Hielo instantáneo


Categoría: Pandilla Kids (3ro., 4to., 5to. y 6to. Año de primaria)
Área de participación: Divulgación y enseñanza de la ciencia

Asesor: ROSALIA ORNELAS ENRÍQUEZ

Autor: Ian Yadiel Thierry Sierra ()

Grado:

Resumen

El hielo instantáneo, también conocido como hielo caliente es el resultado de combinar acetato de sodio con agua caliente, a esta reacción también se le conoce como burbujero, debido a la materia sólida que genera dicha reacción. El acetato de sodio, (también llamado, etanoato de sodio) es la sal de sodio del ácido acético. Es un producto químico económico producido en cantidades industriales para una amplia gama de usos, como en la industria textil, también como agente de encurtido en el curtido con cromo, ayuda a retardar la vulcanización del cloropreno en la producción sintética de caucho, usado a su vez para dar sabor a las patatas fritas.

Pregunta de Investigación

¿ Cómo hacer hielo instantáneo ?

Planteamiento del Problema

Hoy más que nunca resulta necesario aprender las diferentes maneras de hacer ciencia y además con materiales muy fáciles y creativos, uno de estos es el “hielo instantáneo”. El conocimiento de esta se realiza con el fin de dar a conocer que la ciencia tiene muchos campos que explorar y además que es una herramienta que permite que el hielo se pueda formar en diferentes maneras.

Antecedentes

Hielo

El hielo es el agua congelada. Es uno de los tres estados naturales del agua. La forma más fácil de reconocerlo es por su temperatura, y por su color blanco níveo; además es muy frío al tacto. El agua pura se congela a 0 °C cuando se halla sometido a una atmósfera de presión.

Estructura cristalina

El hielo se presenta en 12 estructuras o fases cristalinas diferentes. A las presiones habituales en el medio terrestre (en el entorno de la presión atmosférica), la fase estable suele denotarse como fase I según la terminología de Tamman. Dicha fase I presenta dos variantes relacionadas entre sí: el hielo hexagonal, denotado Ih, y el hielo cúbico, Ic. El hielo hexagonal es la fase más común, y la mejor conocida: su estructura hexagonal puede verse reflejada en los cristales de hielo, que siempre tienen una base hexagonal. El hielo cúbico Ic se obtiene por deposición de vapor de agua a temperaturas inferiores a −130 °C, por lo que no es tan común; aún así, a unos −38 °C y 200MPa de presión, situación esperable en los casquetes polares, ambas estructuras están en equilibrio termodinámico.

El hielo Ih presenta una estructura hexagonal en la que cada átomo de oxígeno de una molécula de agua tiene otros cuatro átomos de hidrógeno como sus vecinos más próximos, situados en los vértices de un tetraedro regular cuyo centro es el átomo de oxígeno de interés. Esta unidad tetraédrica es común a todas las demás fases del hielo, y se debe al hecho de que el ángulo entre átomos de hidrógeno en la molécula de agua libre H-O-H es de 104,52º, en vez de 90º. El ángulo tetraédrico entre O-O-O es de 109,47º. Para temperaturas de interés terrestre, la distancia entre átomos de oxígeno O-O es de 0,276 nm y entre O-H de 0,0985 nm. La unión entre átomos intramoleculares es de enlaces covalentes simples y por tanto muy estables, mientras que la unión intermolecular se produce por enlaces de puente hidrógeno relativamente débiles, lo cual explica la relativamente baja temperatura de fusión del hielo. Los parámetros de red más relevantes son el lado hexagonal a=0,451 nm, y la altura del prisma hexagonal c=0,7357 nm. Estos valores pueden varia ligeramente con la temperatura, pero la relación entre ambos, c/a=1,628, permanece prácticamente estable y muy cercano al valor óptimo de c/a=1,633, teorizado para esferas sólidas en contacto formando la misma estructura hexagonal. La estabilidad del parámetro c/a explica el hecho de que la expansión térmica del hielo se produzca de manera isotrópica. Por su parte, el hecho de que el hielo Ih tenga una estructura hexagonal explica la anisotropía usualmente observada en sus propiedades mecánicas: el módulo de Young, por ejemplo, que se sitúa en el entorno de E=9-10GPa para cristales puros, presenta isotropía radial, y varía considerablemente según la dirección de la deformación; la resistencia mecánica, situada en el entorno de 1MPa para cristales puros en la dirección basal, puede alcanzar los 7MPa en ciertas configuraciones. La presencia de impurezas en la red es práula, salvo para algunas sustancias puntuales como el fluoruro de amonio, NH4F. Los defectos cristalinos pueden ser cuatro: vacantes, intersticiales, iónicos o de Bjerrum, los dos últimos siendo exclusivos del hielo y estando relacionados con la rotación de hidrógenos de una molécula de agua en la red.

