Química a microescala: experimentos para el colegio Teach article

Traducido por alumnos máster de traducción. Universidad de Zaragoza. Elias Kalogirou y Eleni Nicas nos presentan una selección de experimentos de química para el colegio a una escala muy pequeña.

Imagen cortesía de tap10 /
iStockphoto

En comparación con los estándares industriales, toda la química que se hace en el colegio es a pequeña escala; 50 ml por un lado, 1 g por otro. Sin embargo, en los últimos tres años hemos venido realizando experimentos químicos a microescala; es decir, usando sólo una o dos gotas de cada reactivo.

El trabajo a esta escala ofrece muchas ventajas. La utilización de cantidades más pequeñas de reactivos reduce tiempo, coste y residuos y favorece que los estudiantes se preocupen del medio ambiente. Aunque siguen siendo necesarias ciertas medidas de seguridad, el riesgo siempre es menor con volúmenes menores. Por otra parte, la manipulación de cantidades tan pequeñas no entraña ninguna dificultad para los estudiantes. A esta escala, los experimentos no precisan del instrumental de laboratorio habitual sino que pueden realizarse utilizando materiales caseros, como paquetes de chicles, que son baratos, pueden reutilizarse varias veces y requieren poco espacio de almacenamiento.

El recipiente para las
reacciones: un paquete de
chicles
Imagen cortesía de Elias
Kalogirou and Eleni Nicas

Más adelante se ofrecen las instrucciones para realizar algunos de los experimentos a microescala que hicimos con alumnos de 14 a 15 años. Nuestros alumnos realizaron los experimentos en grupos de cuatro. De forma alternativa, los experimentos se pueden mostrar colocando el instrumental en un retroproyector.

Las reacciones estudiadas forman parte del programa docente griego para alumnos de esta edad, aunque normalmente se realizarían a escala algo mayor.

Experimentos

En vez de usar el instrumental habitual de laboratorio, estos experimentos se realizan en un paquete de chicles (envase tipo burbuja) del que se ha retirado el chicle y el papel de aluminio (ver imagen). También podrían utilizarse paquetes de pastillas, siempre y cuando las pastillas sean lo suficientemente grandes. Cada experimento se realiza en un compartimento distinto del envase.

 

Medidas de seguridad:

  • Para manipular el ácido clorhídrico y el hidróxido de sodio necesarios para la mayoría de los experimentos descritos en este artículo, deben usarse guantes y gafas protectorasand safety glasses.
  • Al tratarse de cantidades tan pequeñas y concentraciones tan bajas, cualquier reactivo sobrante puede eliminarse por el fregadero.

 

Las tablas (procedimientos y resultados experimentales) correspondientes a todos los experimentos pueden descargarse en formato Word® desde la página webw1 de Science in School.

Preparación

Col lombarda
Imagen cortesía de Tamara
Kulikova / iStockphoto

Para preparar el indicador de col lombarda cubra 10 gramos de hojas frescas de esta col con agua destilada, trocéelas y llévelas a ebullición. Hiérvalas hasta que el líquido se vuelva ligeramente púrpura. Deje que se enfríe y extraiga el líquido, que es el indicador.

Para preparar la solución de hidróxido sódico (NaOH), disuelva 0,4 g de hidróxido sódico en 100 ml de agua.

Para preparar el agua de cal (solución saturada de hidróxido cálcico) llene un vaso de precipitados de 500 ml con un tercio de hidróxido cálcico [Ca(OH)2] y añada agua destilada hasta la marca de 400 ml. Remueva bien la mezcla y deje que la suspensión resultante se asiente durante varias horas. La solución saturada e incolora (agua de cal) se debe verter en un frasco cuentagotas, teniendo cuidado de que no caiga el sedimento.

La solución de ácido clorhídrico (15% m/m) se puede encontrar en los supermercados de algunos países. Como alternativa, prepare en el laboratorio una solución de 1 M (aproximadamente).

(Fíjese en que la solución de ácido clorhídrico que se va a usar está más concentrada que la solución de hidróxido sódico para asegurar que las reacciones ácidas puedan observarse sin protección y que las reacciones base no agotan los reactivos.)

Para realizar los experimentos, todas las soluciones deben verterse en un frasco cuentagotas.

