Química doméstica: disolventes de esmalte de uñas y quitamanchas Teach article

Este artículo presenta ejemplos de la química de la vida cotidiana utilizando disolventes para esmaltes de uñas y productos de limpieza para el hogar.

Para los estudiantes de química, es importante aprender conceptos y contenidos para interpretar y comprender aspectos relacionados con la experiencia personal

Este artículo presenta manipulaciones sencillas utilizando productos que se pueden encontrar tanto en casa como en el supermercado. Cubren una variedad de ideas en química: fuerzas intermoleculares, reacciones redox y las propiedades de un disolvente.

Todas las propuestas se presentan, adaptables a diferentes niveles educativos, desde los 13 a los 18 años y se pueden abordar siguiendo diferentes estrategias y metodologías (trabajo en equipo, aprendizaje basado en casos …).

Actividad 1: Investigación de las fuerzas intermoleculares con la acetona como disolvente de los esmaltes de uñas

Experimento 1: Investigando el disolvente de los esmaltes de uñas: la acetona

La acetona es el disolvente que generalmente se usa para quitar el esmalte de uñas, a veces también se puede usar alcohol (etanol). Los puntos de ebullición de los dos líquidos están por debajo del punto de ebullición del agua. Esta propiedad los convierte en líquidos volátiles.

Notas de seguridad

Use una bata de laboratorio, guantes y gafas de seguridad. La acetona es muy inflamable. Mantener el frasco alejado de fuentes de calor, chispas y llamas abiertas. Provoca irritación ocular. La exposición prolongada puede provocar sequedad o formación de grietas en la piel.

Materiales

• Varios líquidos: agua, etanol, acetona…

• Globos de diferentes colores, uno para cada líquido.

• Agua muy caliente

• Vasos de precipitados de 600 ml o más, uno para cada globo

Procedimiento

1. Calentar el agua a unos 80ºC en cada vaso. O usar una tetera para calentar agua y llenar los vasos

2. En cada globo poner unos 2 mL de uno de los líquidos. Atar bien el globo

3. Colocar los globos en agua caliente. Se hincharán dependiendo de su facilidad de volatilización.

Transparent gas-filled balloon on top of a beaker with clear liquid standing on a table
Se coloca un globo transparente con 2 mL de acetona (punto de ebullición, 56ºC) en un vaso de precipitados con agua muy caliente (80ºC).
Imagen cortesía de los autores
Flaccid balloon lying on a table, next to a glass holding a clear liquid.
Cuando el globo se saca del agua caliente, el volumen disminuye inmediatamente y se ve el líquido nuevamente.
Imagen cortesía de los autores
  1. Comentar los resultados según la debilidad de las fuerzas intermoleculares.

Una alternativa es un experimento clásico: en varios tubos se ponen unos mililitros de los diferentes líquidos. Se colocan globos de diferentes colores en cada tubo y los tubos se sumergen en agua caliente. Cuanto más volátil es el líquido, más se hincha el globo

Five glass test tubes with coloured balloons attached to their tops in a test tube rack.
Imagen cortesía de los autores

Preguntas

Analice las siguientes preguntas con sus alumnos para explorar los conceptos clave:

  • ¿Cuál de los globos se hincha más rápido?
  • ¿En cuál de los globos las fuerzas intermoleculares de la sustancia contenida deberían ser más débiles?
  • Comparando las fórmulas de las tres sustancias: acetona, etanol y agua, ¿qué moléculas tienen enlaces de hidrógeno?
Chemical formulas representing molecules of acetone, ethanol, and water.

Explicación

En los líquidos volátiles, sus moléculas tienen enlaces más débiles entre cada molécula que entre las moléculas de agua.

Los enlaces más débiles se explican, en general, por las polaridades entre moléculas. Este es el caso de interacciones muy débiles como las fuerzas de London (dipolos inducidos) que forman parte de las fuerzas de Van der Waals y el enlace de hidrógeno.

Experimento 2:  Demonstración de tres propiedades de la acetona

Esta es una demostración con unas gotas de acetona. Es mejor al hacer la demostración, disminuir la iluminación de la sala

Notas de seguridad

Ponerse una bata de laboratorio, guantes y gafas de seguridad. La acetona es muy inflamable. Mantener alejada de fuentes de calor, chispas y llamas abiertas. Provoca irritación ocular. La exposición prolongada puede provocar sequedad o formación de grietas en la piel.

Materiales

  • Tubo transparente de PVC, de unos 2 m de largo y 2 cm de diámetro interno. Montar el tubo en espiral.
  • Cuatro soportes de laboratorio
  • Alambre
  • Acetona, una vela corta

Procedimiento

  1. Separar los soportes de laboratorio a unos 40 cm entre sí para formar un cuadrado y construir la espiral.
  2. Colocar el tubo de PVC en espiral hacia abajo y fijarlo a los soportes con alambre.
  3. Colocar una pequeña vela encendida al final del tubo.
Transparent PVC tube arranged in a spiral with a lit candle placed at one end. Bottle with label “acetone pura” standing at the centre.
Un tubo de PVC transparente al final del cual se coloca una vela encendida. Las letras AV-DC significan «combustión – densidad – volatilidad – acetona». En la foto, el dispositivo está hecho de una plataforma de madera con cuatro barras pegadas a la base en lugar de soportes de laboratorio.
Imagen cortesía de los autores
  1. Verter entre 1 mL y 2 mL de acetona en la parte superior del tubo
  2. Observar una llama azul corriendo a través del tubo después de unos segundos.

Discussion

Discuta las siguientes preguntas con sus alumnos para explorar los conceptos clave:

  • Why does the flame go up the tube?
  • The letters at the bottom of the assembly represent acetone volatile density combustion. ¿Cómo demuestra este experimento estas tres propiedades de la acetona?

Explicación

Primero, la acetona se volatiliza, luego los vapores de acetona, que tienen una densidad mayor que el aire. (acetona, ρ = 2.4 g/l; air: ρ = 1.1 g/l, en condiciones estándar), descienden a través del tubo que conduce a la ignición de la llama debido a la atmósfera creada de mezcla de vapores de aire y acetona dentro del tubo.

Actividad 2: Investigación sobre decolorantes con detergentes “Limpieza con oxígeno”

Notas de seguridad

Utilice una bata de laboratorio, guantes y gafas de seguridad. Siga los consejos de seguridad que figuran en el envase de todos los productos de limpieza.

El perborato de sodio es tóxico por ingestión. Puede causar irritación respiratoria si se inhala. Evitar contacto en los ojos. Si ocurre, lavar con abundante agua.

Percarbonato de sodio, en condiciones normales de uso y en su forma original, el producto no tiene efectos negativos sobre la salud y el medio ambiente. Pero puede causar irritación si se inhala. Si entra en contacto con los ojos, es necesario lavar con abundante agua.

Hidróxido de sodio: en caso de contacto con la piel lavar inmediata y abundantemente con agua. En caso de contacto con los ojos: enjuagar cuidadosamente con agua durante varios minutos. Quítese las lentes de contacto y lávese con abundante agua.

Materiales

  • Tubos de ensayo
  • Espátula
  • Cuentagotas
  • Peróxido de hidrógeno 3%, H2O2
  • Perborato de sodio, NaBO3
  • Una pastilla blanqueadora de «oxígeno activo» a base de percarbonato de sodio, como NEUTREX
  • Una solución antiséptica de povidona yodada (a menudo vendida bajo el nombre comercial de Betadine o Topionic)
  • Hidróxido de sodio, NaOH  1 mol·dm-3

Plastic bottle with blue, white, and red label and blue lid. Text on label: “Neutrex Pastillas”.

Pastillas con  5-15% de percarbonato de sodio

Metal rack with glass test tubes, spatula, plastic bottles, plastic and cardboard boxes of different sizes containing reagents and detergents.
Image courtesy of the authors

Procedimiento

  • Preparar 3 tubos:

Tubo 1 con 1 mL NaOH 1 M + 1 mL H2O2
Tubo 2:  1 mL agua + una espátula de perborato de sodio
Tubo 3: 1 mL agua + una espátula de un compuesto “oxígeno activo”

  • Calentar suavemente el tubo 2
  • Añadir 5 gotas de povidona yodada a cada tubo
  • Escribir lo que se observa en cada tubo

Discusión

Proponer a los estudiantes las siguientes preguntas para explorar los conceptos clave:

  • Explique el efecto de agregar perborato de sodio en el segundo tubo de ensayo
  • Explique el efecto de agregar una espátula de oxígeno activo (con percarbonato de sodio) en el tercer tubo de ensayo
  • Los “detergentes ecológicos” contienen percarbonato de sodio. Dar una razón para usar estos productos mejor que con perborato de sodio. (Hay que tener en cuenta las temperaturas…)

Explicación

La povidona yodada es un complejo químico soluble en agua, compuesto por yodo y polivinilpirrolidona

Izquierda: El polímero de povidona. n es sólo el número de unidades de repetición en la larga cadena del polímero. A la derecha: Cuando se combina con yodo, algunas de las unidades del polímero forman un complejo iónico de yodo. n y m son los números de cada tipo de unidad, que se mezclan en un patrón irregular a lo largo de la cadena.
Imagen: Modificada de Vaccinationist/Wikimedia, Public Domain

La molécula de yodo de color marrón en solución de povidona yodada, reacciona con H2O2 dado HI, incoloro.

En cada tubo se libera un gas, corresponde a la formación de oxígeno y la povidona yodada se vuelve incolora.

Three test tubes in a metal rack containing colourless liquids. The tube in the middle contains white crystals at the liquid surface and inner wall.
Tubo 1 con peróxido de hidrógeno.
Tubo 2 con perborato de sodio.
Tubo 3 con percarbonato de sodio
Image courtesy of the authors
Three test tubes in a metal rack containing colourless liquids and gas bubbles of different sizes in the liquids. The tube in the middle features a foam layer on top of the liquid.
Cuando añadimos unas gotas de povidona yodada a cada tubo, vemos como se oxida y pierde su característico color marrón. también podemos observar la formación de burbujas de gas.
Image courtesy of the authors

Tubo 1

Oxidación:     H2O2 (aq) + 2 OH (aq) → O2 (g) + 2 H2O (l) + 2 e
Reducción:     2 e + I2 (aq) → 2 I (aq)


Reacción completa: H2O2 (aq) + I2 (aq) + 2 OH (aq) → O2 (g) + 2I (aq) + 2H2O (l)     

Añadimos unas gotas de solución de hidróxido de sodio para hacer el medio alcalino. De lo contrario, la reacción no tendría lugar.

Tubo 2

Primero hay una reacción de descomposición del ion perborato cuando se disuelve en agua y luego, el peróxido de hidrógeno que se forma, reacciona con la povidona yodada. El perborato de sodio puede blanquear y generar oxígeno en una solución acuosa a partir de la molécula de perborato solo cuando alcanza una temperatura igual o superior a 60°C.

NaBO3 (aq) + H2O (l) → NaBO2 (aq) + H2O2 (aq)

Luego, el peróxido de hidrógeno reacciona con el yodo como antes.

Oxidación     H2O2 (aq) + 2 OH (aq) → O2 (g) + 2 H2O (l) + 2e
Reducción    2e + I2 (aq) → 2I (aq)


Complete reaction: H2O2 (aq) + I2 (aq) + 2 OH (aq) → O2 (g) + 2 I(aq) + 2 H2O (l)

Tubo 3

Cuando el percarbonato de sodio se disuelve en agua, se descompone en dos sustancias: carbonato de sodio (un tensioactivo que mejora su eficacia como detergente) y peróxido de hidrógeno.

Neutrex® es un detergente fuertemente alcalino que contiene percarbonato de sodio por lo que los resultados son los mismos que en el segundo tubo de ensayo. Por tanto, no es necesario añadir unas gotas de solución de hidróxido de sodio para que se produzca la reacción. Los “detergentes ecológicos” contienen percarbonato de sodio que se descompone en agua fría por lo que es un proceso más sostenible.

Na2CO4 (aq) + H2O (l) → Na2CO3 (aq) + H2O2 (aq)

Luego, el peróxido de hidrógeno reacciona con el yodo como antes.

Agradecimientos

Los experimentos en el artículo son originales de los autores o han sido modificados a partir de otros autores[1–3] con cambios en los productos y el contexto en el que se realizan.

Todos los experimentos han sido probados en clase por alumnos de secundaria y se presentaron como taller en el congreso de la Unión Francesa de Profesores de Física y Química en Burdeos 2018 (UdPPC), y en el congreso de la Asociación Belga de profesores de Física y Química.  (ABPPC), Louvain la Neuve (2017)


References

[1] Schwedt G (2003) Experimente mit Supermarktprodukten: Eine chemische Warenkunde. Wiley-VCH, Weinheim. ISBN: 3-52732-450-X

[2] Andersen E, Brown A (2012) The effect of heat: simple experiments with solids, liquids and gases. Science in School 24: 23–28.

[3] Segura M, Corominas J (2020) POP chimie. Le Bup physique chimie 114: 271–285.

Resources

Author(s)

Josep Corominas Viñas es licenciado por la Universidad de Barcelona, Catedrático Emérito de Física y Química. Ha impartido numerosos cursos de formación del profesorado y escrito artículos sobre prácticas de química y física en diversas publicaciones.

Marta Segura Fàbregas es licenciada por la Universidad de Barcelona. Profesora de Física y Química en la Escuela Pia Nostra Senyora. Ha impartido numerosos cursos de formación del profesorado y escrito artículos sobre prácticas de química y física en diversas publicaciones.


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