Los recreos de la Química: "La energía química".

El período vacacional, sumado a diferentes circunstancias propias éstas del período lectivo, han motivado el que haya transcurrido prácticamente un mes desde que iniciáramos la sesión de experiencias correspondientes al tema de la energía química, cuya primera parte, que en su día denominamos "la espontaneidad de los procesos químicos", quedó publicada en una entrada anterior que podéis consultar con fecha de 9 de abril. Nos comprometimos entonces a darle continuación con una segunda parte protagonizada hace unos pocos días por los alumnos de 2º de bachillerato, de la que, como en otras ocasiones, queremos informaros.

En primer lugar se mostró un proceso exotérmico y espontáneo más, a sumar a los ya presentados en la primera parte a la que hemos aludido antes. La reacción química es, en este caso, muy espectacular, como podéis comprobar en el vídeo que insertamos; además, nos informó de ella un antiguo alumno del que tenemos un recuerdo muy grato, razones ambas por las que no queríamos dejar de enseñarla. Se trata de la reacción entre el clorato de potasio y la sacarosa, la cual no se observa en las condiciones ambientales de presión y temperatura, pero sí lo hace, y de manera violenta, si se incrementa la temperatura y la concentración de uno de los reactivos, concretamente la del oxígeno. Lo explicamos así: el clorato de potasio es un fuerte agente oxidante lo cual significa que mezclas de clorato con materiales combustibles como la sacarosa, pueden inflamarse o ser incluso explosivas. El material combustible reacciona con el oxígeno liberado en la   descomposición del clorato de potasio, produciéndose así  CO₂(g) y H2O(g). La llama de color lila que se observa se debe a los iones de potasio. Por otra parte, la descomposición química del clorato se consigue calentándolo hasta 400 ºC, de modo que, previamente, a unos 356 ºC, se produce la fusión, y posteriormente la descomposición. Podemos expresar todo el proceso  como se indica a continuación:

2 KClO₃(s)  +  (Calor)  → 2  KCl(l)  +  3 O₂(g)

C₁₂H₂₂O₁₁(s)  + 12 O₂(g) →  12 CO₂(g)  +  11 H₂O (g)

                                       (Osito de goma)                             

Insertamos a continuación el vídeo correspondiente:

 Puesto que, además de procesos exotérmicos también los hay endotérmicos y, por otra parte, un proceso espontáneo no tiene porqué ser del primer tipo  sino que también los hay endotérmicos, se procedió a continuación a experimentar con algunas reacciones químicas de uno y otro tipo y a analizar algunas de sus aplicaciones comerciales.

Así, y tras una breve introducción referente al tema a tratar en las experiencias:

“Todas las transformaciones que suceden en la naturaleza van acompañadas de un intercambio de energía con su entorno. La energía  es un concepto bastante abstracto que se define como la capacidad para producir un trabajo, y que se presenta bajo formas diferentes: mecánica, radiante, nuclear, térmica… y química. Esta última, es decir, la energía química, es aquí objeto de nuestras demostraciones.

La energía química es una forma de energía que se almacena en las unidades estructurales de las sustancias; la cantidad de energía en forma química se determina por el tipo de átomos y la cantidad e intensidad de los enlaces químicos entre ellos. Cuando las sustancias intervienen en una reacción química, se rompen enlaces en las sustancias iniciales o reactivos,  y se forman otros nuevos en las finales o productos, de forma que en el primer caso se absorbe energía de los alrededores, y en el segundo se desprende. Si la energía que se requiere para romper los enlaces es menor que la que se desprende al formar los nuevos, en la reacción se desprenderá energía; hablaremos entonces de un proceso exotérmico. En caso contrario se absorberá; al proceso químico correspondiente lo llamaremos endotérmico”   

…se prosiguió  poniendo en práctica ejemplos de procesos químicos:

ENDOTÉRMICOS, en los que se observa una disminución de la temperatura debido a la absorción de energía durante el transcurso de la reacción química.

                Los ejemplos fueron:

                Reacción sólido – sólido:

                Ba(OH)₂.8H₂O(s)  +  2 NH₄NO₃(s)  →  Ba(NO₃)₂(s)  +  2 NH₃(ac)  +  10 H₂O(l)

                Disolución de un sólido en agua:

                NH₄NO₃(s)  +  (H₂O(l))  →  NH₄NO₃(ac)  → NH₄⁺(ac) + NO₃^-(ac)

                 Y la  APLICACIÓN COMERCIAL de esta última reacción:

                Las denominadas bolsas de frío instantáneo consistentes en un dispositivo que consta  de una bolsa de plástico que contiene otra bolsa más pequeña, con agua, y una sustancia química en forma de polvo o cristales. Al golpear el paquete con el puño se  rompe la bolsa interior que contiene el agua y la sustancia se disuelve; entonces la  bolsa comienza a enfriarse de forma muy rápida. Esto se debe a que durante el  proceso de disolución del sólido el sistema químico absorbe energía de los  alrededores, energía a la que se denomina “calor de disolución”.
 (La sustancia sólida suele ser nitrato de amonio)

 En el vídeo siguiente se ilustra todo esto:

Después se mostraron experiencias correspondientes a ejemplos de procesos químicos:

EXOTÉRMICOS, en los que se observa un aumento de la temperatura debido al desprendimiento  de energía durante el transcurso de la reacción química.

                En este caso los ejemplos que pudimos visualizar fueron:

                Reacción ácido-base o de neutralización:

                HCl(ac)  +  NaOH(ac)  →  NaCl(ac)  +  H₂O(l)  →  Na⁺(ac)  +  Cl^-(ac)  +  H₂O(l)         

                Disolución de un sólido en agua:

                CaO(s) +  H₂O(l)  →  Ca(OH)₂(ac)  →  Ca²⁺(ac)  +  2 OH^-(ac)

                 Y la  APLICACIÓN COMERCIAL de esta última reacción:

                Las denominadas bolsas, o latas, de calor instantáneo consistentes en unos    dispositivos que se autocalientan muy rápidamente debido a la energía en forma térmica desprendida en la reacción química que se produce entre una sustancia química en estado sólido y el agua, contenidas ambas en un depósito y separadas entre sí por una especie de membrana. Este depósito, a su vez, está separado de otro en el que se encuentra contenida la bebida (café, té…) que se quiere calentar con el calor de disolución que se produce en este caso. 
(La sustancia sólida suele ser cloruro de calcio, óxido de calcio u óxido de magnesio…)

Lo vemos en el vídeo que sigue:

Y, por último, analizamos un PROCESO QUÍMICO REVERSIBLE y que, por tanto, al ser ENDOTÉRMICO EN UN SENTIDO es EXOTÉRMICO EN EL SENTIDO CONTRARIO.

                ENDOTÉRMICO :

                Preparación de una disolución sobresaturada de un sólido en un líquido.

         Una disolución sobresaturada es aquella en la que se ha conseguido disolver más soluto  del que, teóricamente, es capaz de admitir el disolvente a temperatura ambiente. Con frecuencia, si el soluto es un sólido- como el de nuestra experiencia-, se trata éste de un proceso endotérmico.

                NaC₂H₃O₂.3H₂O(s)  +  (H₂O(l))  →    NaC₂H₃O₂(ac)  +  3 H₂O(l)   →  Na⁺(ac)  +  C₂H₃O₂^-(ac)  +  3 H₂O(l)  

                La falta de tiempo durante la exposición en directo motivó que este proceso   tuviéramos que realizarlo previamente para así disponer de la disolución ya preparada y lista para realizar la experiencia siguiente.

                EXOTÉRMICO:

                Cristalización de la disolución sobresaturada.

                En una disolución sobresaturada el sistema químico que la constituye está en un  equilibrio metaestable (estado de equilibrio no estable), es decir, en una situación que se puede alterar muy fácilmente. Así, cuando sufre cualquier perturbación, se produce una cristalización muy rápida,  desprendiéndose ahora la energía que en el proceso de disolución se absorbió.

                La perturbación puede estar originada por la presencia en el seno de la disolución de un cristal del sólido disuelto que haga el papel de “semilla” para la nucleación.

                Na⁺(ac)  +  C₂H₃O₂^-(ac)  +  3 H₂O(l)  →  NaC₂H₃O₂.3H₂O(s)  +  (H₂O(l)) 

                Este proceso se llevó a efecto mediante dos procedimientos diferentes, aunque  la     explicación, en ambos casos, es la expuesta.

-     Primero se introdujo en la disolución sobresaturada contenida en un tubo de ensayo, y  a temperatura ambiente, un  termómetro digital y , a continuación, se añadió  un cristal del sólido disuelto. Observamos la rápida cristalización y el aumento de temperatura indicado por el termómetro.

-    En segundo lugar se dejó gotear la disolución sobresaturada a temperatura ambiente, contenida en una bureta, sobre cristales del sólido disuelto situados   debajo. La cristalización se produce justo  en el instante en que sólido y disolución entra en contacto dando lugar a una estalagmita de acetato de sodio de altura considerable y que, además, …está caliente!!

                Este proceso reversible también dispone en el mercado de su APLICACIÓN COMERCIAL:

                Se trata esta vez de las llamadas bolsas de calor reversible que son aquellos   dispositivos consistentes en una bolsa que contiene un líquido transparente y un pequeño círculo metálico. Cuando se ejerce una ligera presión sobre el círculo, el interior de la bolsa comienza a  cristalizar muy rápidamente y, a la vez, se desprende  gran cantidad de calor que persiste durante un cierto tiempo, ya que  suelen complementarse con una bolsa aislante para conservar el calor durante más tiempo. Para regenerar el sistema basta con calentarlo en un baño de agua hirviendo o en el microondas y dejarlo enfriar  (tendremos de esta manera un líquido subenfriado o sobreenfriado), con lo que el dispositivo estará listo para ser reutilizado. La disolución   que contiene este dispositivo es acetato de sodio en agua, y, concretamente, una disolución sobresaturada. Los iones presentes en la disolución no consiguen orientarse espontáneamente de modo que se forme la retícula cristalina, y producirse así el proceso de cristalización. Se logra aquí la cristalización del sistema que se encuentra en equilibrio metaestable, mediante la perturbación originada por  la flexión del disco metálico que lleva en su interior, pues ello provoca una sobrepresión sobre una zona del líquido que hace que algunos de los iones se ordenen- núcleo de cristalización - y comience el cambio de estado.

A continuación el vídeo:

 Hasta aquí fue todo.

A estas altura del curso es difícil contar con la colaboración de estos alumnos de 2º de Bachillerato, pero intentaremos conseguir que vuelvan a intervenir antes de la finalización del mismo. En los próximos días veremos si es ello posible.