martes, 10 de noviembre de 2009

Experimentos de Química III

El volumen del agua.

El agua es una sustancia maravillosa, abundante en nuestro planeta Tierra y gracias a la cual existe la vida. Una de sus notables propiedades es que aumenta de volumen al congelarse, al revés que la mayoría de las sustancias, que se contraen, se "achican", cuando se las enfría. Hagamos este sencillo experimento para comprobarlo:

Consigamos una pequeña botella o frasco de vidrio con tapa metálica, como las que se usan para píldoras medicinales. La llenamos completamente con agua y la cerramos con su tapa, fuertemente apretada. Ahora colocamos el frasco dentro de una lata vacía (de tomates o duraznos al natural) y llevamos todo al congelador ("freezer") de la heladera.

Al otro día comprobaremos que la tapa ha sido forzada hacia afuera por el agua congelada, que ahora desborda del frasco al haber aumentado de volumen. También puede ocurrir que, si no cede la tapa, se rompa el frasco de vidrio por la enorme presión que ejerce el agua al aumentar de volumen; por eso es conveniente poner el frasco dentro de una lata, que retendrá los pedazos de vidrio que puedan desprenderse.

Pero si una cantidad de agua aumenta de volumen al convertirse en hielo en comparación con la misma cantidad de agua líquida, significa que su densidad (lo que pesa cada cm3) disminuye. Y eso explica porque el hielo flota en el agua (ya sea un cubito en un vaso o un témpano en el mar).

Este comportamiento del agua también explica porque se parten las piedras con grietas que se llenan de humedad durante el día y se congelan durante las frías noches en las zonas de montaña, o porqué revientan las cañerías domiciliarias y los radiadores de los autos durante el invierno en zonas en las que la temperatura llega a varios grados por debajo de cero.

Mezclar es fácil, pero separar...

Muchas veces los químicos necesitan separar los componentes de una mezcla, y para eso usan una técnica denominada cromatografía. Vamos a aplicar esa técnica en un experimento sencillo que nos mostrará como se separan los componentes de la tinta de escribir de un marcador de fibra.

Necesitaremos una tira de papel poroso de unos 2-3 cm. de ancho, que puede ser el papel de filtro que se usa en los laboratorios químicos o, simplemente, el borde no impreso de una hoja de diario. La longitud debe ser más o menos igual a la altura de un frasco alargado de café, mermelada, etc. A unos 3 cm. de un extremo hacemos un punto de 2-3 mm. de diámetro con un marcador de fibra de color negro y luego sujetamos con cinta adhesiva el otro extremo a la parte interna de la tapa del frasco, de manera que el extremo inferior casi toque el fondo. Vertemos alcohol fino en el frasco hasta una altura de 1 cm. y luego introducimos la tira de papel colgando de la tapa, cerrando el frasco de manera que el extremo inferior quede sumergido en el alcohol. Dejamos todo en un lugar tranquilo.

Veremos que el líquido subirá lentamente por la tira de papel arrastrando consigo a los colorantes que están mezclados en la tinta. Cuando el alcohol llegue al extremo superior, sacamos la tira y la dejamos secar. Con un poco de suerte, veremos que aparecerán dos o más manchas de distinto color, correspondientes a los distintos colorantes que se han mezclado para fabricar la tinta. Probemos con tintas de otros colores.

Qué es un gas?

Vivimos sumergidos en un gas y respiramos un gas, que es el aire. Pero, qué es un gas? Cualquier gas, como el aire, el anhidrido carbónico de las bebidas gaseosas, el cloro que se usa para fabricar agua lavandina, etc. está formado por muchísimas partículas a las que llamamos moléculas, tan pequeñas que no pueden verse con los microscopios comunes, por más poderosos que estos sean. Y efectivamente son muchísimas. Por ejemplo, en una botella de 1 litro caben más de 1022 moléculas de aire (10^22 es una manera cortita de significar un 1 seguido de 22 ceros. Prueben de escribirlo...¡Es realmente una cantidad muy, muy grande!).

Todos sabemos que para poder usar una bicicleta hay que inflar bien las gomas. Con el inflador forzamos la entrada de aire a la cámara: cuánto más aire entra, más moléculas habrá y mayor será la presión, lo que significa que mayor será la fuerza que el aire ejerce sobre las paredes de la cámara. Y esa fuerza se produce porque las moléculas de aire se mueven rápidamente chocando constantemente contra las paredes de la cámara: cuanto más moléculas haya, mayor será el número de choques por segundo y mayor será la presión. En una rueda de bicicleta la cubierta, más rígida, no permite que la cámara aumente de volumen. Pero si no estuviera la cubierta, esa cámara se inflaría como un globo como consecuencia del aumento de la presión. Como depende el volumen del gas de

  1. ¿El número de moléculas en el interior del recipiente?
  2. ¿La presión dentro del recipiente?
  3. ¿La velocidad de las moléculas (que depende de su temperatura)?

Los elementos químicos.

Todo el Universo, todo lo que nos rodea, nosotros mismos, estamos formados por átomos de distintos tipos. Cada tipo de átomo es lo que se denomina elemento químico. Y cada elemento químico tiene un nombre, tiene un símbolo formado por letras y tiene sus propiedades particulares. Algunos son gases, como el oxígeno (O), el nitrógeno (N) o el cloro (Cl). Unos pocos son líquidos, como el mercurio (Hg) o el bromo (Br). Y la mayoría son sólidos, como el hierro (Fe), el azufre (S), el sodio (Na) o el oro (Au). Algunos elementos son muy comunes, como el silicio (Si) y el oxígeno, que combinados forman la arena. Otros elementos, en cambio, son bastante raros o escasos, como el praseodimio (Pr), el francio (Fr) o el yterbio (Yb).

Cuántos elementos químicos existen en la Naturaleza? Existen 92 en total, aunque un par de ellos no se encuentran en nuestro planeta Tierra (no nos referiremos a los elementos artificiales, creados por el hombre). El elemento más simple y liviano es el hidrógeno (H) mientras que el más pesado es el uranio (U). Estudiar como se comportan los distintos elementos, como se combina cada uno de ellos con los demás sería muy complicado si no hubiese un orden determinado. Afortunadamente, los elementos se pueden ordenar de menor o más liviano (H) a mayor o más pesado (U) en la llamada Tabla Periódica de los Elementos. En esa Tabla los elementos quedan ordenados en sentido vertical por familias de elementos con propiedades químicas parecidas, lo cual facilita enormemente su estudio.

Agua con exceso de oxígeno.

Como mencionamos en La electrólisis del agua, el agua es representada por los químicos con la fórmula H2O, que significa que tiene dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno. Pero existe una molécula que es pariente cercano de esta y que tiene dos átomos de hidrógeno y dos átomos de oxígeno y que los químicos escriben H2O2. Esa sustancia es el "agua oxigenada" (también llamada peróxido de hidrógeno) que se compra en la farmacia para desinfectar heridas, decolorar el pelo, etc. debido a que libera muy fácilmente el oxígeno "extra" y entonces resulta un oxidante muy fuerte. Para que no sea demasiado fuerte, se la vende diluida con agua común como agua oxigenada de 10 volúmenes, de 20 volúmenes, etc. Eso significa que un volumen de agua oxigenada puede descomponerse liberando 10 veces, 20 veces, etc. ese volumen de oxígeno gaseoso.

Esa descomposición para formar oxígeno gaseoso puede provocarse mezclando el agua oxigenada con un catalizador adecuado, como veremos en este par de experimentos:

1.- Necesitaremos agua oxigenada de cualquier concentración, un frasco de vidrio limpio (de café, mermelada, etc.) y una pila de carbón o alcalina que ya no sirva.

Con ayuda de una sierra para metales y cuidando de no lastimarse los dedos, abrimos la pila y sacamos algo de la sustancia negra de su interior, que es una mezcla de carbón y dióxido de manganeso (MnO2 para los químicos). Ahora vertemos unos mililitros de agua oxigenada en el frasco y le agregamos un poco de esa sustancia negra: veremos que se produce un abundante desprendimiento de burbujas. Ocurre que el dióxido de manganeso actúa como catalizador, provocando la descomposición del agua oxigenada y la formación de las burbujas de oxígeno puro.

2.- En este segundo experimento, además del agua oxigenada y el frasco, necesitaremos uno o dos mililitros de sangre, que podemos pedir al carnicero del barrio. Luego de verter un poco de agua oxigenada en el frasco, agregamos la sangre. Otra vez, veremos un abundante desprendimiento de oxígeno por descomposición del agua oxigenada, ahora debido a una sustancia que todos tenemos en la sangre y que se llama peroxidasa. Esa sustancia, entre otras, nos protege de las pequeñas cantidades de agua oxigenada que se forman en el organismo a partir del oxígeno del aire que respiramos, y que de otra forma atacarían los tejidos acelerando el proceso de envejecimiento.

En cualquiera de los dos experimentos es posible comprobar que el gas que se desprende es oxígeno introduciendo en el frasco una astilla de madera con un extremo encendido: si la cantidad de oxígeno es suficiente, veremos que comienza a arder más vivamente.

No hay comentarios:

Publicar un comentario