Divulgación y enseñanza de la ciencia

PP – 315 – DC ¿CÓMO PESCAR UN CUBO DE HIELO CON HILO?

  • Categoría: Pandilla Petit, (preescolar y 1ro. y 2do. año de primaria)
  • Área de participación: Divulgación y enseñanza de la ciencia
  • Asesor: Jessica Barragan Garcia
  • Autor: Alejandra Sarai Gonzalez Guzman ()

Resumen

Pregunta de Investigación

¿La sal ayuda a que el agua cambie del estado sólido a líquido?

Planteamiento del Problema

Este mundo está lleno de fenómenos físicos y químicos que permiten maravillosos procesos los cuales hacen posible la existencia de la vida en él. Hoy por medio de un experimento estaré mostrando uno de esos interesantes procesos físico-químico al levantar cubos de hielos con un hilo mostrando las propiedades de derretimiento y congelación del agua, lo que da lugar a otra propiedad de la materia llamada adherencia.

Antecedentes

La sal común o sal de mesa, conocida popularmente como sal, es un tipo de sal denominada cloruro sódico (o cloruro de sodio), cuya fórmula química es NaCl.

Existen tres tipos de sal común, según su procedencia: la sal marina y la de manantial, que se obtienen por evaporación; la sal gema, que procede de la extracción minera de una roca mineral denominada halita, y la sal vegetal, que se obtiene por concentración, al hervir una planta gramínea que crece en el desierto de Kalahari. ​

La sal proporciona a los alimentos uno de los sabores básicos, el salado, ​ que es posible percibir debido a que la lengua tiene receptores específicos para su detección. El consumo de la sal modifica el comportamiento frente a los alimentos, ya que es un generador del apetito y estimula su ingesta.​ Se emplea fundamentalmente en dos áreas: como condimento de algunos platos y como conservante en los salazones de carnes y pescado (incluso de algunas verduras), así como en la elaboración de ciertos encurtidos. ​ Desde el siglo XIX, el uso industrial de la sal se ha diversificado e interviene en multitud de procesos, como por ejemplo en la industria del papel (hidróxido de sodio -NaOH-), la elaboración de cosméticos, la industria química, etcétera. En el siglo XXI, la producción mundial de sal total destinada a consumo humano no alcanza el 25 por ciento de la producción total. ​

La sal es la única roca que es comestible para el ser humano, y es posiblemente el condimento más antiguo.​ Su importancia para la vida es tal que ha marcado el desarrollo de la historia en muchas ocasiones, y sigue moviendo las economías y es objeto de impuestos, monopolios, guerras, etcétera.​ Fue incluso un tipo de moneda. El valor que tuvo en la antigüedad se redujo desde que comenzó a disminuir su demanda mundial para el consumo humano, debido en parte a la mejora en su producción y a la conciencia mundial que ha generado la posible relación que posee con la aparición de la hipertensión.​ En el siglo XXI, las dietas procuran incluir menos sal en sus composiciones, y los nuevos sistemas de conservación (pasteurizados, refrigerados y congelados, alimentos envasados al vacío, etcétera) permiten evitar por completo el empleo de la salazón sobre los alimentos.

La sal es un condimento barato y que puede conseguirse fácilmente en cualquier tienda o supermercado. El consumidor la encuentra en tres formatos: fina, gorda o en forma de copos (esta última suele utilizarse en la alta cocina). Se comercializa también de dos tipos: como sal refinada, la más habitual, en forma de cristales homogéneos y blancos, y como sal sin refinar, cuyos cristales pueden ser más irregulares y menos blancos.

Un número cada vez mayor de países la comercializan como un alimento funcional al que se le añade yodo para prevenir enfermedades locales, como el bocio,​ o flúor para prevenir la caries. ​

Por otra parte, en física y química se observa que, para cualquier sustancia o mezcla, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia, en relación con las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones) que la constituyen. ​

Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes; los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, llamados fases sólida, líquida, gaseosa​ y plasmática.

ESTADO SOLIDO.

Los objetos en estado sólido se presentan como cuerpos de forma definida; sus átomos a menudo se entrelazan formando estructuras estrechas definidas, lo que les confiere la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son calificados generalmente como duros así como resistentes, y en ellos las fuerzas de atracción son mayores que las de repulsión. En los sólidos cristalinos, la presencia de espacios intermoleculares pequeños da paso a la intervención de las fuerzas de enlace, que ubican a las celdillas en formas geométricas. En los amorfos o vítreos, por el contrario, las partículas que los constituyen carecen de una estructura ordenada.

Las sustancias en estado sólido suelen presentar algunas de las siguientes características:

  • Cohesión elevada.
  • Tienen una forma definida y memoria de forma, presentando fuerzas elásticas restitutivas si se deforman fuera de su configuración original.
  • A efectos prácticos son incompresibles.
  • Resistencia a la fragmentación.
  • Fluido muy bajo o nulo.
  • Algunos de ellos se subliman.

ESTADO LÍQUIDO.

Si se incrementa la temperatura de un sólido, este va perdiendo forma hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado líquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene. En este caso, aún existe cierta unión entre los átomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado líquido presenta las siguientes características:

  • Cohesión menor.
  • Poseen movimiento de energía cinética.
  • Son fluidos, no poseen forma definida, ni memoria de forma por lo que toman la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.
  • En el frío se contrae (exceptuando el agua).
  • Posee fluidez a través de pequeños orificios.
  • Puede presentar difusión.
  • Son poco compresibles.

ESTADO GASEOSO.

Se denomina gas al estado de agregación de la materia compuesto principalmente por moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, lo que hace que los gases no tengan volumen y forma definida, y se expandan libremente hasta llenar el recipiente que los contiene. Su densidad es mucho menor que la de los líquidos y sólidos, y las fuerzas gravitatorias y de atracción entre sus moléculas resultan insignificantes. En algunos diccionarios el término gas es considerado como sinónimo de vapor, aunque no hay que confundir sus conceptos: vapor se refiere estrictamente a aquel gas que se puede condensar por presurización a temperatura constante.

ESTADO PLASMATICO.

El plasma es un gas ionizado, es decir, que los átomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por aniones y cationes(iones con carga negativa y positiva, respectivamente), separados entre sí y libres, por eso es un excelente conductor. Un ejemplo muy claro es el Sol.

Ahora bien, vamos a diferenciar entre derretir y disolver. El hielo no se funde por contacto de la sal, ya que para que una sustancia pueda fundirse hay que aplicar calor. Un ejemplo muy sencillo de entender es qué ocurre con un  cubito de hielo cuando lo sacamos del congelador, al pasar de una temperatura bajo cero a una temperatura ambiental, más cálida el cubito de hielo se derrite, luego el calor es el responsable.

Como todos sabemos el agua pura se transforma en hielo con temperaturas inferiores a 0ºC, mientras que se transformará en líquido siempre que su temperatura esté por encima de los 0ºC. Pero que ocurre cuando mezclamos dos sustancias líquidas, cuando esto sucede estaremos hablando de una disolución. En esta disolución su temperatura de congelación puede variar.

Teniendo en cuenta que cuando hablamos de t >0ºC ó <0ºC, estamos hablando de agua pura, en una disolución la composición varía. Para conocer el comportamiento en la disolución de una sustancia sólida con otra líquida como sucede con la sal y el agua, tenemos que recurrir al campo molecular y a la composición de cada uno de los elementos. Entendiendo que una molécula es una agrupación definida y ordenada de átomos que constituye la porción más pequeña de una sustancia pura y conserva todas sus propiedades y un átomo es la porción material menor de un elemento químico que interviene en las reacciones químicas y posee las propiedades características de dicho elemento.

La sal está formada por Sodio y Cloro (NaCl) y se denomina Cloruro Sódico. Es verdad que el hielo se derrite si aplicamos una fuente de calor, pero esta no es la forma de actuar de la sal aunque los resultados sean los mismos. El motivo es que la sal directamente disuelve al hielo.

Realmente el hielo no se funde, lo que se funde es la disolución de agua y sal. La sal por si sola nunca disminuiría el punto de congelación del agua, que seguirá siendo por debajo de 0ºC, pero la mezcla de sal y agua forma una disolución donde el punto de congelación ya no se sitúa en los cero grados, sino que a una temperatura inferior.

La proporción óptima de disolución del agua y sal sería en un 23% sal y el 77% de agua, con esta proporción pasamos a una temperatura de fusión de -21ºC, por lo que tendremos una superficie húmeda pero no helada hasta los -21ºC.

En esta disolución todos los elementos que intervienen son: Cloro, sodio, oxígeno e hidrógeno.

De todos estos átomos el de cloro tiende a coger un electrón, mientras que el sodio tiende a perder un electrón. Qué ocurre cuando ambos se juntan, muy sencillo, el cloro coge el electrón que el sodio desprende, de este intercambio nace una unión que formará una molécula llamada Cloruro Sódico (NaCl).

Pero ¿qué ocurre con el agua?. Como hemos visto el agua está formada por oxígeno, una molécula con tendencia a coger electrones, pero no uno sino dos. El hidrógeno sin embargo, tiende a perder un electrón, pero si el oxígeno necesita dos electrones y el hidrógeno solo se desprende de uno, entonces, ¿cómo saca el oxígeno el otro electrón?. Muy sencillo, negociando con dos hidrógenos. El resultado es la molécula de agua H2O.

Si unimos varias moléculas de agua, ¿cómo lo harán?. Si nos fijamos en la figura del agua, vemos que el hidrógeno se posiciona en la parte inferior, pero además como ha perdido cada uno un electrón, la carga que ahora tienen es positiva. La parte de arriba de la molécula es oxígeno que al portar los dos electros a quedado cargado negativamente.

El oxígeno de otras moléculas de agua buscarán las moléculas de hidrógeno para captar su electrón, de esta manera se va uniendo unas moléculas a otras formando cadenas únicas y especiales, motivo por el cual es sabido que no existen dos copos de nieve iguales, ya que las formaciones pueden tener formas infinitas.

Cuando la sal se une con el hielo, el cloro tenderá a buscar electrones rompiendo las moléculas que forman el agua lo hará rompiendo los enlaces puente de hidrógeno. Los iones de sodio son más pequeños que los del cloro por lo tanto éstos podrán entrar dentro de la estructura molecular del agua.

Ahora ya es sencillo, la carga positiva del sodio atrae a la carga negativa del oxígeno, rompiendo los puentes y permitiendo la disolución del cloro y sodio entre las moléculas de agua, momento en el que dicha disolución se vuelve líquida.

Ahora bien, otra propiedad de la materia por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares se llama adherencia.

Objetivo

Quiero conocer cuál es la reacción que el estado sólido del agua (un cubo de hielo) tiene al contacto con la sal, probando que la sal al no calentar el hielo no lo derrite, lo que hace es que las moléculas y partículas se estabilicen con la presencia del cloruro de sodio, logrando que la temperatura se iguale a la del ambiente mientras el Cl de Na se diluye por completo con el resto del agua. Es decir, el calor no es necesario para lograr que el agua pase de sólido a líquido.

Justificación

Me interesa saber cómo la sal común puede interrumpir el estado de congelación del agua sin tener que esperar a que éste se derrita con calor.  Además pretendo comprobar que la sal no derrite al hielo, sino que detiene el descenso de la temperatura.