Acetato de sodio

El acetato de sodio, también llamado etanoato de sodio, es la sal de sodio del ácido acético. Es un producto químico económico producido en cantidades industriales para una amplia gama de usos.

Hielo instantáneo

Es una mezcla hecha por una disolución sobresaturada de acetato de sodio y agua que al solidificarse libera calor (exotérmico), pero necesita de un agente externo para agilizar la reacción.

El hielo caliente, y fue demostrado por el científico Percy W. Bridgman. La explicación es la siguiente: El agua se solidifica en forma de hielo por debajo de los 0º C, mientras que comienza a evaporarse a partir de los 100º, permaneciendo líquida entre estas dos temperaturas. Sin embargo, este científico demostró en la década de los años 30 que se puede crear hielo por encima de los 0º C, lo que llamaríamos hielo caliente. La razón se encuentra en la presión a la que se le someta. Si el agua es sometida a una gran presión, ésta podría solidificarse a una temperatura superior a los 0º C. El denominado “hielo número cinco” se obtiene sometiendo el agua a una elevadísima presión de 20.000 atmósferas, con lo que obtendríamos hielo a partir de los 76ºC.

¿Cómo funciona el hielo instantáneo?

Este experimento suele conocerse también como hielo caliente o “hot ice”. Lo que ocurre es una alteración a una solución sobresaturada de acetato de sodio, causando una cristalización repentina y además liberando calor.

Inicialmente se disuelve acetato de sodio en agua caliente, la cual luego se enfría. Al disolver el acetato de sodio, se generan iones. Cuanta más alta es la temperatura del agua, mas acetato podemos disolver, ya que aumenta la solubilidad. Pero luego la temperatura del agua comienza a bajar, y con ella la solubilidad, lo que significa que ya no puede haber tanto acetato disuelto, y algo debería precipitar (caer al fondo como sal).

Pero existen algunos compuestos que pueden causar una sobresaturación como ocurre en este caso y una cantidad mayor a la que debería queda disuelta. Obviamente esto es un estado inestable, y como sabemos los sistemas siempre tienden a la estabilidad. Es por eso que podemos romper ese estado inestable, aportando un poco de energía extra (cuando tocamos con el dedo). De este modo se comienzan a formar todos los cristales (la solución se congela). Por otro lado, la formación de enlaces de estos cristales es un fenómeno exotérmico (libera calor), y es por eso que se conoce como “hot ice”.

Aplicaciones del hielo instantáneo

El acetato de sodio es utilizado en la industria textil para neutralizar las corrientes residuales de ácido sulfúrico, y como fotorresistente cuando se usan colorantes de anilina. También se usa como agente de encurtido en el curtido con cromo. Ayuda a retardar la vulcanización del cloropreno en la producción sintética de caucho.

Es un compuesto químico usado para dar sabor a las patatas fritas. Se suele añadir a los alimentos como conservante; en este caso se nombra como diacetato de sodio y se etiqueta con el código E 262. También se etiqueta como E 262 I) puesto que existe el código E 262 I) para el diacetato de sodio.

Como base conjugada de un ácido débil, una disolución de acetato de sodio y ácido acético puede actuar como disolución tampón para mantener relativamente constante el pH. Esto es especialmente útil en bioquímica, donde las reacciones dependen del pH.

