubrimiento reemplazó el
bronce para su uso en el armamento.
Un
metal es tanto más noble cuanto menor sea su tendencia a combinarse con
otras sustancias, por ejemplo con el oxígeno atmosférico. Esto significa
que a la inversa, los metales nobles pueden separarse de los compuestos de
oxígeno con el menos gasto de energía. De esta manera se puede construir
una tabla en la que los metales más comunes están muy separados de los
metales nobles, lo que se llama serie electroquímica. Algunos para
separarlos de los compuestos necesitan el paso de la corriente eléctrica,
la electrolisis. Así se obtiene el aluminio a partir de la bauxita.
Experimento 5: ¿ARDEN LOS METALES?
El hierro arde en el aire
si las condiciones son favorables. El magnesio arde fácilmente
EL TRIÁNGULO DEL FUEGO
Cuatro cosas deben estar presentes al mismo tiempo
para que se produzca fuego:
-
Bastante oxígeno para mantener la combustión
-
Bastante calor para elevar la temperatura de un material hasta su temperatura de ignición,
-
Algún tipo de combustible, y
-
La reacción química exotérmica (que desprende calor), que es el fuego
El
oxígeno, el calor y el combustible se designan habitualmente como el triángulo
de fuego.
Sin
cualquiera de estas cuatro cosas no se tiene fuego. Esencialmente los
extintores apagan el fuego eliminando alguno de los elementos del triángulo
de fuego.
No todos los fuegos son iguales y se clasifican según
el tipo de combustible que está ardiendo:
La clase A – la constituyen: la
madera, el papel, la tela, los plásticos.
Los combustibles sólidos que no
son metales.
La Clase
B– Líquidos inflamables: gasolina aceite, grasa, acetona.
Esta clasificación también la constituyen los gases inflamables.
La clase C
los combustibles que tienen que ver con la electricidad. Clase
D - Metales: potasio, sodio, aluminio, magnesio.
Si se utiliza un tipo equivocado de extintor sobre
el fuego equivocado puedes hacer las cosas todavía peor.
Muchos
extintores tienen un dibujo que indican contra que fuego son indicados.
Experimento 6: ESCRITURA
AL FUEGO
Este experimento lleva consigo el hacer
arder un papel. La “tinta” contiene un agente oxidante que, cuando se
calienta, proporciona más oxígeno.
Experimento 7: DIÓXIDO
DE CARBONO APAGAVELAS
El
dióxido de carbono no permite que las cosas ardan en su seno
Este experimento se
puede hacer en casa con el asesoramiento de personas mayores, utilizando un
plato y un vaso grande).
Materiales
Cristalizador, bicarbonato
sódico, vinagre (o pastillas de alkaseltzer), cerillas, una vela.
Procedimiento
-
Se enciende la vela.
-
Se echan unos gramos de bicarbonato sódico sobre el cristalizador y sobre él vinagre (o pastillas de alkaseltzer en agua). Se inicia un intenso burbujeo.
-
Cuando se acerca la vela encendida a las burbujas estás se apagan y esto ocurre mientras dura el burbujeo.
Explicación
El dióxido de carbono no permite que las cosas
ardan en su seno y por ello se utiliza en algunos extintores.
Los
ácidos se conocen desde hace mucho. Cualquier cosa que es agria es ácida.
El primer ácido intencionalmente producido es el vinagre que está
producido por la acción de las bacterias. Es el producto de desecho del
metabolismo de las bacterias. Cuando las bacterias crecen en una bebida
alcohólica en presencia del oxígeno se producen ácido acético, que es el
componente ácido del vinagre.
En
la vida diaria tratamos con muchos compuestos a los que los químicos
clasifican como ácidos. Por ejemplo el zumo de naranja y el de limón
contienen ácido cítrico. Estos jugos y otros, también contienen ácido
ascórbico, una sustancia conocida comúnmente como Vitamina C. Las
ensaladas se aliñan a menudo con vinagre, que contiene ácido acético
diluido. El ácido bórico es una sustancia con la que algunas veces nos
lavamos los ojos.
