Calentando comidas y bebidas con energía química Teach article

Traducido por Elisa Inés López Schiaffino. ¿Alguna vez ha deseado una bebida o comida caliente sin tener una hornalla a mano? Marlene Rau presenta dos actividades del portal Lebensnaher Chemieunterricht que usan reacciones químicas para calentar comida – y para presentar el concepto de…

Comidas autocalentables

Las comidas autocalentables – en principio creadas para uso militar – son recipientes de comida hecha que se calientan sin contacto con el fuego. Se pueden calentar de varias formas – presionando un botón en el envoltorio, desenvolviendo y agitando el recipiente, o vertiendo el contenido de una bolsa en otra y esperando unos minutos – y todas esas formas usan reacciones químicas exotérmicas. Estas comidas pueden ser usadas para motivar a los alumnos a que estudien reacciones de manera relativamente segura y sin la necesidad de recurrir a un quemador. Además, se puede discutir el impacto ecológico negativo de las comidas desechables.
Para el siguiente experimento, recurrimos al sistema de comidas autocalentables Crosse & Blackwell, que utiliza la reacción de magnesio y agua salada para producir hidrógeno:

Mg (s) + 2H₂O (l) -> Mg²⁺ (aq) + H² (g) ↑ + 2OH^– (aq)

s: sólido; l: liquid; g: gaseoso; aq: solución; las flechas verticales indican que se libera gas.

Esta reacción es muy lenta, debido a la pasivación, por eso para acelerarla se agrega hierro y sal. La pasivación es el proceso por el cual un material se hace menos reactivo, generalmente por el depósito de una capa de óxido en su superficie: si se coloca una tira de magnesio en agua fría, su superficie se oxida y se forma hidróxido de magnesio (Mg(OH)₂), y esta capa impide que la reacción continúe.

Por ello, en la comida autocalentable se agrega hierro al magnesio, lo que produce una celda galvánica local – corrosión en pequeña escala que ocurre cuando dos metales de reactividad diferente están en contacto en un ambiente húmedo – lo que acelera la reacción exotérmica. Dado que el potencial redox del magnesio es más bajo que el del hierro (el metal menos reactivo), los electrones pasan del magnesio al hierro, y recién entonces de allí al agua. Aunque los cationes de magnesio (Mg²⁺) y los aniones de hidróxido (OH^–) se siguen formando, están separados por el hierro y no se pueden combinar para formar hidróxido de magnesio. Como resultado, el magnesio no se ha pasivado por la capa de hidróxido de magnesio que disminuye su reactividad.

Debido a que los iones de magnesio e hidróxido con cargas diferentes son móviles, en agua pura pronto forman hidróxido de magnesio, la carga se equilibra y la reacción se lentifica nuevamente. Para impedir esto, se agrega cloruro de sodio al agua, para que los iones de sodio (Na⁺) y cloruro (Cl^–) de la sal rodeen a los iones de magnesio e hidróxido, equilibrando la carga.

Este experimento sirve para presentar y discutir los conceptos de transferencia de electrones, celdas galvánicas locales, pasivación, ánodos de sacrificio, corrosión y composición del agua (enlaces covalentes, polaridad y número de oxidación). Llevar a cabo el experimento toma 45 minutos, a lo que se debe agregar un tiempo de discusión. Ha sido realizado exitosamente con alumnos de 14 años para estudiar las reacciones de transferencia de electrones y la corrosión, y con alumnos más avanzados para trabajar en la electroquímica.

Materiales

Materiales para la demostración

• Una tira de magnesio
• Solución saturada de cloruro de sodio (agua salada) fría (sin calentar)
• Solución de fenolftaleína
• Un paquete de comida autocalentable Crosse & Blackwell (se puede conseguir a través de varios proveedores)^w1
• Un vaso resistente al calor
• Un termómetro de laboratorio

Materiales para cada grupo

• Un saquito de té vacío
• Una pequeña cantidad (una punta de espátula) de la mezcla de magnesio/hierro en polvo que viene en el paquete de comida autocalentable Crosse & Blackwell. No sirve mezclar uno mismo el magnesio y el hierro en polvo debido a que ya se encuentra parcialmente oxidado. La mezcla en polvo de los paquetes de comida autocalentables están sellados al vacío.

• Una jeringa de 50 ml
• Solución saturada de cloruro de sodio, 10 ml
• Una jeringa de 20 ml
• Una llave de paso de tres vías
• Un vaso de precipitados pequeño
• Un tubo plástico que encaje en las válvulas de la llave de paso (de aproximadamente 10 cm de largo)
• Un bol lleno de agua
• Una vela encendida
• Un tubo de ensayo
• Solución de fenolftaleína al 1% m/v

Para conseguir los materiales plásticos requeridos para el experimento se puede recurrir a los kits ChemZ^w2, desarrollados en colaboración con el proyecto Lebensnaher Chemieunterricht (LNCU)^w3, o a los proveedores de materiales para laboratorios de medicina y química.

Procedimiento

1. Muestre un video relacionado con las comidas autocalentables^w4.
2. Muestre la comida autocalentable a los alumnos.
3. Vierta el contenido del paquete en un recipiente resistente al calor con termómetro y observe la reacción – se calienta y se producen burbujas.

   Comentario: si usa el contenido de solo dos de los cuatro paquetes de la mezcla de magnesio/hierro, puede guardar los otros dos para los experimentos de los alumnos – es suficiente para aproximadamente 20 grupos de estudiantes. Incluso con solo dos paquetes para la demostración, la comida autocalentable alcanzará una temperatura de 100°C al cabo de alrededor de un minuto.

4. Plantee: ¿qué está pasando? ¿Por qué pasa esto? ¿Qué tipo de gas se produce?
5. Explique la reacción del magnesio – de momento ignore el hierro y la sal.
6. Demuestre que una tira de magnesio tiene una reacción débil con solución saturada de sal fría (que es lo que se agrega en la comida autocalentable): se ven unas burbujas de gas, y al agregar una gotita de solución de fenolftaleína se vuelve de color rosa claro.
7. Antes de comenzar, demuestro cómo hacer la prueba de oxihidrógeno: lleve la parte superior de un tubo de ensayo a la llama, permitiendo que el gas en el tubo haga combustión. Hay dos resultados positivos posibles:
    
   1. Si el tubo contiene hidrógeno y oxígeno, el hidrógeno hará combustión con un ruido como ‘pum’. Bajo condiciones de laboratorio normales, este es el resultado usual, ya que el tubo además contiene oxígeno del aire.
   2. Si el tubo está completamente lleno de hidrógeno, no habrá ruido, pero el gas hará combustión con una llama incolora y el agua resultante empañará el tubo de ensayo. Además, la reacción exotérmica calentará el tubo. A menudo los alumnos creen que esto es un resultado negativo (creen que no hay hidrógeno).
8. Ubique a los alumnos en grupos de tres para hacer el experimento. Debido al calor resultante, la reacción se acelera, por eso debe ser realizado a pequeña escala (como es sugerido)

   En la celda galvánica local, se produce hidróxido de magnesio. Si se desea, puede ser detectado usando fenolftaleína (vea más abajo).

9. Entregue la hoja de trabajo (vea más abajo o descárguela aquí) y explique cómo realizar el experimento. Los alumnos ahora estarán listos para comenzar.

Hoja de trabajo para el alumno

Precaución: Use gafas de seguridad. La reacción crea un gas altamente inflamable; tenga cuidado. También lea las recomendaciones generales de seguridad.

1. Coloque la mezcla de metales en polvo en un saquito de té vacío y ubique esto en una jeringa de 50 ml (sin el saquito de té, el polvo podría bloquear la jeringa). Presione para quitar el aire.
2. Llene la jeringa de 20 ml con agua salada y conéctela a la jeringa grande usando la llave de paso de tres vías.
3. Haga girar la válvula de la llave de paso para dejar que los dos materiales circulen juntos en el sistema cerrado.
   Mientras sucede la reacción, el gas se recoge en una de las jeringas.
4. Ni bien se junte más de 25 ml de gas, abra la llave de paso y permita que el agua salada salga, recogiéndola en el vaso de precipitado.
   Precaución: debido al calor resultante, la reacción se acelera (reacción en cadena). Manténgase alerta, para asegurarse de dejar salir el agua de la jeringa antes de que el gas producido empuje hacia afuera el pistón de la jeringa.

5. Cuando haya dejado salir el agua, cierre la válvula para mantener el gas en la jeringa, y sujete el tubo plástico a la válvula. Si se sigue produciendo el gas, deje la válvula abierta.
6. Presione el pistón de la jeringa para que el gas sea empujado a un tubo de ensayo a través de un canal neumático (use el tubo plástico, un bol de agua y el tubo de ensayo como en el diagrama).
7. Evalúe si hay hidrógeno llevando la boca del tubo de ensayo a la llama (vea el diagrama a la derecha), asegurándose de sostener la parte superior del tubo cerca de la llama. La prueba debería resultar positiva.

Opcional: agregue una gotita de solución de fenolftaleína al agua que juntó en el vaso de precipitados. ¿Qué sucede? ¿Por qué?

Recomendación de salud y seguridad: puede deshacerse de los líquidos restantes tirándolos en el lavabo. Limpie los materiales plásticos con agua y déjelos secar.

Discusión

Otras reacciones empleadas comúnmente en las comidas autocalentables comprenden la oxidación del hierro, la reacción del cloruro de calcio anhidro con agua (ver más abajo) o, para enfriar, la reacción de los fertilizantes de nitrato de amonio con agua.

Encontrará otros experimentos explicados en el sitio de Internet LNCU^w3; por ejemplo cómo fabricar sus propias bolsas calientes y frías, o cómo determinar el contenido de oxígeno en el aire a través de la reacción de oxidación del hierro utilizada en las bolsas calientes.

Esta actividad también puede formar parte de una clase en la que los alumnos escriban un guión para un programa televisivo de ciencia en el que respondan la pregunta de un telespectador sobre cómo funcionan las comidas autocalentables. La versión en español de esta hoja de trabajo está disponible en el sitio de Internet Science in School^w5, y la versión en alemán en el sitio de Internet LNCU^w3.

Preparando rápidamente una taza de café caliente

En esta actividad, los alumnos calientan café usando cloruro de calcio anhidro y agua. La actividad es de utilidad para enseñar contenidos relacionados con la disolución de sales en agua, al presentar los aspectos energéticos de este proceso. Los alumnos deberían estar familiarizados con las uniones iónicas y covalentes. Esta actividad funciona bien con grupos de tres alumnos de 14 años o más.

Una posibilidad es discutir la energía reticular, tomando como ejemplo de la vida cotidiana los paquetes fríos que dependen de una reacción endotérmica producida al doblar una lámina metálica. Se puede usar la siguiente actividad para presentar la noción de energía de hidratación y para demostrar que la reacción de disolución de algunas sales es exotérmica.

Esta actividad es relativamente segura – lo más peligroso sería romper un vidrio por no manejarlo con cuidado.

Materiales para cada grupo

• Aproximadamente 10 g de cloruro de calcio anhidro
• Vasos de precipitados de diferentes tamaños
• Agua
• Espuma de poliestireno / poliestireno (use trozos razonablemente grandes, los trozos pequeños son molestos cuando se cargan y se pegan a todo)
• Dos termómetros de laboratorio
• Café instantáneo
• Elementos adicionales que fomenten la imaginación de los alumnos, como bandas elásticas, papel de aluminio, pilas, etc.

Potenciales enfoques

Dos problemas que a menudo tienen los alumnos son agregar demasiado poco cloruro de calcio al agua (cuanto más usan, más calor se produce) y olvidarse de aislar los vasos de precipitados.

Una solución posible es improvisar un pequeño recipiente de agua colocando agua y cloruro de calcio en un vaso de precipitados grande, y sujetando espuma de poliestireno con cinta adhesiva alrededor del vaso de precipitados. Entonces se puede calentar el café en un vaso de precipitados pequeño dentro del recipiente de agua improvisado.

El mejor resultado obtenido en el proyecto LNCU (ver recuadro) fue logrado al llenar un vaso de precipitados pequeño con agua y colocándolo en un vaso de precipitados más grande, con una placa aislante de espuma de poliestireno entremedio. Los alumnos luego colocaron el cloruro de calcio, al que habían agregado muy poca agua, en el contenedor vacío de un rollo fotográfico. Lo sujetaron con un hilo y le pusieron una piedra para que tuviera peso, y lo dejaron suspendido en el agua. La temperatura de 50 ml de café cambió de 20 a 44°C en menos de un minuto.

Discusión

Discuta la aparente contradicción entre el comportamiento de los paquetes fríos en experimentos previos y el experimento que acaba de realizar – en este caso, el proceso no es endotérmico. En los paquetes fríos, se necesita mucha energía para destruir la red tridimensional de iones de la sal. Esta es la energía reticular, que se define como la energía necesaria para separar un mol de un compuesto iónico. Como la energía que se libera cuando las moléculas de agua rodean los iones (energía de hidratación) no es suficiente, la energía que falta proviene de los alrededores, por eso la solución se enfría. En el experimento de café, en cambio, la energía de hidratación es mayor que la energía reticular, por lo que el proceso en su totalidad es exotérmico. La energía de hidratación y la reticular son características fijas de cada sal en particular.

Más experimentación

Para continuar, los alumnos podrían intentar alcanzar la temperatura mínima posible usando cloruro de calcio anhidro, cloruro de sodio e hielo. Les sorprenderá descubrir que agregar cloruro de calcio anhidro al hielo (en vez de al agua) no aumenta la temperatura. Esto se debe a que primero deben romperse los enlaces de hidrógeno en los cristales de hielo, y eso requiere energía, por eso el proceso en su totalidad es endotérmico.