Divulgación y enseñanza de la ciencia

Hielo Caliente

  • Categoría: Pandilla Petit, (preescolar y 1ro. y 2do. año de primaria)
  • Área de participación: Divulgación y enseñanza de la ciencia
  • Asesor: ROSALIA ORNELAS ENRÍQUEZ
  • Autor: Ian Alexander Olivares Torres ()

Resumen

El hielo caliente es un experimento realmente curioso ya que, aunque parece hielo o nieve no lo es, en realidad es el resultado de combinar acetato de sodio con agua caliente creando una solución sobresaturada que se cristaliza a temperatura ambiente al mismo tiempo que genera calor (reacción exotérmica). El acetato de sodio conocido también como etanoato de sodio, es la sal de sodio del ácido acético. Es un producto económico producido en cantidades industriales para una amplia gama de usos que va desde una saborizante para papas fritas y como conservante hasta la industria textil para neutralizar las corrientes residuales de ácido sulfúrico, y como foto resistente cuando se usan colorantes de anilina, se usa como agente de encurtido en el curtido con cromo, ayuda a retardar la vulcanización del cloropreno en la producción sintética de caucho, también es el ingrediente principal para las llamadas bolsas térmicas auto activables (hot ice)

Pregunta de Investigación

¿Cómo mostrar que a través de un acetato de sodio puede fabricarse hielo caliente?

Planteamiento del Problema

Mostrar como a través de una reacción química de una solución sobresaturada de acetato de sodio se solidifica formando cristales similares al hielo y libera calor (exotermia).

Antecedentes

Hielo

El hielo es el nombre común del agua en estado sólido; otras denominaciones son la nieve, la escarcha, el granizo, etc

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; aun 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 tetraedo 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 variar ligeramente con la temperatura, pero la relación entre ambos, c/a=1,628, permanece prácticamente estable y muy cercana 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

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 cuánto 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.

Propiedades físicas y químicas 

Aspecto: Sólido

Color: de color blanco

Granulometría

Olor: Característico.

pH: 7,5 -9,0

Punto de fusión/punto de congelación 58 °C

Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición:

Inflamabilidad (sólido, gas):

Densidad relativa: (20/4) 1,45

Solubilidad: 762 g/l agua 20 °C

Temperatura de descomposición: desde120 °C

Toxicidad aguda:

DL50 oral mus : 6.891 mg/kg (referido a la sustancia anhidra)

DL50 oral rat : 3.530 mg/kg (referido a la sustancia anhidra)

Efectos peligrosos para la salud: En contacto con la piel: irritaciones leves Por ingestión de grandes cantidades: trastornos gastro-intestinales Observar las precauciones

Grados de NFPA: Salud: 1 Inflamabilidad: 1 Reactividad: 0

 

Antecedentes Históricos

El hielo caliente, 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, 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. 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 76º. Este hecho tan curioso produciría además que, si lo tocáramos, estando como está, a 76º, nos quemaríamos. No obstante, no sería posible alcanzarlo puesto que el único medio en que podríamos conseguir semejante presión sería poniendo el agua dentro de una cámara de acero, a la que someteríamos a esa aplastante presión. Tan densa se volvería la placa de hielo que ni siquiera flotaría sobre el agua líquida. Este curioso experimento nos enseña el comportamiento de una solución súper saturada y enfriada de Acetato de Sodio –CH3COONa.

 

¿Cómo funciona el hielo instantáneo? 

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 se enfría. Al disolverse; acetato de sodio, se generan iones. Cuanta más alta es la temperatura del agua más acetato se puede disolver, ya que aumentamos 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. En este momento nos encontramos con una mezcla en estado inestable y como se sabe los sistemas tienden a la estabilidad; es por eso que podemos romper ese estado inestable, aportando un poco de energía extra (si tocamos con un dedo), de este modo se comienzan a formar cristales (como si la solución se congelara) y al formarse estos cristales liberan calor (fenómeno exotérmico) y por eso se conoce como hielo caliente

 

Aplicaciones del acetato de sodio 

El acetato de sodio es muy económico, y es comúnmente comprado a los distribuidores de productos químicos, en vez de ser sintetizado en el laboratorio. Es algunas veces producido en el laboratorio experimentalmente por la reacción del ácido acético con Carbonato de sodio, Bicarbonato de sodio, o Hidróxido de sodio para nombrar unas pocas bases que contienen Sodio.

El acetato de sodio puede ser añadido a los alimentos como un condimento. Se puede utilizar en la forma de diacetato de sodio –un complejo 1:1 de acetato de sodio y ácido acético. Un uso frecuente es el de impartir una sal y vinagre de sabor a las patatas fritas. El acetato de sodio es utilizado en la industria textil para neutralizar residuales de ácido sulfúrico y como foto resistente cuando se usan colorantes de anilina.

También se utiliza en las bolsas térmicas auto activables (“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.

Investigación de campo

El día 25 de noviembre asistí a la sala “LA QUIMICA está en todo” del museo Universum Museo de las Ciencias de la UNAM. 

Aprendí que toda la materia que nos rodea está conformada por elementos químicos y millones de átomos.

Los átomos están constituidos por partículas subatomicas y en el núcleo del átomo se encuentran protones y neutrones 

Conocí el nombre de algunos elementos entre ellos el sodio el cual será el actor principal de este proyecto, sus propiedades y usos comunes y donde encontrarlo.

 

Objetivo

Dar a conocer lo que se puede hacer con el acetato de sodio, al crear hielo caliente, experimentar y saber sus características.

Justificación

Este tema me gusto ya que el pensar en un hielo caliente llamo mi atención y quiero saber por qué se hace.

Hipótesis

Si combinamos vinagre y bicarbonato de sodio obtendremos acetato de sodio el cual es componente principal para crear hielo caliente.

Método (materiales y procedimiento)

Material

  • 84 gr. de bicarbonato sódico
  • 0,75 l. de vinagre (80%)
  • 1 l. de agua
  • Recipiente para calentar
  • Recipientes de cristal
  • Pala de madera
  • Hornilla (estufa)
  • Refrigerador
  • Colorante vegetal (azul)

Procedimientos

 

El acetato de sodio se intentará obtener a partir de la mezcla de bicarbonato de sodio y vinagre; se conoce que 84 gramos de bicarbonato sódico reaccionan con 750 ml de vinagre con 8% de concentración de ácido acético para hacer 82 gramos de acetato de sodio en solución. Por la posterior evaporación del agua, se puede obtener una solución más o menos pura de Acetato de sodio o sus cristales.

Comenzamos poniendo en el recipiente el bicarbonato de sodio.

A continuación, añadimos el vinagre.

Ambos productos comenzaran a hacer reacción y se producirá un burbujeo, debemos esperar 40 minutos a que termine esta reacción.

Transcurrido el tiempo, añadimos 1 lt de agua a la mezcla y removemos.

Colocamos en el fuego a temperatura baja y cocinamos hasta que la mezcla quede transparente durante 30 minutos. más o menos.

Al terminar trasladamos la mezcla a un recipiente de cristal y dejamos a reposar a temperatura ambiente y tenemos nuestro acetato de sodio que es la base de nuestro experimento.

Paso 1. Calentamos 200 ml de agua hasta ebullición, agregamos acetato de sodio, revolvemos hasta que no se disuelva más acetato de sodio, esto indica que la solución llego a su punto de saturación.

Paso 2. Retiramos del fuego y añadimos unas gotas de colorante vegetal (azul), dejamos enfriar unos minutos colocando la disolución en un recipiente de cristal de paredes lisas y dejamos enfriar en el congelador alrededor de 30 minutos.

Paso 3. Tocamos el líquido con el dedo y observamos la reacción que se provoca y obtenemos hielo caliente.

 

 

Galería Método

Resultados

Esta reacción se basa en el punto de fusión del acetato de sodio; este punto se sitúa en los 58 grados, es decir a 58 grados o menos el acetato de sodio es sólido, sin embargo, cuando lo calientas y lo enfrías lentamente, se mantiene en su forma líquida y solo hace falta una perturbación para que de forma instantánea se convierta en sólido y además esta reacción es exotérmica y desprende calor de forma inmediata.

Galería Resultados

Discusión

Se comprobó que usando una solución sobresaturada podemos hacer hielo caliente; medimos; la concentración necesaria de acetato de sodio para hacer esta solución sobresaturada, la temperatura donde la disolución es completa, la temperatura de enfriamiento y la temperatura al producir hielo caliente a través del contacto de la yema del dedo,

Conclusiones

A través de este sencillo experimento reafirmamos diferentes conceptos químicos y físicos como; concentración, solución, solución sobresaturada, punto de fusión, reacción exotérmica y la conservación de la materia entre otros.

El acetato de sodio es un químico muy interesante y divertido y es base de este experimento, es un material producido en grandes cantidades de manera industrial, su producción es económica e incluso se puede crear acetato de sodio casero

Bibliografía

https://www.experimentoscientificos.es/experimento-hielo-caliente/

http://quimiolatria.blogspot.com/2015/06/cristalizacion-acetato-sodico-hielo.html

https://es.wikipedia.org/wiki/Acetato_de_sodio

-Conceptos Básicos de Química                      Alan Sherman, Sharon J. Sherman, Leonard Russikoff ; traducción José Manuel Salazar P. ; revisión técnica Lena Ruiz A México : Compañía editorial Continental, 1999 Editorial UNED. ISBN 968-26-1321-3

-QUIMICA Conceptos y aplicaciones            Jhon Phillips. Strozak. WistromEditorial Mc Graw Hill. 2012. ISBN 9786071507198



Hielo Caliente

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography