Divertida efervescencia: CO2 en la enseñanza de las ciencias en primaria Teach article

Traducido por Ramon Trujillo Puig. Marlene Rau presenta algunas actividades efervescentes y divertidas con el dióxido de carbono, desarrollado por Chemol y Science on the Shelves.

Introducción

El dióxido de carbono (CO₂) no es únicamente uno de los gases invernadero más importantes, se encuentra en todo nuestro alrededor: en el aire que respiramos (0,0388 vol. %); en el aire que exhalamos (4 vol. %); en bebidas gaseosas; en bizcochos, que suben gracias al CO₂ producido por la levadura artificial; y cuando se queman substancias orgánicas como la parafina, el papel, la madera o el petróleo. En forma líquida se usa en extintores de fuego y como refrigerante en la industria alimentaria (por ejemplo para guardar y transportar helados).

A altas concentraciones, el CO₂ puede ser peligroso para los humanos y otros animales, pero es también una fuente de vida: durante la fotosíntesis, las plantas utilizan CO₂ y luz para producir azúcar, almidón, grasas y proteínas, así como también el oxígeno que necesitamos para sobrevivir.

Las siguientes actividades educativas de Chemol^w1 y Science on the Shelves^w2 (véase el recuadro) introduce este importante gas a los escolares de primaria. Para apoyar las actividades se dispone de más información sobre la química, importancia fisiológica, detección y ocurrencia de CO₂ en la sección de recursos^w3.

Nota: las cantidades de dióxido de carbono producido en estas actividades no son lo suficientemente altas como para ser peligroso.

Globos gaseosos

Cuando se añade agua a una pastilla efervescente o a levadura artificial, se forman burbujas: se produce un gas. Este gas puede utilizarse para inflar un globo sin tener que soplar uno mismo. ¿De qué tipo de gas se trata? Recojámoslo y analicémoslo.

Materiales

• Globos
• Un embudo
• Pastillas efervescentes (por ejemplo pastillas de vitamina C) o levadura artificial
• Una botella transparente de 500 ml
• Agua
• Vasos de precipitados
• Vela pequeñita
• Cerillas
• Pinzas (o un pincho de madera)
• Agua de cal: mezclar una cucharada de cemento o mortero con 250 ml de agua. Dejar que la suspensión sedimente, luego filtrarla usando dos filtros de café de papel. El filtrado es agua de cal.
• Una pajita de beber gruesa

Procedimiento

Los seis primeros pasos son comunes a ambas actividades – luego tienes dos opciones de cómo proseguir.

1. Infla el globo y deja salir el aire de nuevo para hacer la goma más elástica.
2. Utiliza el embudo para rellenar el globo con el contenido de un paquete de levadura artificial (20 g) o cinco pastillas
3. Vierte 2-3 cm de agua en la botella.
4. Cubre el cuello de la botella con el globo y vierte la levadura artificial / pastillas efervescentes dentro de la botella. Es posible que tengas que sujetar el globo sobre el cuello de la botella para evitar que se escape.
5. Agita la botella ligeramente. El globo se infla con un gas que se produce en la efervescencia.

6. 

   Cuando el globo ha dejado de inflarse, presiona el cuello del globo y retuércelo de manera que el gas no pueda escaparse, y quitas el globo de la botella.

A) ¿De qué gas se trata?

7. Pon un poco de agua de cal en el vaso de precipitados.
8. Coloca la pajita en la boca del globo, luego poco a poco y con cuidado libera el gas del globo dentro del agua de cal. El agua de cal se enturbia.

La prueba para detectar CO₂ fue desarrollada por el químico Joseph Black (1728 – 1799). Tanto el cemento como el mortero contienen hidróxido cálcico (Ca(OH)₂). Cuando el CO₂ se añade al Ca(OH)₂ acuoso, se forman pequeñísimas partículas de carbonato cálcico (CaCO₃) esto es lo que provoca la turbidez del agua de cal.

¿De dónde viene nuestro CO₂? Tanto la levadura artificial como las pastillas efervescentes contienen bicarbonato sódico (NaHCO₃) y un ácido sólido (como por ejemplo cristales de ácido cítrico o fosfato monocálcico). En contacto con el agua, el bicarbonato sódico y el ácido reaccionan entre sí, formando en última instancia agua y CO₂. Este gas es el responsable de las burbujas que se forman cuando una pastilla efervescente se disuelve; y también lo es de que el bizcocho suba.

B) El gas es pesado

7. Sujeta la boca del globo dentro de un vaso de precipitados y deja que el gas salga. No podemos ver nada, pero ya se verá si realmente algo ha sucedido. Pon el vaso de precipitados a un lado.
8. Enciende una velita y utiliza unas pinzas para colocarla en un segundo vaso de precipitados vacío (alternativamente, podemos pinchar la cera con un pincho de madera y colocar la velita dentro del vaso de precipitados). La velita debería seguir encendida.
9. Ahora coloca la velita en el primer vaso de precipitados, que contiene el gas del globo. ¿Qué sucede?

La velita debe dejar de quemar porque el gas (CO₂) ahoga la llama.

10. Repite los pasos 1 – 7 para recoger más CO₂ en un vaso de precipitados. Ahora vierte el contenido invisible de este vaso en otro vaso también vacío. Coloca una velita encendida dentro de este otro vaso. ¿Qué ocurre?

De nuevo, la llama se apaga, mostrando que fuimos capaces de verter el gas desde un vaso de precipitados a otro, como si se tratara de un líquido. Esto demuestra que el CO₂ es más pesado que el aire.

Haciendo tu propio sorbete o gaseosa

Mezcla 3 cucharadas de bicarbonato sódico y 1 cucharada de cristales de acido cítrico (grado alimenticio). Para mejorar el sabor, añade o bien 2-4 cucharadas de azúcar glasé o una cucharada de gelatina instantánea y una cucharada de azúcar. Tu sorbete está listo para probar.

Los cristales de ácido cítrico se disuelven en la lengua y reaccionan con el bicarbonato sódico. Esto produce burbujas del gas dióxido de carbono, causando la sensación de efervescencia en la lengua. Para hacer una gaseosa, mezcla el sorbete con agua.

Explosivos efervescentes

Cohetes y explosivos funcionan al generar enormes volúmenes de gas en muy poco tiempo. Tú puedes crear tus propios cohetes utilizando ácido cítrico y bicarbonato sódico o pastillas efervescentes.

El cañón gaseoso

Materiales

• Un tubo vacío (con tapa) de las pastillas efervescentes, o el tubo vacío de un carrete; esto será tu cañón
• Una pastilla efervescente, o bicarbonato sódico y cristales de ácido cítrico.
• Agua
• Un tubo de plástico transparente o de cristal en el cual tu cañón pueda sostenerse derecho; esto es tu plataforma de lanzamiento

Procedimiento

1. Ierte cerca de 2 cm de agua en tu cañón, luego añade la pastilla efervescente; alternativamente, mezcla aproximadamente ¼ de cucharadita de bicarbonato sódico y cristales de ácido cítrico en el cañón y añade unas cuantas gotas de agua.
2. Rápidamente coloca ajustadamente la tapa, posiciona el cañón en la plataforma de lanzamiento y aléjate (al menos 1 – 2 m).

Cuando los cristales de ácido cítrico y bicarbonato sódico se disuelven en el agua, reaccionan entre ellos para producir gas dióxido de carbono. Las pastillas efervescentes contienen ambos ingredientes (bicarbonato sódico y un ácido), que reaccionan entre ellos cuando se añade agua. El gas resultante se expande, presionando en las paredes y tapa del cañón. Cuando la presión llega a ser más fuerte que el punto más débil de la pared circundante (la tapa), el cañón explotará dramáticamente, con la tapa saliendo disparada hasta 5 m en el aire, liberando el gas.

3. Vuelve a colocar la tapa y repite el experimento.

Cronometra el tiempo que tarda la tapa en salir disparada y luego experimenta con diferentes cantidades: por ejemplo, intenta que la tapa salga disparada exactamente en 1 min.

Dióxido de carbono en el lugar de trabajo – en la Tierra y en el espacio

El dióxido de carbono puede ser un peligro si se acumula en concentraciones suficientemente altas. Para controlar este y otros gases peligrosos en el lugar de trabajo, el EFDA-JET^w4 utiliza una variedad de instrumentos, tanto de uso manual como instalados fijos en edificios, para detectar gases que disminuyen la concentración de oxígeno y que por tanto pueden producir asfixia. El control de gases incluye no solamente el dióxido de carbono y otros gases criogénicos como el helio, sino también el nitrógeno (usado para extinguir incendios), hexafluoruro de azufre (SF6, un gas usado como aislante eléctrico) y vapores de líquidos refrigerantes como el Galden®. Antes de trabajar en aéreas donde estos gases son un peligro, el personal debe verificar la instrumentación instalada o solicitar el uso de un instrumento portátil para confirmar que la atmósfera es segura.

El dióxido de carbono es también un riesgo potencial a 350 km por encima de la superficie de la Tierra – para los astronautas a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS), una colaboración entre la Agencia Espacial Europea (ESA)^w5 y otros socios internacionales.

Cuando los humanos respiramos, consumimos oxígeno y producimos dióxido de carbono. Como resultado, en hábitats cerrados tales como los submarinos, aviones y la ISS, los niveles de oxígeno disminuyen y los de dióxido de carbono se acumulan, poniendo en peligro a la tripulación (tal como se describe en la película Apollo 13). Los niveles de ambos gases necesitan ser regulados.

En la actualidad, la ISS utiliza un enfoque abierto: atrapar dióxido de carbono con trampas especificas para este gas (por ejemplo, hidróxido de litio, LiOH, que combina con CO₂ para formar carbonato de litio y agua) y transportando botellas de oxígeno desde la Tierra. En el futuro, la ISS usara un enfoque cerrado de reciclado: recuperando O₂ del CO₂, utilizando ya sea técnicas fisicoquímicas (esencialmente ‘cortando’ la parte de oxígeno de la parte del carbono) o algas y otras plantas fotosintetizadoras.

EFDA-JET y ESA son miembros del EIROforum^w6, el editor de Science in School.

El géiser de CO₂

Géiser viene de la palabra geysa del Nórdico antiguo, que significa brotar. Usado por primera vez para El Gran Geysir, una fuente termal en el valle Haukadalur, Islandia, que arroja agua hirviendo hasta 70 m en el aire. El término se utiliza ahora de manera más general para fuentes con erupciones intermitentes de chorros de agua. Al igual que existen géiseres impulsados por agua hirviendo, también hay géiseres fríos, impulsados por CO₂. Subiendo por las profundidades de la Tierra, el gas se acumula por debajo de un depósito de agua subterránea, aumentando la presión. Esta presión se libera regularmente en forma de fuente de agua fría. Puede que tengas una más cerca de tu casa de lo que te imaginas – por ejemplo en Herl’any, en Eslovaquia, o en Wallenborn y cerca de Andernach, en Alemania.

Si no, puedes hacer uno por tu cuenta. Coloca 200 ml de agua en una botella de plástico con una boquilla retráctil (por ejemplo, una que contuvo jabón líquido; ver imagen más abajo), añade una cucharadita colmada de bicarbonato sódico y mezcla bien.

Añade cerca de 35 ml de jabón líquido y agita otra vez. Utilizando un embudo, rápidamente añade tres cucharaditas colmadas de cristales de acido cítrico. Muy rápidamente, enrosca y presiona la boquilla cerrando la botella, agita brevemente y tira de la boquilla hacia arriba para abrirla.

Una fuente de espuma se disparará en el aire hasta 5 m de altura. Alternativamente, puedes esperar hasta que la boquilla se abra sola. Hagas como lo hagas, después de un rato, la presión se liberará y la fuente se parará. Cierra la botella apretando la boquilla hacia abajo; unos 30 segundos más tarde, la presión volverá a ser suficientemente alta para empezar de nuevo el géiser. Se puede repetir varias veces.

Web References

• w1 – Para más información sobre Chemol (en alemán), véase: www.chemol.uni-oldenburg.de
• w2 – Para saber más sobre Science on the Shelves, véase: www.york.ac.uk/res/sots
• w3 – Los materiales siguientes apoyan las actividades de este artículo:

  • Información general sobre CO₂ (PDF o formato Word^®)

  • Historias reales sobre efectos letales del dióxido de carbono (PDF o formato Word^®)

• w4 – Situado en Culham, UK, JET es el dispositivo de fusión Europeo. La explotación científica del JET se lleva a cabo a través del Acuerdo para el Desarrollo de la Fusión Europea (EFDA). Para saber más, véase: www.jet.efda.org
• w5 – ESA es la puerta de Europa al espacio, con sede en París, Francia, Para más información, véase: www.esa.int
• w6 – Para saber más sobre EIROforum, véase: www.eiroforum.org

Resources

• Para variaciones de los cohetes gaseosos, véase:

  • de Vries T (2002) Vitamintabletten einmal anders. Chemkon 9(3): 144-146. doi: 10.1002/1521-3730(200207)9:3<144::AID-CKON144>3.0.CO;2-K

• El proyecto Portugués Pollen ha desarrollado un folleto descargable de actividades científico-educacionales con alimentos (La Manera Divertida y Sabrosa de Aprender Ciencia), disponible en inglés y portugués. Véase: www.cienciaviva.pt/projectos/pollen
• El químico noruego Erik Fooladi ofrece un conjunto de experimentos comparando la química del bicarbonato sódico, bicarbonato amónico y levadura artificial en tartas de Navidad en su página web de actividades científico-gastronómicas (en noruego). Véase www.naturfag.no o sígase el enlace directo: http://tinyurl.com/3spkkwm
• Para actividades con dióxido de carbono y oxígeno, sobre el tema del cambio climático, en la enseñanza primaria, véase:

  • Johnson S (2008) Sembrando ideas: actividades sobre el cambio climático para la escuela primaria. Science in School 10: 55-63. www.scienceinschool.org/2008/issue10/psiclimate/spanish

• En este número, puedes encontrar un enfoque positivo sobre el cambio climático – lo que podemos hacer realísticamente para detenerlo:

  • Shallcross D, Harrison T (2011) Is climate change all gloom and doom? Introducing stabilisation wedges. Science in School 20: 60-64. www.scienceinschool.org/2011/issue20/wedges

Institutions

Author(s)

La Dra. Marlene Rau nació en Alemania y creció en España. Tras obtener el doctorado en biología del desarrollo en el Laboratorio Europeo de Biología Molecular en Heidelberg, Alemania, estudió periodismo y se especializó en comunicación científica. Desde 2008, es una de las editoras de Science in School.

Review

Este artículo ofrece maneras sencillas de desentrañar algunos misterios de la ciencia. Ayuda a comprender fenómenos naturales y realidades, tanto diarias (respiración) como ocasionales (actividad volcánica). Puede estimular el desarrollo de otros experimentos prácticos. Tanto a nivel global (cambio climático) como a un nivel mucho menor (experimentos), puede permitir a los estudiantes darse cuenta que los peligros existen y que es necesario tomar medidas para evitarlos.

El artículo puede relacionarse con noticias de la actualidad o fenómenos naturales como las erupciones volcánicas islándicas o depósitos geotermales. Puede también contribuir al despertar de una consciencia más ecológica. Vínculos interdisciplinarios pueden establecerse entre asuntos medioambientales y ecológicos en química y física, biología (respiración), ciencias de la tierra, matemáticas (medidas y proporciones) y el conocimiento práctico (instrucciones y normas).

A los más pequeños les encantarán los globos efervescentes y los géiseres; Yo reservaría las actividades más explosivas para los estudiantes mayores.

Maria João Lucena, Portugal

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