LA CLASE DE LOS EXPERIMENTOS LA MATERIA El principio de Arquímedes: Se dice que Arquímedes (matemático griego del siglo III A.C.) fue llamado por el rey Hierón de Siracusa para que le dijera si una corona de oro había sido fabricada usando en parte plata. Cuando Arquímedes estaba tomando un baño, se dio cuenta de que al sumergirse en la bañera desalojaba una cantidad de agua igual a su volumen y salió a la calle tal cual estaba gritando: Eureka, Eureka!, que en griego antiguo significa: Lo he encontrado! Así el Principio de Arquímedes dice que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado. Vamos, que si yo me meto en una bañera con agua, ese agua me empuja hacia arriba con una fuerza igual al peso del agua que yo ocupo en la bañera. QUE EL AGUA ME EMPUJA?, A MÍ? Yo eso si no lo veo, no lo creo: Necesitas: - Un cubo con agua - Dos globos - Una bola de plastilina Vamos a poner agua en un cubo e hinchamos dos globos, uno un poquito y otro bastante más grande. Intentamos hundir primero el globo pequeño en el agua del cubo. Qué ocurre?, cuesta un poco verdad? Ahora vamos a hundir el globo grande: costará más o menos que el pequeño?: Uff!, si casi no puedo hundirlo del todo!, Pues sí que va a ser verdad que el agua empuja! Y por qué cuesta más hundir el globo grande? Pues, según Arquímedes, el agua empuja hacia arriba con una fuerza igual al peso desalojado, o sea al globo pequeño le empujará con una fuerza igual al peso de ese globo pequeño lleno de agua, pero al globo grande le empujará con una fuerza igual a su peso lleno de agua y eso es mucho peso!, por eso nos cuesta tanto hundirlo!. Ahora vamos a coger una bola de plastilina y la ponemos en el cubo de agua: se hundirá o flotará?, por qué? podríamos hacer algo con esa misma bola para que flote?, probamos? Muy bien! El agua deja flotar a los cuerpos que pesan menos que ella (como un globo lleno de aire). Pero la bola de plastilina pesa más y se hunde: podemos agrandar la plastilina estirándola para que tenga más volumen y llenarla de aire para que contenga también una materia menos pesada. 1
Si, muy divertido pero para qué nos sirve esto? Pues, por ejemplo, para poder cruzar los mares en un trasatlántico. Estos súper barcos están hechos fundamentalmente de acero, que es un material muy pesado. Si se deposita una plancha de acero en el agua, se hundirá. Pero si la llenamos de aire y aumentamos su volumen conseguimos que flote! La mayor parte del volumen del barco estará ocupado por aire. Esto hace que su densidad sea menor que la del agua y pueda flotar. Y los submarinos? Los submarinos tienen unos depósitos o tanques de lastre que pueden llenarse con agua tomada del exterior (y así pesan más y se hunden), o con aire a presión para subir a la superficie. Qué: sirve o no sirve el Principio de Arquímedes? Densidad: Vamos a probar ahora con un vaso con agua y un huevo: flotará?, se hundirá?, probemos! Necesitas: - Un vaso con agua - Un huevo - Bastante sal Y ahora razonamos: dónde se flota mejor, en un lago o en el mar?, por qué?. Os doy una pista: la densidad del agua dulce es de 0,999 g/ml y la del agua de mar 1,027 g/ml 2
Pues hay un sitio donde todavía se flota mejor!: El mar Muerto. En realidad ni es un mar (es un lago) ni está muerto (en él viven pequeños invertebrados y muchas bacterias adaptadas a vivir con altas concentraciones de sales). Pero su gran particularidad es que tiene hasta 10 veces más sales que el resto de los mares, lo que hace que tenga una densidad muy alta y se pueda flotar en él sin problemas. Una gozada, no? Vamos a experimentar ahora con el hielo: Necesitas: - Un vaso con agua - Un cubito de hielo Qué pasa si ponemos un cubito de hielo en un vaso de agua?, flota o se hunde?, probamos?... Flota! El agua es una sustancia muy peculiar, es la única que hay en la naturaleza que al cambiar de estado líquido a sólido aumenta su volumen (esto lo podemos comprobar si metemos una botella de agua completamente llena en congelador: al congelarse se sobra la botella!). Por tanto el hielo tiene menor densidad que el agua líquida y por eso flota. Que el hielo flote es una suerte. Y si no, que se lo pregunten a los que viven por debajo de él... los lagos, ríos y mares, comienzan a congelarse desde la superficie hacia abajo, y esta costra de hielo hace que aunque la temperatura ambiental sea extremadamente baja (-50ºC), el agua del fondo queda protegida del exterior, y puede alcanzar los 4º o 5ºC, que son suficientes para la supervivencia de ciertas especies. En esta propiedad se basan también los esquimales para construir sus casas de hielo (iglúes). Y hablando de hielo y sal Necesitas: - Dos cubitos de hielo - Un poco de sal Sabes por qué se echa sal a las carreteras en invierno? Nooooo, no es porque a las vacas les gusta la sal y así chupan la carretera y derriten el hielo! Prueba a poner dos hielos en un plato: a uno le echas sal encima y el otro lo dejas tal cual. Después de un rato observalos: qué pasa?. 3
Si, se ha derretido antes (o fundido, para hablar con más propiedad) el que tenía sal. Qué ha pasado?, pues que la sal se disuelve en el agua de la superficie del hielo y la mezcla sal-agua tiene el punto de congelación inferior al del agua pura. Así al poner sal en las carratereras la temperatura tiene que ser más baja para que se forme hielo. Seguimos con las densidades Necesitas: - Un vaso medidor (o un vaso de los de nocilla, que lleno hasta el borde contiene 250 ml) - Una balanza - Aceite - Agua - Alcohol Si, ya sabemos que las cosas con menor densidad flotan en las que tienen mayor densidad, pero qué es la densidad?: es la masa de una sustancia contenida en una determinada cantidad de volumen. Como somos científicos vamos a medir nosotros mismos la densidad de los distintos líquidos. Para ello: Pesamos primero en la balanza el vaso vacío y lo anotamos (también podemos tarar o poner a cero la balanza) Echamos 250 ml de agua en el vaso (o llenamos el vaso hasta el borde si es un vaso de nocilla) y lo pesamos en la balanza Restamos lo que pesa el vaso lleno y el vaso vacío para saber cuánto pesa el líquido que hemos echado. masa Como la densidad es la masa contenida en un volumen: densidad dividimos los volumen gramos que pesa el líquido entre 250 ml y tendremos su densidad en g/ml Repetimos lo mismo para el resto de los líquidos De esta forma obtendremos aproximadamente las siguientes densidades: - Agua: 0,99 g/ml - Alcohol: 0,81 g/ml - Aceite: 0,91 g/ml Según esto, si ponemos en un vaso los tres líquidos, qué pasará?, se mezclarán?, flotará alguno?, cuál?. Vamos a probarlo: Necesitas: - Un vaso alto o una botellita transparente (como las de agua pequeñas) - Aceite - Agua - Alcohol - 2 colorantes alimentarios líquidos - Una cucharilla Pon en el vaso unos tres dedos de aceite. Ahora echa encima unos tres dedos de agua y observa lo que pasa: el aceite no se mezcla con el agua y como es menos denso, se queda encima. Hemos hecho una mezcla heterogénea de agua y aceite! 4
Añade 4 o 5 gotitas de colorante encima del aceite. Qué pasa?. Como el colorante está hecho con agua y el agua es más densa que el aceite y no se mezcla con él, las gotas de colorante atraviesan el aceite y se quedan encima del agua. Agita un poquito el vaso para mezclar el colorante con el agua. Echa ahora encima el alcohol y observa. En principio al agua y el alcohol sí que se pueden mezclar, pero aquí como está en medio el aceite que tiene una densidad intermedia, se queda el alcohol flotando encima del aceite. Añade 4 o 5 gotas del otro colorante distinto encima del alcohol: el colorante es más denso que el alcohol, va hacia el fondo, pero se queda encima del aceite porque no es miscible en él. Si agitas ahora un poco el vaso el segundo colorante se mezclará con el alcohol. Prueba ahora a agitar toda la mezcla con la cucharilla y observa lo que pasa. Puedes probar también con otros líquidos que tengas en casa: jabón, miel, leche y luego lanza a la columna de líquidos pequeños objetos: clips, piedritas, botones, abalorios, dados para ver en qué capa se paran. De qué dependerá? Mezclas En el experimento anterior hemos hecho una mezcla heterogénea (agua y aceite) y una mezcla homogénea (agua y alcohol). Cómo podríamos separarlas?: Para separar el agua del aceite podríamos utilizar un embudo de decantación. Al dejar reposar la mezcla el aceite, que es menos denso, se queda arriba de manera que al abrir la llave podríamos separar el agua. La mezcla del agua y el alcohol podría separarse mediante destilación aprovechando que el alcohol se evapora a una temperatura de 79 ºC mientras que el agua lo hace a 100 ºC. Qué tal si hacemos unos cristales de sal o azúcar? Necesitas: - Un vaso - Agua - Sal (o azúcar) - Colorante alimentario - Una cucharilla - Un embudo - Papel para filtrar (papel de cocina o un pañuelo de papel) - Un plato 5
Primero prepararemos una disolución de sal o mejor dicho, de cloruro sódico (Na Cl). Si lo prefieres, puedes hacerla de azúcar. Como sabes, una disolución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias que no reaccionan entre sí. Llamamos disolvente a la sustancia que está en mayor proporción y soluto a la que se encuentra en menor proporción. En nuestra disolución de agua y sal, cuál será el disolvente y cuál el soluto? Cuanto más soluto haya en la disolución mejor se formarán los cristales, así que ponemos agua en un vaso, vamos añadiendo cucharadas de sal (o de azúcar) y agitamos para que se disuelva (se puede calentar el agua de manera que la sal o el azúcar se disuelvan mejor). Llegará un momento en el que el disolvente (el agua) ya no admitirá más moléculas de soluto en su interior, por lo que la sal o el azúcar que añadamos se quedará en el fondo del vaso sin disolver. Esto es una disolución saturada. Para que nuestros cristales sean más bonitos, añadimos colorante alimentario a la disolución. Filtramos la disolución para eliminar impurezas: pon en un embudo un pañuelo de palpel fino y cuela la disolución. Hecha en un plato el líquido (para que se evapore mejor el agua) y lo dejamos sin mover unos cuantos días. Si lo hemos dejado muy quieto, los átomos de Na y Cl se han podido reorganizar muy bien y podemos obtener unos cristales superchulos de cloruro sódico (NaCl) como éstos: Puedes preparar de igual modo una disolución de azúcar e intentar hacer piruletas: Deja la disolución en el vaso Sujeta con una pinza un palito de madera de los de pinchos (sin que toque las paredes ni el fondo) Déjalo varios días sin mover hasta que se evapore el agua. Reacciones químicas Toda la materia (sólidos, líquidos y gases) está formada por unas partículas diminutas que se llaman átomos. Y sólo existen un poco más de 100 tipos de átomos diferentes! 6
Los químicos los representan en una tabla periódica como esta: Todo, todo, todo lo que ves a tu alrededor está formado por la unión de uno o varios de estos elementos. A cada uno de estos elementos o tipos de átomos, los químicos los representan con unas letras o símbolos, por ejemplo: Oxígeno: O Hidrógeno: H Oro: Au Hierro: Fe Vamos a hacer una reacción química y la vamos a escribir como si fuésemos científicos: Vinagre + bicarbonato --- nos da ---- mezcla líquida + burbujas ácido acético + hidrógeno carbonato de sodio ---- acetato de sodio + agua + dióxido de carbono CH 3 COOH + NaHCO3 CH 3 COONa + H 2 O + CO 2 A que parece un jeroglífico? Pues con esta reacción química vamos a simular un volcán y a inflar un globo sin tocarlo! Necesitas: - Ácido acético (vinagre) - Bicarbonato - Agua - Una botella pequeña vacía (un botellín de agua, de yogur líquido ) - Un poco de jabón de fregar - Un embudo - Un globo - Un embudo - Una balanza (opcional) Primero (y para no liarla en casa y que se enfaden los papis), coge una bandeja o un plato grande y pon dentro la botella vacía. Ya?, pues manos a la obra!: Para hacer el volcán pon una cucharadita de bicarbonato en la botella vacía y añádele un poco de jabón de fregar. Si quieres que la lava salga con color, puedes añadir un poco de colorante. Ahora echa un buen chorro de ácido acético (vinagre) y observa qué pasa. Has hecho una reacción química! Ya que lo has hecho tan bien podemos a ir un poco más allá y demostrar la ley de Lavoisier o principio de conservación de la masa: La materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma. 7
Pon el embudo en la boca del globo y llénalo con bicarbonato. Echa ácido acético (vinagre) en la botella vacía hasta aproximadamente 1/3 y pon el globo en la boca de la botella. Si quieres comprobar el Principio de conservación de la materia, pon la botella con el globo en la balanza y mira cuánto pesa. Ahora levanta el globo para que caiga por la boca de la botella todo el bicarbonato de su interior. Qué pasa?. El globo se hincha sólo! Cuando ya no se hinche más el globo, vuelve a pesar la botella y el globo inflado: pesa lo mismo que antes?, se ha cumplido la ley de Lavoisier? Quieres saber por qué sucede todo esto? Al juntar un ácido (vinagre) y una base (bicarbonato) se produce una reacción química y se forma una sal y un gas (dióxido de carbono o CO 2 ) que se escapa en forma burbujas y sale por la boca del volcán. En la botella este gas llena el recipiente y como no puede salir, llena el globo hinchándolo. Hemos dicho que el vinagre es un ácido y el bicarbonato una base, pero qué es eso?. Ácidos y bases: qué es eso del ph? Se pueden clasificar las sustancias en ácidas o básicas. Para esto se utiliza la escala de ph que va desde 0 hasta 14. Para un químico es muy importante saber si una sustancia es un ácido o una base porque así podemos saber cómo van a reaccionar si las juntamos. Una forma de medir el ph es utilizar un indicador, que es una sustancia que cambia de color si está en contacto con un ácido o con una base. Ahora (y como tenemos espíritu científico) vamos a comprobar por nosotros mismos si es verdad que el vinagre es ácido y el bicarbonato básico. Primero vamos a fabricar nuestro propio indicador: Necesitas: - Una col lombarda (con un trozo es suficiente) - Una cazuela - Un adulto que te ayude (nos sirve cualquiera: papi, mami, abuelos, tíos ) - Un colador - Un bote para guardar el indicador - Papel de filtro (sirve el de las cafeteras) 8
Pide ayuda a un adulto y poner a hervir en una cazuela con agua la col lombarda. Déjala reposar en el agua unos 30 minutos y pasa el caldo por un colador. Ya tienes un líquido indicador que cambiará de color según el ph de las sustancias: Ácido --- Rojo Básico --- Verde Neutro --- Azul-violeta (sin cambio de color) Si quieres, puedes preparar tu propio papel indicador: Moja un papel de filtro (de los de las cafeteras) con el indicador que acabas de hacer, déjalo secar y luego córtalo en tiras de 1 cm aproximadamente. Ahora ya podemos utilizar el indicador líquido y el papel indicador para saber si una sustancia o disolución es un ácido o una base: Necesitas: - El indicador líquido que has preparado - El papel indicador - Ácido acético (vinagre) - Bicarbonato - Vasos o recipientes para poner las distintas sustancias Prepara una disolución de bicarbonato disolviendo una cucharadita en un poco de agua Pon un poco de ácido acético (vinagre) en otro vaso En un tercer vaso pon un poco de agua Añade a cada vaso un poquito del indicador líquido Qué pasa?, cambian de color los líquidos?, podrías decir si son ácidos, básicos o neutros? También puedes medir el ph con el papel indicador: moja un trozo de papel en el vaso con la disolución, sácalo y observa si ha cambiado de color. Ahora ya puedes medir el ph de todo lo que quieras y saber si es ácido, básico o neutro (si son sólidos puedes echarles encima unas gotas del indicador líquido). Puedes probar con leche, yogur, zumo de limón, manzana, detergente de lavadora, todo lo que tu imaginación (y tu madre), te dejen! 9