Objetivos

El objetivo del experimento número 1 es que los estudiantes se den cuenta de que tanto los ácidos como las bases cambian el color de los indicadores de PH y que el color resultante es también distinto en uno y otro caso.

Aspirina en pastillas
Imagen cortesía de
alexeynovikov / iStockphoto

En el experimento número 2, los estudiantes pueden observar cómo reaccionan los ácidos con los metales. Conviene hacerles notar la producción de burbujas (efervescencia) y también que el magnesio reacciona con más fuerza (produciendo más calor y más burbujas) con el ácido que con el hierro, aunque se utilice menos ácido. Podemos explicar a los estudiantes que el gas resultante es hidrógeno.

En el experimento número 3, los estudiantes pueden observar cómo reaccionan los ácidos con los carbonatos. Conviene hacerles notar la producción de burbujas (efervescencia). Podemos explicarles que el gas de las burbujas es dióxido de carbono.

El experimento número 4 da a los estudiantes la oportunidad de usar el papel indicador de PH. Conviene que aprendan que las soluciones se clasifican en ácidos o bases y que su PH se puede determinar con el papel indicador.

En el experimento número 5, los estudiantes investigan la conductividad del agua destilada, el ácido clorhídrico y la solución de dióxido de sodio. Conviene que aprendan que el agua destilada, a diferencia de los ácidos y las bases, no conduce la electricidad.

Experimento 1: cambio de color de los indicadores

Cortar la pajita
diagonalmente, de forma que
se pueda usar para medir
polvo en cantidades
pequeñas

Imagen cortesía de Elias
Kalogirou and Eleni Nicas

Instrumental

  • Paquete de chicles en envase de tipo burbuja (ver imagen de arriba)
  • Pajitas cortadas diagonalmente (ver imagen a la izquierda)
  • Tijeras
  • Guantes desechables
  • Gafas protectoras

Materiales

  • Solución de ácido clorhídrico (15% m/m o 1M)
  • Producto doméstico que contenga amoniaco (como por ejemplo limpiacristales Ajax®)
  • Solución de hidróxido de sodio (0,1 M, para la preparación, leer más arriba)
  • Agua de cal
  • Indicador de col lombarda
  • Solución de tornasol
  • Solución indicadora de fenolftaleína
  • Zumo de limón
  • Aspirina triturada
  • Agua destilada

Método

  1. Tomando como referencia la Tabla número 1, añadir en cada compartimento una solución tipo (por ejemplo, zumo de limón) y un indicador de PH (por ejemplo, solución de tornasol).
Tabla 1: Procedimiento para el experimento 1

Compartimento 1

  • 10 gotas de zumo de limón
  • 2 gotas de indicador de col lombarda

Compartimento 2

  • 10 gotas de agua de cal
  • 2 gotas de indicador de col lombarda

Compartimento 3

  • 1 punta de pajita de aspirina en polvo (ver imagen de arriba)
  • 10 gotas de agua
  • 2 gotas de solución de tornasol

Remover la mezcla

Compartimento 4

  • 10 drops household ammonia solution
  • 2 drops litmus indicator solution
     

 

Compartimento 5

  • 10 gotas de solución de ácido clorhídrico
  • 2 gotas de fenolftaleína

Compartimento 6

  • 10 gotas de solución de hidróxido de sodio
  • 1 gota de fenolftaleína
  1. Tomando como referencia la tabla 2, anotar los cambios de color que se observen.
  2. ¿Qué conclusiones se pueden sacar de los resultados?
Indicador Color original del indicador Color después de añadirle el ácido Color después de añadirle la base
Tabla 2: Resultados del experimento 1
Col lombarda   Compartimento 1: Compartimento 2:
Solución de tornasol   Compartimento 3: Compartimento 4:
Fenolftaleína   Compartimento 5: Compartimento 6:

Experimento 2 : efecto de los ácidos en los metales

Una punta de pajita de
limaduras de hierro

Imagen cortesía de Elias
Kalogirou and Eleni Nicas

Instrumental

  • Paquete de chicles en envase de tipo burbuja
  • Pajitas cortadas en diagonal
  • Tijeras
  • Guantes desechables
  • Gafas protectoras

Materiales

  • Hierro en polvo (Fe)
  • Magnesio en polvo (Mg)
  • Solución de ácido clorhídrico (15% m/m o 1 M)

Método

  1. Tal y como indica la tabla 3, añadir metal en polvo (ej. hierro) y una solución de ácido (ácido clorhídrico) en cada compartimento.
Tabla 3: Procedimiento para el experimento 2

Compartimento 1

  • 1 punta de pajita de hierro en polvo
  • 10 gotas de solución de ácido clorhídrico

Compartimento 2

  • 1 punta de pajita de magnesio en polvo
  • 2 gotas de solución de ácido clorhídrico
Imagen cortesía de DOConnell
/ iStockphoto
  1. ¿Qué se puede observar cuando se añade ácido clorhídrico al hierro en polvo?
  2. ¿Puede explicar la razón de esta diferencia?
  3. ¿En qué se diferencia del efecto del ácido sobre el magnesio?

Experimento 3: efecto de los ácidos en los carbonatos

Instrumental

  • Paquete de chicles (envase tipo burbuja
  • Pajitas cortadas en diagonal
  • Tijeras
  • Guantes desechables
  • Gafas protectoras

Materiales

  • Carbonato cálcico en polvo (CaCO3)
  • Bicarbonato de sodio (NaHCO3)
  • Solución de ácido clorhídrico (15% m/m o 1 M)

Método

  1. Tal y como indica la tabla 4, añadir un carbonato (ej. Carbonato cálcico en polvo) y una solución ácida (ácido clorhídrico) en cada compartimento.
Tabla 3: Procedimiento para el experimento 2

Compartimento 1

  • 1 punta de pajita de carbonato cálcico en polvo
  • 5 gotas de solución de ácido clorhídrico

Compartimento 2

  • 1 punta de pajita de bicarbonato de sodio
  • 5 gotas de solución de ácido clorhídrico
  1. ¿Qué se puede observar cuando se añade el ácido al carbonato?

Experimento 4: el uso del papel indicador de pH

Instrumental

  • Toallas de papel
  • Folios (DINA4) blancos
  • Tijeras
  • Guantes desechables
  • Gafas protectoras
  • Papel indicador de pH o tiras indicadoras universales

Materiales

Imagen cortesía de Diffydave /
iStockphoto
  • Vinagre
  • Solución de ácido clorhídrico (15% m/m o 1 M))
  • Solución doméstica con contenido en amoniaco (por ejemplo: limpiacristales Ajax®)
  • Agua de cal
  • Agua destilada

Método

  1. Coloque una capa de toallas de papel en la mesa y ponga un folio encima.
  2. Corte cinco tiras de 4 cm de papel indicador de pH y póngalas sobre el folio bien espaciadas. (Alternativamente, puede usar cinco tiras indicadoras universales.)
  3. Vierta dos gotas de una solución de ensayo (por ejemplo, vinagre o agua de cal) sobre cada tira.
  4. Una vez que las tiras hayan cambiado de color, compare su color con el de la muestra de papel indicador y determine el pH
  5. Usando la tabla 5, anote el pH de cada solución y decida si es un ácido o una base.
Table 5: Resultados del Experimento 4
Solución Vinagre Ácido clorhídrico Amoniaco Agua de cal Agua destilada
pH          
Ácido o base          

Experimento 5: conductividad del agua destilada y de las soluciones ácidas y base

Instrumental

  • Paquete de chicles (tipo burbuja)
  • Tijeras
  • Guantes desechables
  • Gafas protectoras
  • Papel de aluminio
  • 3 cables de conexión con pinzas de cocodrilo
  • Cinta adhesiva
  • Batería de 4,5 V
  • LED (5 mm de diámetro)

Materiales

  • Agua destilada
  • Solución de ácido clorhídrico (15% m/m o 1 M)
  • Solución de hidróxido sódico (0,1 M, preparada como se indica arriba)

Método

Unión de los electrodos

 

  1. Corte cuatro tiras de papel de aluminio de 6 cm x 0,5 cm.
  2. Para formar los electrodos, coloque de forma curvada dos tiras del papel de aluminio en el compartimento 1 del blister, luego pegue las tiras a la mesa con cinta adhesiva para impedir que se muevan (véase la imagen de la izquierda).

El siguiente paso es construir el circuito eléctrico (véase la imagen de la izquierda).

  1. Mediante uno de los cables, conecte el terminal positivo de la batería (P) con el ánodo del LED (A). Con el segundo cable, conecte el cátodo (B) del LED a una de las tiras de papel de aluminio (C). Mediante un tercer cable, conecte la otra tira de papel de aluminio (D) al terminal negativo de la batería (N).
  2. Llene el compartimento 1 con agua destilada hasta la mitad. Se formará así un circuito cerradot.
Montaje del circuito eléctrico
Imágenes cortesía de Elias
Kalogirou and Eleni Nicas

 

¿Se enciende el LED?

¿Qué conclusión puede sacarse? ¿Conduce el agua destilada la electricidad?

  1. Añada 3 gotas de ácido clorhídrico al compartimento 1.

¿Se enciende el LED ahora?

¿Qué conclusión puede sacarse? ¿Conduce el ácido clorhídrico la electricidad?

  1. Desconecte los cables de las dos tiras.
  2. Ponga dos nuevas tiras dobladas en el compartimento 2 y sujételas a la mesa (como en el paso 2).
  3. Conecte los cables a los extremos de las tiras nuevas (F y G).
  4. Gota a gota, añada una solución de hidróxido sódico al compartimento 2 hasta que los extremos de las tiras de papel de aluminio queden cubiertos (en nuestro caso, se necesitaron 6 gotas).

¿Se enciende la luz?

¿Qué conclusión puede sacarse? ¿Conduce la solución de hidróxido de sodio la electricidad?

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer a Penelope Galanopoulou, profesora de inglés de 3º en el instituto Pierre de Coubertin de Pyrgos, la traducción de este artículo del griego al inglés.

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Web References

  • w1 – Las tablas (procedimientos experimentales y resultados) con todos los experimentos se pueden descargar en formato Word desde aquí.

Resources

  • Williams KL, Little JG (1997) Microscale Experiments for General Chemistry. Boston, MA, USA: Houghton Mifflin. ISBN: 9780669416060
  • Zubrick JW (2003) The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student’s Guide to Techniques 6th edition. New York, NY, USA: John Wiley & Sons. ISBN: 9780471215202
  • Skinner J (1998) Microscale Chemistry: Experiments in Miniature. Cambridge, UK: Royal Society of Chemistry. ISBN: 9781870343497
  • El siguiente libro puede resultar interesante para los hablantes de griego:
    • Κ. Γιούρη – Τσοχατζή (2003) Σχολικά Πειράματα Χημείας, Από τη Μακρο- στη Μικροκλίμακα. Θεσσαλονίκη , Ελλάδα : Εκδόσεις Ζήτη . ΙSBN: 9604318608
  • Para información sobre otra actividad en la que se usa la col lombarda, véase:

Author(s)

Elias Kalogirou es profesor de ciencias en secundaria. Es responsable del Laboratorio de Ciencias Físicas, en el que colabora con otros profesores de ciencias de educación secundaria para fomentar la realización de experimentos para la enseñanza de la ciencia. En especial, la realización de experimentos a microescala en el colegio.

Eleni Nicas recibió formación como bióloga, y durante los últimos seis años ha dado clases de biología, química y física a niños de 13 a 15 años. En la actualidad, da clase de 4º en el instituto de Pyrgos. Los tres últimos años ha realizado experimentos a microescala en sus clases de química en colaboración con el Laboratorio regional de Ciencias Físicas. En la actualidad, está cursando un posgrado sobre la enseñanza de la física.


Review

Un aspecto importante del trabajo de un profesor de ciencias consiste en enseñar, además de teoría, la práctica experimental. Por esta razón, las tradicionales clases prácticas no pueden ni deben desaparecer. Existen, por otra parte, cuestiones (como los factores económicos, la concienciación y la protección medioambiental) que son también interesantes en esta era de la “química verde”. Integrar una sesión de química a microescala en las prácticas de laboratorio tradicionales ayudaría a desarrollar estas ideas. La utilización de cantidades a microescala también resulta apropiada para niños pequeños.


Marie Walsh, República de Irlanda




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