El ácido sulfúrico deshidrata

Lo que vemos

Al añadir ácido sulfúrico a un tubo de ensayo que contiene sacarosa (azúcar de mesa), se observa como el azúcar se deshidrata convirtiéndose en una masa esponjosa de carbón que sale del tubo adoptando la forma de  una serpiente negra.

La química

De una forma simplificada se puede considerar que lo que sucede es lo siguiente:

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Reacción espectacular

Lo que vemos

Si vertemos glicerina sobre permanganato potásico, al cabo de unos segundos se produce una espectacular reacción entre ambos.

La química

El permanganato potásico (KMnO4) oxida a la glicerina, 1,2,3-propanotriol (CH2OH-CHOH-CH2OH) a dióxido de carbono y agua que se transforma en vapor haciendo uso de parte del calor liberado. El permanganato se reduce Mn4+.

La reacción es exotérmica, libera calor. Al principio es lenta pero a medida que la temperatura aumenta, también lo hace la velocidad de reacción.
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La pila de limón

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Índice

  1. Introducción
  2. Fabricando una pila en casa
    1. ¿Qué se necesita?
    2. A tener en cuenta
    3. Montando la pila
      1. Hay que asegurarse de que :
      2. Algo se enciende
      3. Uniendo dos pilas
      4. Si no funciona:
      5. ¿Donde está el limón?
  3. La explicación [nivel 1]
  4. La explicación [nivel 2]
    1. ¿Qué es una reacción química?
    2. En algunas reacciones se intercambian electrones
    3. El clavo y el vinagre contienen los reactivos de la reacción
    4. ¿Qué sucede en la pila?
  5. Algunos comentarios
    1. Sobre el ladrón de julios
    2. ¿Qué sucede en la pila?
    3. Cómo aumentar la corriente de la pila
    4. Como aumentar la tensión de la pila
    5. La pila de limón y los errores conceptuales
      1. Errores conceptuales habituales en la explicación del funcionamiento de la pila
      2. Un ejercicio
  6. Referencias bibliográficas
    1. La pila de limón, construcción, funcionamiento y variantes
    2. Sobre errores conceptuales en electroquímica

Introducción

Hace unos días al preparar material para un taller de electricidad y magnetismo en el MUNCYT, destinado a chavales entre 11 y 14 años, comprobé que la fabricación de una pila casera con limón y sus variantes es una actividad muy popular. Una búsqueda en Google (Por ejemplo “pila de limón” o “lemon battery”) devuelve miles de páginas y vídeos en los que se nos explica como construir una pila con materiales que se encuentras en muchas casas.

En esta entrada hay una versión de la actividad usada en el taller, una explicación de lo que sucede contada a alumnado de secundaria en dos niveles de complejidad y algunos comentarios que pueden ser de interés para alumnado de bachillerato que esté estudiando electroquímica o cualquier persona interesada en preparar la actividad.

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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

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.

¿Magia?… No, química

Primero la magia

El mago vierte un poco de vino tinto en cinco vasos vacíos:

  1. En el primero no hay ningún cambio.
  2. En el segundo el vino tinto se transforma en agua.
  3. En el tercero en leche.
  4. En el cuarto en batido de frambuesa.
  5. Y en el quinto en gaseosa.

Ahora la química

El “vino tinto” es realmente una disolución de permanganato potásico en medio ácido (sulfúrico).

  1. En el primer vaso no hay nada.
  2. En el segundo hay tiosulfato sódico que decolora (reduce) al permanganato del “vino tinto”.
  3. En el tercero hay tiosulfato, que como antes reduce al permanganato, y cloruro de bario  que forma un precipitado blanco (sulfato de bario) con el sulfato del “vino”.
  4. En el cuarto solo hay cloruro de bario, que precipita sin que el “vino” cambie de color.
  5. En el quinto además del tiosulfato que reduce al permanganato hay un poco de carbonato sódico que con el sulfúrico da lugar a burbujas de dióxido de carbono.

Las reacciones

El tiosulfato reduce al permanganato en medio ácido:
2 MnO4(ac) + 16 H+(ac) + 10 S2O32−(ac) →
→ 2 Mn2+(ac) + 5S4O62−(ac)+ 8 H2O(l)

El sulfato precipita a los cationes bario:
Ba2+(ac) + SO42−(ac) → BaSO4(s)

El carbonato en medio ácido da lugar a dióxido de carbono:
CO32−(ac) + 2 H+(ac) → H2O(l) + CO2(g)

Más información

  • 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 Turning ‘red wine’ into ‘water’.

 

Capsaicina: un poco de picante

capsaicina
capsaicina: 8-metil-N-vanillil-trans-6-nonenamida

La capsaicina, es el alcaloide más común de un grupo de compuestos naturales, los capsaicinoides, responsables del picor de los frutos de la mayoría de las especies del género Capsicum, la más común Capsicum annuum, que dependiendo de la localización geográfica recibe los nombres de chile, ají, guindilla o pimiento entre otros.

Dentro de los frutos, que son huecos, se encuentran las semillas en un tejido esponjoso llamado placenta. En la superficie de ésta, en pequeñas gotitas, es donde se acumula la capsaicina. Al trocear el pimiento la capsaicina se extiende por las semillas y el interior del fruto.

Las plantas la producen probablemente como defensa de los herbívoros que se alimentan de ellas. Las aves que tragan las semillas y contribuyen a su dispersión no se ven afectadas.

¿Qué efectos nos produce la capsaicina?

Capsicum annuum
Capsicum annuum

En los mamíferos la capsaicina no activa los receptores gustativos sino los receptores neuronales que transmiten información a los centros que procesan el dolor en el cerebro y médula espinal. Por esta razón al comer un pimiento picante o  incluso al entrar en contacto ciertas partes del pimiento con nuestra piel notamos una sensación similar a la que experimentaríamos al quemarnos. Una exposición prolongada hace que el receptor se insensibilice a la capsaicina y a otros estímulos dañinos. Este comportamiento permite usar la capsaicina para el tratamiento del dolor en neuropatías diabéticas o artritis reumatoide.

Aparte de la sensación de picor y quemazón, la capsaicina produce una sensación placentera ya que desencadena la liberación de endorfinas por parte del cerebro. Parece también que reduce la sensación de apetito y eleva la temperatura corporal ayudando a quemar energía con lo que puede favorecer el control del peso.

¿Y si nos arrepentimos?

No todo el mundo se pone de acuerdo en como reducir su efecto si nos arrepentimos cuando ya la tenemos en la boca. Varias de las propuestas son:

  • enfriar los receptores nerviosos, por debajo de la temperatura a la que se activan, con hielo o algo frío. (McGee)
  • distraer a los nervios con otro tipo de señal usando comida áspera como galletas, arroz o azúcar. (McGee)
  • expulsar la capsaicina de los receptores nerviosos mediante la caseína presente en la leche y en otros derivados lacteos. (Atkins)

El agua no sirve ya que la capsaicina no se disuelve en ella.

Escala Scoville

Escala Scoville
Escala Scoville

El método Scoville es una medida subjetiva del picor de los pimientos desarrollado en 1912 por el químico farmacéutico Wilbur Scoville. Originalmente la capsaicina se extraía con alcohol y luego se iba probando en disoluciones cada vez más diluidas hasta que dejaba de notarse el picante.
1 SHU (Scoville heat unit) equivale a 1 ppm (parte por millón) de capsaicina.
En la actualidad la determinación de la cantidad de capsaicinoides contenida en los pimientos se realiza con precisión mediante cromatografía líquida de alta resolución (HPLC).

Según el libro Guiness de los records, el pimiento más picante es el “Carolina Reaper” con una media de 1569300 SHU determinado en pruebas realizadas en 2012 en la Universidad de Winthrop en Carolina del Sur.

Algunas especies frecuentes

  • Capsicum annuum: chile serrano [10000-25000], pimiento de cayena [30000-50000], chile jalapeño [2500-9000], pimiento de Padrón [2500-5000]
  • Capsicum frutescens: chile tabasco [30000-50000]
  • Capsicum chinense: chile habanero [100000-350000], “Carolina Reaper” [1500000-2200000 SHU]
Más información

Atkins, Peter. Atkins’ Molecules. Cambridge University Press. (London, 2003)

McGee, Harold. La cocina y los alimentos. Debate. (Barcelona, 2007)

Preguntas y Respuestas

Entre los libros de divulgación científica es popular el formato preguntas y respuestas. Esta popularidad viene de antiguo como se aprecia mirando las fechas de alguna de las ediciones que se mencionan a continuación:

Algunos clásicos

  • Ackerman, A. S. E. 1923. Popular Fallacies. (London: The Old Westminster Press)

“Explained and corrected. With copious references to authorities)”

  • Ackerman, A. S. E. 1925. Scientific Paradoxes and Problems. (London: The Old Westminster Press)

“Simultaneously broadcast from 2LO” ackermann_scientific_paradoxes_and_problems

  • Brewer, E.C. 1858. La clave de Las Ciencias. Manual para el conocimiento de los fenómenos comunes de la naturaleza. (Madrid: Calleja, López y Rivadeneyra)

“Traducido de la novena y última edición inglesa; obra acomodada á España en todo lo que varia por influencias atmosféricas y topográficas”

  • Formey, 1825. Definiciones y elementos de todas Las Ciencias. (Barcelona: Imprenta de Sierra y Martí).
  • Hampson, W. 1912. Paradojas de la Naturaleza y de la Ciencia. (Madrid: Daniel Jorro)

“Descripción y Explicación de hechos que parecen contradecir la experiencia ordinaria o los principios científicos”

  • Joyce, J. 1862. Scientific Dialogues. (London: Milner and Company)

“intended for the instruction & entertainment of young people in which the first principles of natural and experimental philosophy are fully explained. With two hundred wood cuts.”

  • Turner, 1830. Compendio de las Artes y Ciencias. (Madrid: Imprenta de D. L. Amarita)

“Extractado del que se enseña en las academias y escuelas públicas de Inglaterra. Acomodado por preguntas y respuestas a la inteligencia de la juventud española”

  • Zurcher, F. , 1863. La Ciencia para todos. (Barcelona: Imprenta del diario de Barcelona)

Algunas referencias actuales

  • Aguilar, J.; Senent, F. 1980. Cuestiones de física. (Barcelona: Reverté)

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Un clásico en España. Cientos de preguntas clasificadas en 52 capítulos. En un subtítulo se aclara: “ Cuestiones de física para los alumnos de primer curso de las facultades de ciencias y escuelas especiales” A pesar de lo anterior, se puede disfrutar de muchas de sus preguntas con unos conocimientos elementales de física.

  • Asimov, I. 1996. Cien preguntas básicas sobre la ciencia. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Epsteinn, L.C. 2002. Thinking Physics. (San Francisco: Insight Press)

Alrededor de 250 preguntas con sus respuestas detalladas, clasficadas en 11 categorías

  • Frova, A. 2008. Por qué sucede lo que sucede. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Ghose P.; Home D. 1995. Riddles in Your Teacup. (London: Institute of Physics Publishing)
  • Jargodzki, C.P 1986. Rompecabezas y paradojas científicos.( Barcelona: Salvat)
  • Jargodzki, C.P.; Potter, F. 2001. Mad about Physics. (New York: John Wiley)

Alrededor de 400 preguntas y respuestas, muchas de ellas con referencias blibliográficas, clasificadas en 12 categorías. Si hay que quedarse con uno solo este es uno de los candidatos.jargodzki_mad_about_physics

  • Jonas, A.R. 1999. Las respuestas y las preguntas de la ciencia. (Barcelona: Crítica)
  • Jou, D.,Baig, B., 1993. La naturaleza y el paisaje. (Barcelona: Ariel)
  • Langue, V. N. 1978. Paradojas y sofismas físicos. (Moscú: Mir)
  • Langue, V. N. 1984. Problemas experimentales ingeniosos de física. (Moscú: Mir)
  • Langue, V. N. 2011. Paradojas, sofismas y problemas recreativos de física. (Moscu: URSS)
  • Lévy-leblond, J. M. 1982. La Física en preguntas. Mecánica. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Lévy-leblond, J. M.; Butoli, A. 1986. La Física en preguntas. Electricidad y magnetismo. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Makovetski, P. 1995. ¡Mire al fondo de las cosas! (Madrid: Rubiños -1860)
  • Perelman, Y. 1995. ¿Sabe usted Física?. 2 Tomos. (Madrid: Rubiños -1860)
  • Potter, F. ; Jargodzki, C.P. 2005. Mad about modern physics. (New Jersey: John Wiley)

En torno a 250 preguntas y respuestas. Una continuación de “Mad about physics” de los mismos autores.walker_the_flying_circus_of_physics

  • Shaskol’skaya M.P.; El’tsin, I.A. 2013. Selected problems in physics. (New York: Dover)
  • Staguhn, G. 2004. ¿Por qué? (Barcelona: RqueR)
  • Tarásov L.; Tarásova A. 1976. Preguntas y problemas de Física. (Moscú: Mir)
  • Vergara, W.C.,1990. Science in everyday life .(London: Book Club)
  • Vinagre F.; Mulero, M.R.; Guerra, J.F. 2013. Cuestiones curiosas de química. (Madrid: Alianza Editorial)
  • Walker, J. 2007. The flying circus of physics. (Chichester: John Wiley)

Mas de 900 preguntas y respuestas clasificadas en 7 categorías. El sitio http://www.flyingcircusofphysics.com es una extensión del libro con actualizaciones de las respuestas, vídeos y miles de referencias bibliográficas.

Si hay que quedarse con uno solo de los libros este sería un candidato.

  • Wolke, R.L. 2002. Lo que Einstein no sabía. (Barcelona: Robinbook)
  • Wolke, R.L. 2003. Lo que Einstein le contó a su barbero. (Barcelona: Robinbook)