He
elegido este experimento como inicio del blog debido a la facilidad tanto de la
realización como la obtención de los productos necesarios; que aunque son de
fácil fabricación casera, sale más rentable su adquisición.
Este
experimento suele ser conocido como “hielo instantáneo”, ya que parece
“congelarse” de inmediato un líquido con la apariencia del agua. Curiosamente,
es el fundamento de esas bolsas que se encuentran en algunos comercios, que
crean frío (hielo), con solo golpear el interior de la bolsa. Pero
antagónicamente, es el proceso inverso al que nos referimos el que causa tal
efecto “endotérmico” (proceso que absorbe energía del medio).
Para
comenzar, es necesario saber un poco más del producto químico “estrella” de
este experimento: El acetato sódico.
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Acetato sódico cristalizado por el método descrito aquí |
Los
acetatos son, llanamente, las sales que produce el ácido acético; que los
humanos utilizamos como vinagre.
¿Sabía que a emperadores romanos del corte de
Nerón o Calígula se les atribuye su trastornada mente debido a que utilizaban
plomo para confeccionar vasos? Y en estos bebían vino. El etanol del vino se
transforma lentamente en ácido acético, y este reacciona con el plomo de los
vasos produciendo acetato de plomo, una de las pocas sales de plomo solubles en
agua, causante del “saturnismo” que se les achaca a estos personajes
históricos. ¿Y las vinagreras de cobre? El acetato azulado fue causante secreto
de cientos de envenenamientos en tiempos pretéritos.
Técnicamente, el acetato
es la base conjugada del ácido acético. Como el ácido acético es un ácido débil
(no es capaz de perder gran cantidad de protones en medio acuoso), los acetatos
de los dos primeros grupos suelen tener naturaleza alcalina en disoluciones
acuosas. Esto es importante, ya que al ser las sales de un ácido débil, son muy
utilizadas para obtener ácido acético, ya que:
Acido
fuerte + Sal ácido débil = Ácido Débil + Sal acido fuerte
De esta
manera, puede obtenerse ácido acético haciendo reaccionar ácido clorhídrico y
acetato sódico (además de cloruro de sodio); análogamente pueden obtenerse de
esta forma nitrato y sulfato de sodio.
Obtener
acetato de sodio es también sencillo, dada la reacción:
CH3COOH + NaHCO3 → CH3COONa
+ CO2 + H2O
El
bicarbonato de sodio (NaHCO3) y el vinagre (CH3COOH)
reaccionan para dar acetato de sodio (CH3COONa), dióxido de carbono
gaseoso (CO2) y agua.
Como la
estequiometría de la reacción es 1:1, es fácil calcular cuanto acetato
obtendríamos de unas cantidades iniciales de los reactivos utilizados, y
viceversa.
El
vinagre comercial suele ser de 1M ( 1 mol de ácido acético en un litro de
agua), o lo que es lo mismo: cada 100 mL de vinagre, 6 gramos son ácido acético
puro. Pongamos que queremos utilizar 1 L de vinagre, en donde hay
aproximadamente 60 g de ácido acético, que es el peso molecular del mismo. Por
tanto, tenemos 1 mol de ácido. Lo más sensato es utilizar 1 mol de bicarbonato
(84 gramos). De esta forma deberíamos obtener 1 mol de acetato de sodio (cerca
de 82 gramos), otro de dióxido de carbono (podríamos llenar un globo de 22,4
litros en condiciones normales) y 18 mL más de agua en la disolución.
Esto,
en la teoría suena muy bonito. La realidad es que el vinagre contiene otros
productos “indeseables” disueltos, tales como metabisulfito de sodio
(conservantes), y vaya usted a saber las impurezas que trae el bicarbonato (en
mi caso, adquirido en el chino de la esquina). El acetato final es de un color
pardusco y de olor profundo y nauseabundo. Para obtener un kilo de acetato
necesitamos cerca de 13 litros de vinagre y más de un kilo de bicarbonato, además
de mucha energía con la que evaporar casi 13 litros de agua. Es más rentable
adquirir el acetato sódico puro en alguna tienda especializada (Manuel Riesgo
en Madrid), a 6€/kg. Debido a la mala calidad del producto, describiré muy
someramente el proceso para crear acetato en casa:
Se
mezcla el vinagre y el bicarbonato, hasta que cese el burbujeo y la producción
de gas. A continuación, en una cazuela, se calienta la mezcla hasta que el agua
comience a evaporar. Cuando queda poco agua, se observa detenidamente hasta que
el acetato precipita, y se retira del fuego. Es un proceso delicado ya que el
acetato descompone a poco más de 120 ºC. Insisto en aconsejar la compra del
producto y no guarrear con vinagre y bicarbonato salvo por pura didáctica
personal.
Puestos
ya en antecedentes, ahora llega la hora de crear cristales de acetato sódico.
Y para
ello, nos vamos a basar en el principio de la solubilidad.
La
solubilidad es la capacidad que tiene una sustancia de disolverse en un
disolvente.
Cuanto
mayor sea su solubilidad, mayor cantidad de esa sustancia podremos disolver,
por ejemplo, en un vaso de agua.
Un caso
conocido es el azúcar. En un vaso de agua de 200 mL podemos disolver 266 gramos
de azúcar. Todo lo que echemos de más, no se disolverá. Cuando ocurre esto
decimos que una disolución está saturada, cuando no se disuelve más, y
sobresaturada, cuando además hay soluto sin disolver.
Pero un factor muy
importante es la temperatura a la que se encuentre el disolvente. Si ese mismo
vaso de agua lo calentamos, será capaz de disolver más azúcar. Tanto que, ese
mismo vaso de agua a 99º C podría disolver más de un kilogramo de azúcar. Pero
si una vez hecho esto volvemos a bajar la temperatura, la cantidad de soluto
aceptado por el disolvente será menor, y veremos aparecer cristales de azúcar
en nuestro vaso según vamos descendiendo la temperatura.
Pero...¿Que es la
cristalización? Podría definirse como la operación de transferencia de materia
y energía en la que se forma un sólido desde una fase homogénea. Y para que
esto suceda, debe existir sobresaturación. Un cristal, a su vez, es una
estructura tridimensional de forma geométrica que está formado por una sola
molécula de sustancia. El
proceso de cristalización es de carácter dinámico, de manera que las moléculas
que están en la disolución están en equilibrio con las que forman parte de la
red cristalina.
Básicamente,
es el principio esencial del experimento.
Vamos a calentar agua en la que vamos
a disolver gran cantidad de acetato de sodio. Una vez tengamos la solución, la
dejaremos enfriar en el frigorífico. Y una vez fría, podremos crear cristales
de acetato de sodio. Para ello utilizaremos un “cristal semilla”, que
introducimos en el recipiente que alberga la solución. Este cristal facilita
que se depositen los iones de la disolución en sus caras, permitiendo un
crecimiento más o menor ordenado de los cristales de la sal.
Pero... ¿por qué
no cristaliza paulatinamente según va descendiendo la temperatura en el
frigorífico, como sí le ocurriría al azúcar? La respuesta es que el acetato es
iónico, y el azúcar es una molécula que no se disocia en iones. El azúcar en
agua sigue siendo azucar, sin embargo, un soluto iónico, por ejemplo el acetato
sódico, ya no es esta sustancia en disolución. Ahora tenemos aniones (acetato)
y cationes (sodio). Y para que los iones cristalicen necesitan una superficie
para hacerlo.¿Qué pasaría si depositásemos un cristal de sal común como
“semilla” en nuestra disolución de acetato? El cloruro sódico no facilitará el
crecimiento de cristales debido a que el anión es mucho más pequeño que el
acetato, y no sirve como semilla, ya que no es capaz de “cimentar” estructuras
mayores. Sin embargo, si introducimos cristales de bicarbonato sódico en la
disolución, estos si actuarán como semilla ya que el ión bicarbonato es incluso
mayor que el ión acetato, y los tamaños moleculares de ambas sustancias no tienen la diferencia abismal que sí existe por ejemplo con el cloruro sódico.En el video de
abajo se han utilizado cristales de azúcar y de sulfato de cinc como semilla,
ofreciendo un buen crecimiento. Sin embargo, no he observado crecimiento alguno cuando la semilla ha sido un cristal de ácido cítrico, de tamaño mayor que el acetato. Desde aquí animo a cualquier interesado a compartir
información sobre la utilización de distintas sustancias como “semilla” a la
hora de crear cristales.
Cuando
los cristales se forman se desprende energía (proceso exotérmico), con lo que
se puede advertir un leve calentamiento del contenedor. Como se comentó antes,
cuando ocurre la inversa (se rompen los cristales), el efecto es una bajada de
temperatura considerable; de aquí el uso en las bolsas de “hielo instantáneo”.
Otro
experimento curioso con la disolución es la creación de “estalagmitas”, si
vertemos con cuidado sobre el cristal semilla en lugar de introducirlo en la
disolución.