miércoles, 17 de junio de 2015

Cristalización acetato sódico ("hielo instantáneo")

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.
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.

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