 

Hipótesis

Si ponemos sal común sobre un hilo que está encima de un cubo de hielo, y este a su vez, dentro de un recipiente con agua, la sal descongelara el hielo e inmediatamente el agua que está en la superficie comenzara a congelarse, entonces se adherida la sal cubriendo el hilo, y con ello se podrá pescar el cubo de hielo.

Método (materiales y procedimiento)

MATERIALES.

– Un cubo de hielo.

– Un pedazo de hilo.

– Una cucharadita de sal

– Un recipiente de vidrio.

– Agua.

PROCEDIMIENTO.

Paso 1:

Llenar un recipiente de vidrio con agua temperatura ambiente. Cuando el vaso esté lleno procedemos a agregar un cubo de hielo.

Paso 2.

Cortar un trozo de hilo y colocarlo sobre el cubo de hielo, dejar por unos segundos.

Paso3:

Al pasar el tiempo necesario se rocía sal de mesa sobre el hilo que descansa sobre el cubo de hielo, se deja reposa nuevamente.

Paso 4:

Se procede a levantar el hilo que se encuentra adherido al hielo.

Galería Método

Resultados

Cuando coloque el cubo de hielo en el vaso con agua, dos procesos comenzaron a ocurrir: el hielo comenzó a derretirse en el agua y el agua comenzó a congelarse. Debido a que los dos procesos sucedieron al mismo tiempo, podemos decir que el hielo y el agua están en equilibrio dinámico. Aquí, la velocidad de congelación y la de derretimiento es la misma. Cuando el hielo se derrite, las moléculas de hielo comienzan a escapar hacia el agua. Por otro lado, cuando el agua se congela, sus moléculas son capturadas en la superficie del hielo. Cuando esto tiene lugar al mismo tiempo, se puede decir que no se crean cambios en el hielo o en el agua. Este estado de equilibrio se sostendrá mientras que el agua mantenga su temperatura a 0°C (32°F).

Cuando coloque sal en el cubo de hielo, el estado de equilibrio se rompió. Las moléculas de sal se disolvieron y se unieron a las moléculas de agua, lo que cambió la tasa de congelación del agua. En este momento, el índice de derretimiento es mucho más rápido que la congelación, lo que produce que el hielo se derrita. Sin embargo, para poder restaurar el equilibrio, el punto de congelación del agua cae, lo que provoca que el hielo se congele en el agua salada. La sal se comienza a cristalizar y el hielo se vuelve a congelar alrededor del hilo. Esto provoca que el cubo de hielo se adhiera a los extremos del hilo, lo que permitió que lo levantara simplemente tirando del hilo.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

El agua común se congela a cero grados, pero, cuando nosotros colocamos sal, lo que ocurre es que este punto de congelación disminuye, por lo que el hielo se disuelve. Así que, cuando nosotros colocamos el hilo y luego la sal, como se va derritiendo el agua, el hilo se va introduciendo dentro del hielo. Sin embargo, cuando la sal se ha disuelto en el agua, este punto de congelación vuelve a subir, por lo que el agua se congela alrededor del hilo y nosotros somos capaces de levantar el hielo con un simple hilo, cumpliéndose con ello, el proceso químico de adhesión.

Bibliografía

  • Enciclopedia de la Ciencia y de la Técnica.

Océano 5.

  • Enciclopedia temática auto evaluativa, física, química y tecnología.

Reymo.

  • La ciencia central.

Brown Bursten Murphy.

  • Enciclopedia autodidactica siglo XXI.

Larousse.

  • wikipedia.org


PP – 315 – DC ¿CÓMO PESCAR UN CUBO DE HIELO CON HILO?

Summary

Research Question

Does salt help the water change from solid to liquid?

Problem approach

Background

Objective

Justification

I AM INTERESTED TO KNOW HOW COMMON SALT CAN INTERRUPT THE FREEZING STATE OF THE WATER AND CHECK THAT THE SALT DOES NOT MELT THE ICE, BUT STOPS THE DESCENT OF THE TEMPERATURA.

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography