La ciencia del calientamanos Teach article
Traducción de Elisa López Schiaffino. Ayude a sus estudiantes a investigar una reacción exotérmica con un ejemplo de la vida cotidiana: la almohadilla autocalentable.
Las almohadillas autocalentables pueden usarse sobre la piel durante varias horas, y se están utilizando cada vez más como método para aliviar el dolor. La misma tecnología también puede mantener las manos calientes durante los días fríos. Pero, ¿cómo se produce el aumento de temperatura en las almohadillas? Con esta actividad, los estudiantes pueden investigar este tema en una clase.
Presentación de la actividad
Para comenzar, presente el siguiente escenario hipotético a sus estudiantes: ellos trabajan para una revista de ciencia. Llega una carta dirigida al editor, y los estudiantes deben responderla.
Estimada Señora:
A menudo sufro de dolores en mi cuello y hombros debido a mi trabajo, por lo que estoy considerando usar almohadillas autocalentables durante el día para reducir el dolor. Quisiera saber cómo funcionan y si son reutilizables.
La información del producto dice que las almohadillas se activan simplemente por contacto con el aire. ¿Es verdad? ¿Son seguras, o podrían causar algún problema o tener efectos secundarios?
Muchas gracias,
Susanne Musterfrau, Colonia
Borstel
El desafío
Explique a los estudiantes que su tarea es investigar la funcionalidad de las almohadillas autocalentables y contestar las preguntas de la autora de la carta. Los estudiantes deben:
- Escribir preguntas (que luego deberán responder) sobre cómo funcionan los productos autocalentables.
Por ejemplo, pueden pensar en la activación por contacto con el aire. ¿Podría alguno de los componentes principales del aire activar las almohadillas autocalentables?
- Usar los materiales de trabajo provistos para buscar respuestas a las preguntas (que ellos mismos formularon en el punto 1), y registrar el proceso que realizan.
Con el experimento que se describe a continuación, se pueden probar las reacciones usando pequeñas cantidades.
- Escribir una respuesta a la autora de la carta, explicando la funcionalidad de las almohadillas autocalentables de tal manera que sea comprensible para quienes tengan conocimientos básicos de química.
El experimento
Materiales
Cada grupo necesitará:
jeringa
Imagen cortesía de Gregor von
Borstel
- Una almohadilla o bolsita autocalentable
- Papel absorbente de cocina o bolsitas de té rellenables.
- Una espátula
- Oxígeno
- Nitrógeno
- Dos jeringas de 50 ml
- Capuchones para las jeringas
- Válvula de tres vías
- Espuma de polietileno (material aislante para cañerías)
- Sensor de temperatura o termómetro
- Tijeras
Procedimiento
-
Se observa qué sucede con el
émbolo
Imagen cortesía de Gregor von
BorstelAbra la bolsita o almohadilla y tome dos pequeñas porciones del contenido con la espátula. Envuelva el contenido en una hoja de papel absorbente o póngalo en la bolsita de té.
- Quite el émbolo de una de las jeringas y coloque el material envuelto con el papel absorbente dentro de la jeringa. Vuelva a colocar el émbolo.
- Selle la punta de la jeringa con el capuchón.
- Coloque un sensor de temperatura al costado de la jeringa y envuelva la jeringa y el sensor en el material aislante.
- Observe por unos minutos. ¿Cambia la temperatura?
- ¿Qué sucede con el émbolo de la jeringa?
- Quite el capuchón de la jeringa y baje por completo el émbolo.
- Llene la segunda jeringa con nitrógeno.
- Conecte las dos jeringas mediante la válvula de tres vías y tire del émbolo de la segunda jeringa hacia abajo para transferir nitrógeno a la primera.
- Observe por unos minutos. ¿Cambia la temperatura de la primera jeringa? ¿Qué sucede con el émbolo de la primera jeringa?
- Vuelva a realizar los pasos 8 a 10 con oxígeno en vez de nitrógeno.
Lo que sucede
comienzo de la reacción
Imagen cortesía de Gregor von
Borstel
Probablemente habrá notado que el material de la almohadilla autocalentable libera calor cuando entra en contacto con el aire, y aún más cuando está expuesto al oxígeno puro. Al consumirse el gas en la reacción, se reduce la presión de la jeringa y el émbolo se mueve hacia adentro de la jeringa. El material no reacciona con el nitrógeno, por lo que no se genera calor ni movimiento del émbolo. Esto se debe a que la almohadilla térmica funciona debido a la reacción de la oxidación del hierro:
4Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s)
Es una reacción exotérmica: se libera calor. Si revisa el contenido de la jeringa al finalizar el experimento, encontrará partículas rojas (óxido).
¿Sucede algo con los otros componentes presentes en el contenido de la almohadilla, como el carbón activado y la sal? La oxidación es una reacción redox, en la que el hierro se convierte en iones férricos:
4Fe → 4Fe3+ + 12e–
y se produce la reducción del oxígeno:
12e– + 3O2 → 6O2-.
La sal y el carbón activado no se consumen, sino que actúan como electrolitos y ayudan a los electrones a fluir entre los elementos.
Ampliación
Puede usar jeringas para medir con exactitud cuánto oxígeno se consumió en la reacción; esa información le permitirá investigar la velocidad de reacción. Podría conversar con sus estudiantes sobre otras maneras de aumentar la velocidad de reacción, y sobre otras reacciones exotérmicas que pueden emplearse para la fabricación de una almohadilla térmica.
References
- Howes L (2015) Science teaching in the spotlight. Science in School 33: 30-33
- Rau M (2011) Calentando comidas y bebidas con energía química. Science in School 18: 46-51
Web References
- w1 – Para saber más sobre Lebensnaher Cnemieunterricht y las actividades que propone, consulte: www.lncu.de