Proyectos para ferias científicas

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:

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.