También se utiliza en las bolsas térmicas autoactivables (“hielo caliente”). Cuando se calientan cristales de acetato de sodio trihidratado (punto de fusión 58 °C)(se debe poner cristales hasta que no se pueda disolver más) alrededor de 100 °C, estos se funden. Si se enfría tras este proceso, se obtiene una disolución supersaturada de acetato de sodio en agua. Esta disolución es capaz de enfriarse a temperatura ambiente, es decir, por debajo de su punto de fusión, sin formar cristales. Presionando en un disco metálico del interior de la bolsa, se forma un centro de nucleación que causa la cristalización de la disolución en acetato de sodio sólido.

Objetivo

Hacer hielo instantáneo, a través de un experimento, utilizando materiales sencillos.

Justificación

Este experimento se hace con el fin de que se desarrolle y ponga en práctica la teoría y se demuestre por medio de un experimento en donde se vean todos los factores que se involucran en este fenómeno. Ya que el hielo instantáneo tiene muchas aplicaciones muy importantes.

Hipótesis

Si se combina bicarbonato de sodio y vinagre se obtendrá el compuesto químico Acetato de sodio, el cual es el componente principal para crear el hielo instantáneo.

Método (materiales y procedimiento)

Materiales:

  • Acetato de sodio
  • Agua
  • Recipientes para calentar
  • Hornilla eléctrica
  • Vaso
  • Refrigerador

Procedimiento

  1. Disolver en agua caliente suficiente acetato de sodio. (Si no hay acetato de sodio, se puede conseguir una solución más o menos pura haciendo una mezcla de vinagre y bicarbonato de sodio)
  1. Ir revolviendo hasta que no se disuelva más acetato. Esto indica que la solución llegó a su punto de saturación.
  1. Retirar del fuego, dejar enfriar unos minutos.
  2. Colocar la disolución en un vaso de paredes lisas a enfriar en el congelador durante 20 minutos.
  1. Retirar el vaso del congelador y verter con cuidado en algún recipiente.
  1. Tocar la superficie del líquido con el dedo y…

Galería Método

Resultados

Después de haber realizado el experimento para realizar el hielo instantáneo, se puede concluir que la realización de este último es un procedimiento muy sencillo y de bajo costo, que tiene aplicaciones diversas en áreas que se desconocían, como decoración, industria textil, alimentación, etc.

Se realizaron algunas entrevistas a Ingenieros químicos para conocer más sobre los componentes que se requieren para realizar el hielo instantáneo.

Galería Resultados

Discusión

Se comprobó que al hacer la solución de acetato sobresaturada si se hace hielo instantáneo con solo tocar con la yema del dedo y además intentaremos hacer estalactitas de hielo. También se midió la concentración necesaria de acetato de sodio para hacer la solución sobresaturada, la temperatura donde la disolución es completa, la temperatura de enfriamiento y la temperatura al producirse el “hielo instantáneo”.

Conclusiones

El acetato de sodio sin duda es un químico muy interesante y divertido ya que con el podemos hacer hielo instantáneo porque es un material producido en grandes cantidades y es económico e incluso se puede crear acetato de sodio casero. Además, con este sencillo experimento se están reafirmando diferentes conceptos químicos y físicos como: concentración, solución, solución sobresaturada, punto de fusión, reacción exotérmica y la ley de la conservación de la materia entre otros.

Bibliografía

http://www.acmor.org.mx/cuamweb/reportescongreso/2011/Secund/736hielo.pdfhttp://experimentoscaseros.net/2010/10/hacer-hielo-instantaneo-facil/http://es.wikipedia.org/wiki/Acetato_de_sodiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hielohttp://www.buenastareas.com/ensayos/Hielo-Instantaneo/985154.htmlhttp://cristalizacioninstantanea.blogspot.mx/https://es.scribd.com/doc/57886035/Hielo-Instantaneohttp://www.clubensayos.com/Ciencia/Hielo-Instantaneo/222743.html



Hielo instantáneo


Hielo instantáneo

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography