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Sodio un metal poco convencional

El 5 de diciembre de 1987 el buque Casón, debido al temporal, embarrancó en la costa gallega  cerca de Fisterra.
Transportaba 1100 toneladas de productos muy peligrosos por su toxicidad o inflamabilidad. Entre estos últimos se encontraba el sodio que al entrar en contacto con el agua de mar dio lugar a violentas explosiones.

En el vídeo se puede ver lo que sucede cuando el sodio metálico entra en contacto con agua. Los  barcos de papel van cargados con unos pequeños trozos del metal. En la segunda parte del vídeo se sitúan unos fragmentos de sodio en el fondo de la pileta.

El sodio, Na, es un metal alcalino. Aunque de color y aspecto metálico, muchas de sus propiedades no encajan en la idea que normalmente tenemos de como debería comportase un metal. Su densidad es menor que la del agua por lo que flota en ella. Es suficientemente blando como para cortarlo con una navaja y lo que aquí nos importa, reacciona violentamente con el agua ya que libera hidrógeno y calor suficiente para que este arda.

2 Na(s) + 2H2O(l) –> 2NaOH(ac) + H2(g) + calor
2 H2(g) + O2(g) –> 2 H2O(l) + calor

Efecto Mpemba

¿Qué es el Efecto Mpemba?

Se llama Efecto Mpemba al fenómeno consistente en que bajo ciertas circunstancias el agua caliente se congela antes que el agua fría.

Un poco de historia

Aristóteles(384-322 a.C.) en su obra “Meteorológicos” ya hace referencia a este efecto, así como Roger Bacon(c. 1214-1294),  Francis Bacon(1561-1626) en su Novum Organum o René Descartes(1596-1650) en su Discurso del Método.

Erasto Mpemba

El efecto, un poco olvidado, volvió a primer plano en los años 60 del siglo pasado de la mano de Erasto Mpemba, del que recibe su nombre. Mientras estudiaba en un colegio de secundaria en Tanzania sus compañeros y él hacían helado en una nevera del colegio compitiendo por el poco espacio existente dentro de la misma. En una ocasión para no quedarse sin sitio metió el líquido recién hervido en la nevera en lugar de dejarlo enfriar previamente como era lo habitual. Al abrir la nevera al cabo de hora y media observó para su sorpresa que su helado estaba congelado mientras que el de un compañero, que  había introducido la misma cantidad, al mismo tiempo, pero a una temperatura mucho más baja, todavía estaba líquido.

Le preguntó a su profesor de física cual podía ser la explicación, recibiendo la respuesta “Te has confundido eso no puede pasar”.

Pasado el tiempo cambió de colegio y en el laboratorio de biología repitió el experimento con parecidos resultados.

En esa época Denis Osborne, jefe del Departamento de Física de la Universidad de Dar es Salam, dió una conferencia en el colegio y en la ronda final de preguntas Erasto le preguntó: “Si coges dos vasos de precipitados con la misma cantidad de agua, uno a 35ºC y el otro a 100ºC, y los pones en un congelador, el que estaba a 100 ºC se congela primero. ¿Por qué?”. Osborne le contestó que lo comprobaría y le animó a que siguiese estudiándolo.

De vuelta a su universidad Osborne  encargó a un técnico de laboratorio que hiciese la experiencia. El ayudante le informó una vez realizado el experimento que efectivamente el agua caliente se había congelado primero pero que “Continuaremos repitiendo el experimento hasta que obtengamos el resultado correcto”. Posteriores experimentos confirmaron los resultados de Erasto.

Mpemba y Osborne en 1969 publicaron un artículo de forma conjunta en la revista Physics Education en el que se recoge todo lo anterior:

En el video siguiente podemos ver a Osborne y  Mpemba  recordando lo sucedido :

Premio de la Royal Society of Chemistry

En 2012 la RSC ofreció un premio de 1000 libras a la persona o grupo que ofreciese la explicación más creativa del efecto Mpemba. Se recibieron más de 22 000 participaciones de todo el mundo. El ganador fue Nikola Bregovic, de la Universidad de Zagreb. En la web de la RSC puede leerse su trabajo, el de los finalistas y otros aspectos interesantes relacionados con el  premio y el efecto Mpemba.

Explicación del efecto

A día de hoy no hay todavía un acuerdo sobre la explicación del efecto. Dentro de las  causas posibles se han mencionado:

Evaporación

El agua caliente se evapora más de prisa que el agua fría, como consecuencia hay menos agua que congelar al llegar a la temperatura de fusión.

Gases disueltos

El agua fría tiene una mayor cantidad de gases disueltos que el agua caliente. Las moléculas de los gases en disolución incrementan la viscosidad del agua fría  dificultando las corrientes de convección. La presencia de gases disueltos también produce un descenso del punto de fusión.

Aumento de la convección

En el agua caliente se produce una mayor diferencia de temperatura entre el centro del recipiente donde el líquido se mantiene caliente y la zona en contacto con las paredes en la que se enfría más deprisa. Esta diferencia de temperatura favorece las corrientes de convección.

El baño del osito de gominola

El baño

Un osito de gominola, que está constituido básicamente por azúcar común(sacarosa),  arde violentamente cuando lo introducimos en un tubo de ensayo que contiene clorato potásico fundido.

La química

El clorato potásico, KClO3, es un agente oxidante o comburente ya que cuando se calienta produce oxígeno. Esto quiere decir que facilita el que una substancia combustible arda o, dicho en términos químicos se oxide.

Al dejar caer el osito en el tubo de ensayo que contiene el clorato potásico fundido se produce una violenta reacción de combustión ya que la energía liberada en el proceso aumenta el poder oxidante del KClO3 al conseguir que este libere oxígeno más rápidamente.

Las reacciones químicas que tienen lugar son las siguientes:

2KClO3(l) + Energía→ 2KCl(s) + 3O2(g)

C12H22O11(s) + 12O2(g) → 12CO2(g) + 11H2O(l) + Energía

Una variante de está reacción la puedes ver en la entrada: Aliento de dragón

A tener en cuenta

Esta experiencia es  peligrosa y solo la debe intentar un adulto con experiencia en el manejo de substancias peligrosas.

Reacción Old Nassau

Una reacción reloj es aquella en la que al cabo de un cierto tiempo de mezclar los reactivos aparece súbitamente un producto.

En el vídeo a continuación podemos ver la reacción Old Nassau, tambien conocida como la reacción de Halloween. Es una reacción reloj en la que una disolución incolora se vuelve primero naranja y luego negra.

Un poco de historia

El nombre se debe a que fue descubierta por dos estudiantes de la Universidad de Princeton, cuyos colores son el naranja y el negro, y en la que hay un edificio histórico, Nassau Hall, que se le conoce coloquialmente con el nombre de Old Nassau, en el que en 1796 comenzó a funcionar uno de los primeros laboratorios para estudiantes universitarios de los que se tiene noticia.

Un poco de química

Los líquidos que contienen los tres vasos de precipitados que se ven en el vídeo son disoluciones acuosas de:

  1. metabisulfito sódico con un poco almidón.
  2. cloruro de mercurio(II)
  3. yodato potásico

El color naranja se produce cuando se dan las condiciones para que precipite yoduro de mercurio(II) de color naranja. Cuando se acaba el catión mercurio(II) si todavía hay aniones yoduro y yodato, reaccionan para dar yodo que con almidon produce un complejo de color azul oscuro casi negro.

Más información

Un análisis más detallado y los detalles concretos de como llevarla a cabo se pueden encontrar en :

  • Lister, Ted. 1995. Classic Chemistry Demonstrations.  (London: The Royal Society of Chemistry)

Editado en español como:

  • Lister, Ted. 2002. Experimentos de Química clásica.  (Madrid: Síntesis)

La Nuffield Foundation en colaboración con la Royal Society of Chemistry mantiene un recurso denominado Practical Chemistry en el que se encuentran los experimentos del libro mencionado incluyendo la reacción reloj Old Nassau.

Aliento de dragón

La magia

Un papel que está sobre un plato comienza a arder cuando el mago le sopla

La química

El papel se presenta sobre un plato que contiene en el extremo más alejado del mago una mezcla de clorato potásico (KClO3) y azúcar (sacarosa, C12H22O11) .  En el extremo opuesto hay una pequeña cantidad de ácido sulfúrico (H2SO4).

Cuando el mago eleva el plato y al mismo tiempo que comienza a soplar sobre el papel, lo inclina ligeramente  de tal forma que el ácido sulfúrico resbala lentamente hacia donde está la mezcla de los  otros dos reactivos.

Antes de la demostración mientras se presenta la misma a la audiencia, el plato está sobre la mesa con el papel encima. Para que no se mezclen los reactivos antes de tiempo se puede elevar un poco el extremo que contiene la mezcla del azúcar y el clorato potásico poniendo un lápiz u otro objeto debajo del plato.

Las reacciones

Una posible explicación de lo que sucede es que el sulfúrico reacciona con el clorato potásico dando ácido clórico que a continuación reacciona violentamente con el azúcar.

2 KClO3 + H2SO4 → 2HClO3 + K2SO4

8 HClO3 + C12H22O11 → 11 H2O + 12 CO2 + 8 HCl

A tener en cuenta

Esta experiencia es  peligrosa y solo la debe intentar un adulto con experiencia en el manejo de substancias peligrosas.

El ácido sulfúrico es corrosivo y aunque no es volátil hay riesgo de que los humos que resultan en el experimento lo contengan además de cloruro de hidrógeno.

El azúcar y el clorato potásico hay que mezclarlo con cuidado ya que puede existir riesgo de explosión por percusión, por ejemplo si se utiliza un mortero.