Desde
la antigüedad, el vinagre fue el único ácido del que se disponía fácilmente.
Pero a medida que los metales fueron necesitándose fue necesario separarlos
de los minerales que los contenían. Para este propósito se buscaron ácidos
diferentes para separar los metales. Por ejemplo se obtuvo ácido sulfúrico
en los laboratorios de los alquimistas calentando un mineral, el vitriolo
verde, FeSO4(H2O)7.
Hoy en día, en laboratorio
de química, se encuentran, junto al ácido sulfúrico, otros ácidos como
el clorhídrico, y el nítrico. Se llaman ácidos minerales porque pueden
prepararse a partir de minerales. Los ácidos minerales son generalmente más
fuertes que los caseros (como el ácido acético o el cítrico) y deben
manipularse con cuidado porque pueden quemar la piel y la ropa.
Los
hombres primitivos también descubrieron que las cenizas de madera pueden
utilizarse para limpiar. Las componentes de las cenizas de la madera son
carbonato de potasio (potasa) y carbonato de sodio (sosa). Desde un punto de
vista químico las dos componentes son muy similares. Tan similares que a
pesar de que las cenizas se han utilizado durante milenios la diferencia
entre los carbonatos de sodio y potasio sólo se diferenció en el siglo IX.
La Potasa fue la primera base elaborada por el hombre.
El
hidróxido de amonio, o agua de amoniaco, es muy irritante para la nariz y
los ojos, es una base. Se utiliza a menudo en casa para limpiar porque las
bases generalmente disuelven la grasa. La leche de magnesia (hidróxido de
magnesio), que se utiliza como antiácido, es una base; la lejía (hidróxido
de sodio), que se utiliza en la manufactura del jabón, es otro ejemplo
familiar de base.
Las Bases tienen sabor amargo. También tienen
tacto jabonoso. Si frotas una gota o dos de amoniaco casero entre los dedos,
tienes una sensación jabonosa de una base. El jabón mojado es jabonoso por
la presencia de una base
Escala de pH
La fortaleza de un ácido o una base en disolución se mide en una escala
llamada de pH. Se extiende de 0 a 14 con el punto medio (pH 7) neutro (ni ácido
ni básico).
Cualquier
número pH mayor que 7 se
considera una base y cualquier número
pH menor que 7 se considera un ácido.
0 corresponde al ácido más fuerte y 14 a la base más fuerte.
Indicadores
Un
indicador es un tipo especial del compuesto que cambia de color cuando
cambia el pH de una disolución, diciéndonos el pH de la disolución. Estos
indicadores son ácidos orgánicos débiles o bases que tienen la propiedad
de cambiar el color de una disolución cuando la concentración de iones
hidrógeno alcanza un valor definido. Un indicador ácido puede
representar por la ecuación HIn
= H+ + In-
El
anión, In-, representa un complejo
grupo orgánico que ha cambiado su estructura debido a la pérdida de un ión
hidrógeno. La pérdida de iones hidrógeno es acompañada por un
cambio de color. Como una reacción de indicador es una reacción de
equilibrio, la adición de iones hidrógenos forzaría la reacción de
arriba hacia la izquierda y se traduciría en un color que indicaría una
disolución ácida. La adición de iones hidróxido haría que la
reacción fuera hacia la derecha y resultaría un color asociado a una
disolución básica.
Experimento 8: CONVERTIR EL VINO EN
AGUA
Utilizando hidróxido sódico, ácido
sulfúrico y fenolftaleina se producen cambios de color de transparente a
violeta y viceversa, en los que parece que el agua se transforma en vino y
viceversa.
Experimento 9: LIMPIALO
CON EL ALIENTO
Se mancha un tejido con una tinta
elaborada con un indicador ácido-base. Al soplar sobre la mancha el dióxido
de carbono que se produce hace cambiar el color del indicador que se vuelve
transparente.
Luigi
Galvani, un científico italiano que descubrió en 1780 que las patas de
ranas muertas se crispaban cuando se tocaban con escalpelo metálico, cuando
se colgaban de barandillas metálicas con alfileres de bronce.
