Jugando con fuego: reacciones estequiométricas y combustión de los gases Teach article

Author(s): Isabelle Paternotte and Philippe Wilock
Translator(s): Kethrin Lases Johnson

Esta actividad se presentó en el Festival Science on Stage 2022

Grandes bolas de fuego: Prueba a hacer estos impresionantes experimentos con gases para demostrar reacciones estequiométricas y la combustión.

Las reacciones que conllevan efectos visuales o auditivos muy dramáticos son ejemplos interesantes para demostrar las reacciones estequiométricas.

Las siguientes actividades son aptas para estudiantes de entre 14 y 16. Después de calcular las cantidades de los sólidos y de las soluciones requeridas, se podrá observar la producción de gases dentro de una jeringa. Se puede prender fuego a mezclas de dihidrógeno y dióxido por diversión para observar sus reacciones de combustión. Los estudiantes pueden realizar las actividades 1 y 2. El resto de las actividades las realiza primero el/la docente, como demostración y después los estudiantes pueden intentar hacerlas por sí mismos bajo supervisión, si se desea.

Si se ha visto la teoría previamente, la actividad dura alrededor de 50 minutos; pero si no es así, la actividad tomará 1 hora y 40 minutos.

Metas

  • Entender algunos de los principios básicos de las reacciones químicas: estequiometria, exceso de reactivos, estados de la materia.
  • Visualizar la producción de gases.
  • Hacer del laboratorio un ambiente emocionante con un bum y un shhhh.
  • Visualizar la energía química que se produce durante una combustión explosiva y la energía cinética que se produce gracias a la expansión del gas.
  • Percibir la energía cinética que se produce durante una explosión al escuchar el ruido que hace.

Evolución de los gases y montaje de los experimentos

El montaje básico para el experimento de evolución de los gases es igual en todas las actividades. Desde el momento en que se agregan los reactivos más el tiempo de reacción, los experimentos duran entre 5 minutos (H2) y 15 minutos (O2).

Materiales para la evolución de los gases

En estas actividades se usaron estos materiales para producir H2 y O2, pero se pueden usar también para producir NO2, NH3, etc.[1]

  • Reactivo sólido + reactivo líquido
  • Jeringa Luer lock con tapón
  • Un recipiente hueco pequeño con el fondo plano, que quepa dentro de la jeringa, por ejemplo, la tapa de un tubo de medicamento
  • Un recipiente pequeño que pueda contener al menos 5 ml del líquido reactivo o la solución jabonosa (burbujas), como un bote para pesar de plástico
  • Jabón líquido para lavar platos y cerillas
  • Tubo de 2 cm de largo que pueda entrar a través de los extremos de las jeringas para transferir el gas
Materiales que se usaron en este experimento
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock

Procedimiento general para la evolución de los gases

  1. Deposita el reactivo sólido en el recipiente pequeño hasta llenarlo.
  2. Para introducir el reactivo sólido hasta el fondo de la jeringa sin derramarlo, llena la jeringa hasta el tope con agua y bloquea la abertura en la parte de abajo. Coloca el ‘bote’ que contiene el reactivo sobre la superficie del agua y deja que baje hasta el fondo de la jeringa al permitir que el agua drene.
  3. Introduzca el émbolo de la jeringa hasta el fondo del recipiente pequeño sin derramar el contenido ni atascar la jeringa.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock
  1. Extrae de un recipiente pequeño 5 ml del reactivo líquido con la jeringa.
  2. Coloca el tapón en la jeringa.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock
  1. Precaución: Si el reactivo sólido se derrama dentro de la jeringa antes de que se introduzca el líquido, se formarán burbujas de inmediato y el líquido entrará en contacto con los dedos cuando se le coloque el tapón.
  2. Agita la jeringa para que el sólido y el líquido entren en contacto.
  3. Observa la efervescencia: se produce el gas y el émbolo sube.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock
  1. Al final de la reacción (o si la jeringa está llegando a su nivel máximo), quita el tapón con la jeringa apuntando hacia arriba, después voltéala rápidamente y drena el líquido en un recipiente para desechos.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock
  1. Enjuaga el gas al extraer un poco de agua con la jeringa, tápala y agítala, después drena el líquido.

