JARDÍN QUÍMICO
Introducción
A diario, somos testigos de
diversos fenómenos químicos y físicos del mundo que nos rodea. Algunos son más
llamativos que otros y pareciera que esto se debe a que dichos fenómenos son
más complejos que otros fenómenos más triviales.
Sin embargo, a veces los
fenómenos más llamativos suelen ser mucho más simples de lo que pensamos y se
rigen por ciertas leyes básicas.
En esta ocasión analizaremos un
particular caso, un fenómeno denominado “el jardín químico”, en el cual lograremos
probar como un fenómeno casi inexplicable a primera vista tiene su sustento en
leyes básicas estequiométricas, soluto-solvente y un par de propiedades
físicas. Cabe destacar que es necesaria una visión molecular de la reacción
para darle cabida a nuestra hipótesis.
OBJETIVO
GENERAL
> Elaborar un jardín químico a partir de sales y una solución de
silicato sódico y agua.
OBJETIVOS
ESPECIFICOS
> Determinar las razones por las cuales ocurren las reacciones
necesarias para la construcción del jardín químico.
> Observar cómo crecen los cristales en presencia de algunas sales en
silicato de sodio.
> Tener un aprendizaje divertido sobre las sales y hacer de la química
un mundo más interactivo y agradable para todos los estudiantes.
MARCO
TEORICO
· Sal (química)
La sal es un compuesto químico formado por cationes (iones con carga
positiva) enlazados a aniones (iones con carga negativa). Son el producto
típico de una reacción química entre una base y un ácido, la base proporciona
el catión y el ácido el anión.
La combinación química entre un ácido y un hidróxido (base) o un óxido y un
hidronio (ácido) origina una sal más agua, lo que se denomina neutralización.
· Sales minerales
Las sales minerales son moléculas inorgánicas de fácil ionización en
presencia de agua y que en los seres vivos aparecen tanto precipitadas, como
disueltas, como cristales o unidas a otras biomoléculas.
Las sales minerales disueltas en agua siempre están ionizadas. Estas sales
tienen función estructural y funciones de regulación del pH, de la presión
osmótica y de reacciones bioquímicas, en las que intervienen iones específicos.
Participan en reacciones químicas a niveles electrolíticos.
· Reacción química
Una reacción química, cambio químico o fenómeno químico, es todo proceso
termodinámico en el cual una o más sustancias (llamadas reactantes), por efecto
de un factor energético, se transforman en otras sustancias llamadas productos.
Esas sustancias pueden ser elementos o compuestos. Un ejemplo de reacción
química es la formación de óxido de hierro producida al reaccionar el oxígeno
del aire con el hierro de forma natural, o una cinta de magnesio al colocarla
en una llama se convierte en óxido de magnesio, como un ejemplo de reacción
inducida.
A la representación simbólica de las reacciones se les llama ecuaciones
químicas.
Los productos obtenidos a partir de ciertos tipos de reactivos dependen de
las condiciones bajo las que se da la reacción química. No obstante, tras un
estudio cuidadoso se comprueba que, aunque los productos pueden variar según
cambien las condiciones, determinadas cantidades
permanecen constantes en cualquier reacción química. Estas cantidades
constantes, las magnitudes conservadas, incluyen el número de cada tipo de
átomo presente, la carga eléctrica y la masa total.
Método
Científico
Observación:
En un medio acuoso, el silicato de sodio (Na2SiO3) reacciona conciertas
sales coloreadas solubles, generando así formas arborescentes mejor conocidas
como estalagmitas metálicas.
Planteamiento del problema:
¿Que produce que distintos tipos de sales en contacto con una solución de silicato sódico
con agua puedan crear especies de ramificaciones, o membranas que crecen hasta
formar estalagmitas y dar la forma de un jardín químico?
Variable independiente: sales coloreadas
Variable dependiente: forma y color de las ramificaciones
Materiales:
- Recipientes de vidrio (Transparentes)
- Silicato de sodio
- Agua – H2O
- Arena (Opcional)
- Sulfato de hierro ll – FeSO4
- Cloruro de cobalto ll – CoCl2
- Cloruro de hierro ll – FeCl2
- Cloruro de magnesio ll – MgCl2
- Sulfato de cobre ll - CuSO4
- Probeta
Riesgos:
· Sulfato ferroso: Dañoso si está tragado o
inhalado. Causa la irritación a la piel, a los ojos y a la zona respiratoria.
Afecta el hígado.
Ø Inhalación: Causa irritación a la zona
respiratoria, entre los síntomas están el toser y shortness de la respiración.
Ø Ingestión: La toxicidad es baja en
cantidades pequeñas, pero dosificaciones más grandes pueden causar vómitos,
diarrea entre otros. La decoloración rosada de la orina es un indicador fuerte
del envenenamiento del hierro. Los daños: el coma y la muerte del hígado del
envenenamiento del hierro se han registrado. Para los niños son mucho más
toxicas las dosis más pequeñas.
Ø Contacto con la piel: Causa irritación de la piel. Los
síntomas incluyen rojez, hinchamiento y dolor.
Ø Contacto visual: Causa irritación, rojez y dolor.
Ø Exposición Crónica: Los
envenenamientos severos o crónicos por parte del sulfato de hierro pueden dañar
los vasos sanguíneos. Las dosis crónicas grandes causan raquitismo en infantes.
La exposición prolongada de los ojos puede causar la decoloración.
Ø Provocación de condiciones preexistentes: Las personas con desórdenes de la piel o problemas preexistentes del ojo, o
el hígado deteriorado, el riñón o la función respiratoria pueden ser más
susceptibles a los efectos de la sustancia.
· Sulfato cúprico: En altas concentraciones es narcótico. Al ser ingerido puede llegar a
causar daños a los riñones cambios metabólicos y coma. Es irritante.
Ø Inhalación: Causa irritación del tracto
respiratorio pudiendo resultar en
Ulceraciones y/o perforaciones del mismo.
Ø Contacto con los ojos: Severa
irritación en ojos y párpados. Si el producto no se remueve rápidamente
irrigando con abundante agua, puede producirse daño visual permanente o
prolongado e incluso pérdida total de la vista.
Ø Contacto con la piel: Es irritante y
corrosivo sobre la piel. Puede causar quemaduras severas si no se lava a
tiempo. Un contacto repetido con la piel puede conducir al desarrollo de una dermatitis.
Ø Ingestión: Provoca irritación severa en el
sistema digestivo dolor abdominal, nauseas, vómito y diarrea Puede causar hemorragias
en el tracto-digestivo.
· Cloruro Férrico: Muy agresivo sobre las mucosas y el tracto
respiratorio superior. Es corrosivo
en general. Puede provocar quemaduras severas de
la boca, e incluso estómago. Puede provocar
vómitos y diarrea.
Ø Riesgos de Fuego o explosión: Los bomberos
deben usar equipos de respiración autónoma y trajes resistentes al ácido
clorhídrico. Utilizar niebla de agua para contenerlos vapores de HCl.
Ø Riesgos de reacción con otras sustancias: El cloruro férrico es una sustancia estable, reacciona con metales, cloruro
de alilo, sodio, potasio, álcalis. Puede formar vapores tóxicos y corrosivos.
Ø Inhalación: Muy agresivo sobre las mucosas y
el tracto respiratorio superior. Los síntomas pueden incluir sensación y
quemazón, tos laringitis, acotamiento de la respiración, dolor de cabeza,
náuseas y vómitos.
Ø Ingestión: Es corrosivo Puede provocar
quemaduras severas en la boca e incluso estómago. Puede provocar vómitos y
diarrea. Poco tóxico en dosis bajas pero por encima de los 30 mg/kg puede
provocar lo antes mencionado. La orina de color rosado como ya lo mencionamos antes
es un indicador de envenenamiento por hierro Daño al hígado, y muerte. Pueden
sobrevivir hasta tres días después de la intoxicación.
· Cloruro de cobalto: Puede causar cáncer por inhalación. También nocivo por ingestión.
Posibilidad de sensibilización por inhalación y en contacto con la piel.
Ø Incendio: No es combustible. En caso de incendio
pueden formarse humos tóxicos de óxido de cobalto.
Ø Inhalación: Tos, dificultad respiratoria,
jadeo.
Ø Piel: Enrojecimiento.
Ø Ojos: Enrojecimiento
Ø Ingestión: Dolor abdominal, diarrea,
nausea, vómitos.
Todos juntos como sistema no reaccionan entre sí, y
al añadir silicato sódico tampoco reaccionan por eso a pesar de toda la
toxicidad vista este proyecto como es de bajas proporciones no causara daño
contra la salud del usuario.
Diseño
Experimental
Procedimiento:
1. Se mezcla cuidadosamente en el recipiente 1
parte de silicato de sodio comercial por cada 2 partes de agua (Proporción 2:1).
2. En un recipiente de vidrio (en este caso un
vaso de precipitado) agregamos arena, que hará de suelo y luego le agregas la
solución de silicato de sodio y agua preparado en el paso anterior. Nota: antes
de proseguir tienes que tener paciencia y esperar que la arena sedimente bien,
además de que la arena esté limpia, sino la solución se verá un poco turbia.
3.
Con mucha paciencia y casi de a una, vamos esparciendo las sales minerales en
el recipiente. No tarda mucho en empezar a formarse ramificaciones coloreadas a
partir de cada cristal. Según la sal, las ramificaciones serán de
características diferentes y se formarán a distinta velocidad (algunas se
pueden ver formarse a simple vista)
4. Al cabo de poco tiempo se forman silicatos
metálicos con formas curiosas: “agujas” blancas (Mn (II) y Ca (II)), violetas
(Co (II)), arbustos verdes de (Ni (II)) y ocres (Fe (II)). Dado los distintos
coloridos de esos silicatos, la apariencia es de un pequeño bosque de múltiples
colores.
Precauciones:
Al cabo de dos o tres días, cuando los “árboles”
ya no crecen más, con la
ayuda de una pipeta o sifón puede extraerse la
disolución que envuelve el “jardín”
y sustituirla por agua a fin de que se conserve mejor.
Recomendaciones:
Hay que
tener un poco de paciencia para, antes de añadir las sales, conseguir que el
líquido que se posa sobre la arena esté perfectamente incoloro y transparente.
No hay que
extrañarse –no obstante- sí, una vez formado el bosque, se va “derrumbando” al
cabo de unos días.
Al cabo de
dos o tres días, cuando los “árboles” ya no crecen más, con la ayuda de una
pipeta o sifón puede extraerse la disolución que envuelve el “jardín” y
sustituirla por agua a fin de que se conserve mejor.
Resultados:
Sal |
Compuestos resultantes | Color de la ramificación |
Sulfato de Cu II (CuSO4) | CuSiO3
+ sal | Azul |
Sulfato de Fe II (FeSO4) | FeSio3 + sal | Verde |
Cloruro de Fe III (FeCl3) |
FeSiO3 + sal | Naranja |
Cloruro de Co II (CoCl2) | CoSio3
+ sal | Purpura |
Al arrojar las sales a la disolución neutra de
silicato de sodio podemos observar que al paso de 20 a 35 minutos las sales reaccionan,
formando así un “gel” alargado o circular (dependiendo de la sal), el cual
sigue creciendo algunos días después.
No todas las sales forman una misma figura y no
son del mismo color, por ejemplo el cloruro de cobalto es la sal que reacciona
más rápido formando una especie de árbol ya que tiene forma alargada y forma
unas “ramificaciones” que se van expandiendo por todo el espacio.
Estas membranas obtenidas son porosas,
parecidas a cascaras porosas que por medio de osmosis el agua de la solución entra
la membrana disminuyendo su densidad y aumentando su volumen lo que genera
estas ramificaciones y crecimiento de las sales.
Los nuevos silicatos resultantes tienen la
característica de ser insolubles en agua.
Las nuevas sales resultantes forman un “cristal”
de sales.
También podemos apreciar que las ramificaciones
no siguen un patrón de formación determinado, ya que algunas son más largas y/o
gruesas que otras.
Otro dato importante es que el color de las
ramificaciones no se debe precisamente al nuevo silicato formado, si no que a
la interacción de estos con los nuevos componentes presentes en la mezcla
(sales e iones).
¿Qué es lo que sucede en este proyecto?
Cuando las sales de metal están
en solución, tienden a disolverse, es decir, que las sales se disuelven iones
por moléculas de agua circundantes. Por ejemplo con el cloruro de hierro (III):
FeCl3(s) + n H2O → Fe3+ (aq) + 3
Cl– (aq)
Los iones metálicos forman un precipitado insoluble en contacto
con el silicato, que forma una película (o sobre) sólida, cristalina,
opcionalmente, pero relativamente porosa y permeable al agua de la solución de
silicato. Dentro de esta carcasa, se introducen la sal de metal; fuera, la
solución de silicato. El agua en la solución puede entrar a través de la
ósmosis en el interior, mediante el aumento de su volumen. Así, las olas y las
lágrimas de sobres en lugares, dejando escapar la solución interna, se
concentraron sal de metal, que forma de nuevo la película porosa en contacto
con el silicato.
La explicación de este fenómeno
se basa en dos conceptos de la química:
Osmosis o presión
osmótica: En la presencia de silicato de
sodio, los iones metálicos forman silicatos de metales. Una cáscara sólida,
pero las formas semi - permeables azores del gránulo. Debido a la diferencia de
concentración entre el interior y el exterior de la membrana y porque las
paredes son porosas, el agua entra por ósmosis. La presión dentro de la carcasa
aumenta a su ruptura.
Flotabilidad: Es debido a la diferencia de densidad entre el silicato de sodio y el
interior de la funda porosa. Por ósmosis, el agua que entra en la carcasa que
se disuelve sal de metal a la misma y la densidad disminuye. Cuando se hace
menor que la densidad de la solución de silicato, una fuerza dirigida hacia
arriba (el famoso flotabilidad). Tras la ruptura de la envoltura, el líquido
interior se eleva a través de la solución de silicato para formar ramas.
Poco a poco, a medida que surgen estas ramas, se
forman paredes porosas y el proceso continúa a través de la acción combinada de
la ósmosis y la diferencia de densidad.
Hay que tener en cuenta que las ramas pueden crecer
más rápida y extensamente dependiendo que la sal utilizada sea higroscópica, es
decir, sediento de agua. Esto puede explicar por qué el hierro (III)
hexahidrato de cloruro de cobalto y cloruro, muy higroscópico, dio grandes
extremidades hinchadas, mientras que otras sales, menos higroscópicas, forman
las piernas en forma de finas o más cortos.
Existe también la aparición de burbujas de aire, ya
sea del aire disuelto en agua destilada o burbujas contenidas en los polvos.
Estas burbujas tienden a subir a la superficie, llevando con ellos la sal
disuelta del metal en el agua, ayudando a la formación de tentáculos o ramas. A
veces, estas burbujas se desprenden.
Nuestra conclusión:
Las sales minerales son solubles en agua, por lo tanto, al entrar en
contacto con la solución de silicato de sodio (soluble en agua), éstas se
separan en sus respectivos iones, que luego reaccionan con el silicato de sodio
formando un compuesto insoluble.
Las ramas que se forman, son a causa de que la mayoría de los silicatos de los
metales de transición son insolubles en agua.
Si tomamos como ejemplo el sulfato de cobre (CuSO4), la reacción característica
frente al silicato de sodio (Na2SiO3) sería:
CuSO4 +
Na2SiO3 ----- CuSiO3
+ Na2SO4
Donde el silicato de cobre es insoluble. La ecuación iónica de esta
reacción:
Cu +
SO4 + 2Na +
SiO3 ----- CuSiO3
+ 2Na + SO4
Y así se deberá realizar con el resto de elementos químicos que vayamos a usar.
A esta clase de reacciones donde los iones se intercambian se denominan metátesis y
se ajustan a la siguiente ecuación general:
AX +
BY ----- AY
+ BX
Este compuesto insoluble junto al silicato de sodio,
forman una membrana porosa, y relativamente permeable al agua de la solución de
silicato la cual por efectos de ósmosis, el agua de la solución entra en esta
membrana, disminuyendo su densidad y aumentando su volumen, lo que causa la
ruptura de la membrana y la formación de una nueva, y así sucesivamente. Cuando
se vuelve menor que la densidad de la solución de silicato, el compuesto
tenderá a irse para arriba, a causa de una fuerza llamada empuje.
El resultado final es la aparición de una serie de
columnas de silicatos metálicos coloreados y por ende la obtención de nuestro
´´Jardín químico´´.
Anexos (Evidencias):
Este es
nuestro segundo Jardín químico elaborado con éxito.
Se puede
apreciar el jardín químico ya elaborado es mejor conservado con el agua en
lugar del silicato sódico.
Referencias
(Linkografía):