Al
principio de los 1800 AD. Allessandro Volta inventó el primer dispositivo
que funcionaba para generar un flujo constante de corriente eléctrica. Se
llamó pila voltaica. Volta suponía que
cuando ciertos metales y sustancias químicas entran en contacto podían
producir una corriente eléctrica. Para probar su punto de vista, apiló
discos de plata y cinc separados por papel mojado con agua salada o con otra
disolución alcalina como la lejía. Se podían conectar en serie conectadas
con tiras metálicas. Cuanto más elementos se colocan más voltios se
producen. El invento convertía la energía química en energía eléctrica.
Napoleón
Bonaparte nombró a Volta conde y la unidad de medida eléctrica, el voltio,
se llamó así en su honor.
Se
medirá el tiempo de esta sesión con un reloj de cuarzo que alimentaremos
con una pila especial formado
por dos electrodos, uno de cobre y otro de magnesio y que se pone en marcha
con zumo de manzana.
Experimento 10: UNA PILA QUE FUNCIONA
CON ZUMO DE MANZANA
Se construye una pila con cobre y
magnesio cuyo electrolito es zumo de manzana o naranja sin gas.
La
combinación de dos metales diferentes y una disolución conductora se llama
pila eléctrica y produce electricidad. Se puede hacer una pila simple a
partir de cualquier par de metales diferentes
pero los líquidos en los que se introducirse estos deben elegirse
cuidadosamente.
Son líquidos
adecuados para hacer pilas los ácidos diluidos, las bases diluidas,
disoluciones de sales y no lo son el agua destilada, el etanol y el aceite.
La diferencia entre ambos tipos de líquidos son la presencia o ausencia de
iones. Los ácidos, los álcalis y las sales se disuelven en agua para dar
iones. Sus soluciones son buenos conductores de la electricidad. Estos
compuestos, que dan iones cuando se disuelven en agua, se llaman
electrolitos. El agua destilada, el etanol y el aceite no son electrolitos.
En nuestra
pila los metales son el cobre y el magnesio en medio ácido como es el zumo
de manzana o el de naranja, forman una pila eléctrica. La diferencia de
potencial que se produce entre los dos metales es del orden de 1,8 voltios,
suficiente para hacer funcionar el reloj de cuarzo.
LA VELOCIDAD DE LAS REACCIONES
Algunas
reacciones parecen instantáneas, por ejemplo, cuando se combinan dos sales
solubles en las reacciones de precipitación, el sólido aparece
inmediatamente. Otras reacciones tienen lugar en pocos segundos, por ejemplo
cuando se quemaba una pequeña longitud de cinta de magnesio y algunas
reacciones transcurren durante mucho tiempo como la oxidación del hierro.
Para
alterar la velocidad de reacción puede cambiarse o el número o la energía
de las colisiones y esto se puede conseguir:
a)
Cambiando la concentración
b)
Cambiando la temperatura
c)
Cambiando la presión (sólo si la reacción tiene lugar entre gases)
d)
El tamaño de las partículas
En
una reacción que tenga lugar entre un sólido y un líquido o un sólido y
un gas, la reacción tiene lugar
en la superficie del sólido. Las partículas del líquido o el gas
colisionan constantemente con la superficie del sólido.
Experimento 11: UNA REACCIÓN
CASI INSTANTÁNEA
La
reacción del nitrato de plomo (II) con el yoduro potásico es un ejemplo de
reacción casi instantánea de precipitación.
En
esta reacción se pone en evidencia la importancia de la concentración en
la velocidad de una reacción
Las
velocidades de algunas reacciones pueden alterarse añadiendo otras
sustancias químicas a las sustancias que reaccionan. Estas sustancias
pueden alterar la velocidad pero no se consumen en ella y luego aparecen
inalteradas.
Los enzimas son catalizadores que tienen que ver con las células vivas. En el interior de las células ocurren muchas reacciones químicas que sin los enzimas ocurrirían tan lentamente que las células morirían...
Experimento
13: TORRE DE
JABÓN
Cuando se mezclan peróxido de hidrógeno, disolución de ioduro de sodio y lavavajillas se produce una gran erupción de espuma.