Procedimiento general para la ignición de los gases

  1. Prepara una solución jabonosa con agua y con jabón para lavar platos.
  2. Comprueba el poder surfactante de la solución con una jeringa que contenga aire normal y agrega más jabón si es necesario. 
  3. Enciende la cerilla justo antes de formar las burbujas y acerca la flama rápidamente hacia ellas.

Nota de seguridad

·       Usen batas de laboratorio, lentes de seguridad y sujétense el cabello.

  • Supervisa el manejo de las cerillas: que no haya nada inflamable cerca.
  • Como se trata de micro química, la cantidad de gas inflamable que se produce es segura y se queda en la jeringa.
  • Debido al comportamiento sorpresivo de las burbujas cuando se encienden, el/la docente debe demostrar la primera ignición y luego los estudiantes pueden repetir los experimentos.
    Las jeringas se deben mantener apuntando lejos de los estudiantes (sobre todo de los rostros) durante toda la práctica.  

Actividad 1: Producción de hidrógeno

  • Los materiales en la lista para la preparación del experimento básico
  • Cinta de Mg
  • Reactivo líquido 2 mol l-1 HCl

Materiales

  • Materials listed for the basic setup
  • Mg ribbon
  • 2 mol l−1 HCl liquid reagent

Procedimiento

  1. Pide a los estudiantes que calculen la masa de magnesio necesaria para 5 ml de 2 mol l-1 HCl para obtener 50 ml de gas H2 por medio de la siguiente ecuación:
\[{\text{Mg}\text{(s)} + \text{2HCl}{ }\text{(aq)}}→\text{H}_\text{2}\text{(aq)}+\text{MgCl}_\text{2}\text{(aq)}\]

Respuesta: 0.05 g, aproximadamente 1.5 cm de cinta de Mg.

  1. Realiza el experimento de la evolución de los gases como se describió en el procedimiento general, utiliza magnesio y HCl 2 mol l-1 como agentes sólido y líquido, respectivamente. La cinta de magnesio se puede enrollar para que quepa dentro del bote que flota en la jeringa.
  2. Guarda el gas producido para las actividades posteriores

Observaciones

El Mg desaparece gradualmente con la producción de las burbujas, el émbolo se eleva en espacio de 1 min, y la jeringa se calienta.

Ten cuidado con la jeringa que contiene H2: siempre mantenla vertical cuando la abras para producir burbujas o para la transferencia del gas. Si la jeringa está inclinada, el H2, que es mucho más ligero que el aire, se saldrá de la jeringa y se elevará al techo.

Actividad 2: Producción de oxígeno

En esta actividad, producimos gas oxígeno utilizando el método descrito arriba. La actividad debe durar solo algunos minutos si el equipo ya está preparado.

Materiales

  • Los materiales en la lista para el procedimiento básico
  • 0.1 g de KI como reactivo sólido
  • 0.8 mol l-1 H2O2 como reactivo líquido

Procedimiento

  1. Pide a los alumnos que calculen la concentración de peróxido de hidrógeno necesario para 5 ml de una solución de H2O2 que produzca 50 ml de gas O2, según la siguiente ecuación:
\[{\text{2H}_\text{2}\text{O}_\text{2}\text{(aq)} + \text{KI}{ }\text{(s)}} \text{catalizador} →\text{O}_\text{2}\text{(g)}+\text{2H}_\text{2}\text{O}\text{(l)}\]

Respuesta: 0.8 mol l−1.

  1. Realiza el experimento de la evolución de los gases como se describe en el procedimiento general, utiliza KI y 0.8 mol l-1 de H2O2 como reactivos sólido y líquido, respectivamente.
  2. Guarda el gas producido para las actividades posteriores.

Observaciones

El KI blanco sólido forma una solución amarilla cuando se combina con el peróxido de hidrógeno. Las burbujas se forman principalmente alrededor del hule del émbolo. Cuando el émbolo se jala hacia arriba, se forman más burbujas. La reacción es lenta y puede tardar hasta 5 minutos.

Actividad 3: Combustión de hidrógeno puro

En esta actividad, investigamos qué ocurre cuando encendemos burbujas de gas hidrógeno. Esta actividad tarda unos minutos más después de producir el gas en la Actividad 1. El/la docente debe demostrar la ignición y después los estudiantes pueden intentar hacerlo por sí mismos bajo supervisión.

Materiales

  • Jeringa con el gas hidrógeno que se obtuvo en la Actividad 1
  • Tubo o recipiente pequeño
  • Agua
  • Jabón para lavar platos
  • Un mechero de cuello largo (¡mucho más seguro!) o una cerilla

Procedimiento

  1. Prepara una solución jabonosa en un recipiente pequeño y poco profundo, como se describe en el procedimiento general. Comprueba el poder surfactante con aire y agrega más jabón si es necesario.
  2. Asegúrate de que la jeringa con hidrógeno y el mechero o cerilla encendida estén al alcance.
  3. Enciende la flama, después haz las burbujas de hidrógeno rápidamente al introducir la jeringa por debajo de la superficie de la solución jabonosa. Tan pronto como se formen las burbujas, acerca la flama (del mechero de cuello largo o la cerilla) hacia ellas.
Ignición de burbujas
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock

Observaciones

Las burbujas de hidrógeno empiezan a arder poco a poco y forman una bola de fuego de un volumen diez veces mayor que el de las burbujas. Para arder, el hidrógeno usa oxígeno del aire que le rodea.

Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock

Actividad 4: Combustión de oxígeno puro

En esta actividad, investigamos qué ocurre cuando tratamos de encender burbujas de gas oxígeno. La actividad debe durar solo unos cuantos minutos después de haber obtenido el gas en la Actividad 2. El/la docente debe demostrar la actividad y luego los alumnos pueden intentarlo bajo supervisión.

Materiales

  • Jeringa con el oxígeno que se obtuvo en la Actividad 2
  • Recipiente con solución jabonosa de la Actividad 3
  • Un mechero de gas de cuello largo (más seguro) o una cerilla

Procedimiento

  1. Comprueba el poder surfactante de la solución jabonosa con aire y agrega más jabón si es necesario.
  2. Asegúrate de que la jeringa con oxígeno y el mechero/cerilla estén a la mano.
  3. Enciende la flama y después produce las burbujas de oxígeno rápidamente al introducir la jeringa debajo de la superficie de la solución jabonosa. Tan pronto como se formen las burbujas, acerca la flama hacia ellas.

Observaciones

Las burbujas de oxígeno no se combustionan (el oxígeno ya está completamente oxidado), pero la flama se vuelve más intensa cada vez que se revienta una burbuja.

Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock

Actividad 5: Combustión de la mezcla de hidrógeno y oxígeno

En esta actividad, encenderemos una mezcla de hidrógeno y oxígeno que se obtiene al transferir cantidades precisas de O2 a la jeringa de H2. La actividad dura pocos minutos una vez que se han obtenido los gases en las Actividades 1 y 2. El/la docente debe demostrar la ignición y después los alumnos pueden intentarlo por sí mismos bajo supervisión.

Materiales

  • Las jeringas con gas hidrógeno y gas oxígeno que se obtuvieron en las Actividades 1 y 2
  • Recipiente con agua jabonosa de la Actividad 3
  • Un mechero de gas de cuello largo (¡mucho más seguro!) o una cerilla

Procedimiento

  1. Conecta una manguera pequeña a la medida de la jeringa con oxígeno.
  2. Conecta la manguera a la jeringa de hidrógeno. Esta debe estar siempre en posición vertical y apuntando hacia arriba.
  3. Empuja la cantidad de oxígeno deseada en la jeringa de hidrógeno, al empujar y jalar los émbolos de las dos jeringas.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock
  1. Comprueba el poder surfactante de la solución jabonosa con aire y agrega más jabón si es necesario.
  2. Asegúrate de que la jeringa que contiene la mezcla de gases y la cerilla estén a la mano.
  3. Advierte a los demás que se producirá un ruido repentino.
  4. Haz burbujas con la mezcla explosiva al introducir la jeringa por debajo de la superficie de la solución jabonosa. Tan pronto como las burbujas se formen, acerca la flama (del mechero de gas de cuello largo o de la cerilla).

Observaciones

Las burbujas se combustionan instantáneamente, y producen un estallido como el de un cohete. El ruido más estruendoso se obtiene con la siguiente mezcla estequiométrica: 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g→l).

Actividad 6: Lanzamiento de mini cohete

En esta actividad, usaremos el efecto que vimos en la Actividad 5 para lanzar un mini cohete. La actividad debe durar alrededor de 10 minutos, una vez que se haya producido la mezcla de gases de la Actividad 5. Esto lo puede llevar a cabo el/la docente como demostración.

Materiales

  • La jeringa que contiene la mezcla de H2 y O2 de la Actividad 5
  • Pipeta de plástico de 5 ml recortada a 1 cm para que sirva de cohete
  • Un tubo de 12 cm de largo que se ajuste a la punta de la jeringa
  • Un recipiente con agua hasta la mitad
  • Mechero de gas piezoeléctrico modificado para que produzca una chispa en la punta de los cables eléctricos soldados

Modificación del mechero de gas piezoeléctrico

Quita el tubo del dispositivo (parte A) con la ayuda de un desarmador. En esta parte, endereza el pin (C) para que sirva de electrodo.

Quita la parte metálica (parte B), que asegura la conexión eléctrica entre el generador y el tubo del dispositivo. Suelda dos alambres: uno a la punta del electrodo central y el otro al tornillo del generador. Ten cuidado de no deformar el electrodo central: está diseñado para dejar un espacio de aproximadamente 1 mm entre este y el generador; este espacio es esencial para que se produzca una chispa cuando el pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás.

Procedimiento

  1. Llena el mini cohete con agua al presionar el cuerpo de la pipeta, mientras tapas la punta bajo el chorro de agua. Inserta el tubo dentro del mini cohete.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock
  1. Conecta el tubo a la jeringa que contiene la mezcla 2:1 de H2 y O2 de la Actividad 5.
  2. Usa la jeringa para llenar el mini cohete, mantenla vertical para que la mezcla de gases permanezca dentro de la jeringa.
  3. Inserta los alambres en el bulbo de la pipeta (mini cohete) para la provocar la chispa.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock
  1. Desde el fondo del mini cohete, extrae una gota de agua expulsar una burbuja de gas:
    • Sin la gota de agua, el mini cohete no despegará: los gases se combustionan y el aire entra en el mini cohete.
    • Con la gota de agua, cuando los gases se combustionan, la gota toca la parte de arriba del mini cohete y lo hace despegar.
  2. No sostengas el mini cohete. Suéltalo justo antes de crear la chispa con el mechero de gas piezoeléctrico.
Imagen cortesía de Isabelle Paternotte y Philippe Wilock

Observaciones

¡El mini cohete despega hacia el techo!

References

[1] Mattson B, Mattson S, Anderson MP (2006) Microscale Gas Chemistry 4th edition. Educational Innovations, Norwalk. ISBN: 0-9701077-0-6

Resources

Author(s)

La Dra. Isabelle Paternotte enseña Química, Biología y Física en una escuela secundaria en Bélgica.  Ha creado muchos videos para explicar la teoría de la Química, Biología y Física a través de demostraciones en el canal de YouTube canal chimie media  (en francés).

Philippe Wilock es un profesor de Ciencias belga AESI y es administrador de Science on Stage Bélgica.

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