Isotopos y agua pesada

Volvemos en CLUSTER, no en un mes como habíamos comentado inicialmente, sino en dos meses, no obstante con uno de esos experimentos espectaculares, que hacía mucho tiempo que quería realizar. 

Se trata de un experimento sencillo, pero justamente ahí es donde radica la belleza del mismo. Dos cubitos de hielo, uno con agua normal, y otro con un agua un poco especial, con agua "pesada". ¿Que pasará cuando los introduzcamos en agua líquida? Es necesario decir que el agua líquida utilizada no tiene ningún componente extra...es simplemente agua destilada.

EXPERIMENTO

Observa el siguiente vídeo:

Efectivamente, el hielo formado a partir de agua destilada flota. Eso se debe a la densidad del agua sólida, respecto a la del agua líquida. La estructura sólida del agua posee muchos mas huecos que la del agua líquida, en la que las partículas fluctúan mucho mas libremente, ocupando los huecos, y por tanto dismuyendo su volumen y aumentando por tanto su densidad.

¿Pero qué ha pasado con el otro hielo? ¿Porque se hunde?

EXPLICACIÓN DEL EXPERIMENTO

Lo cierto es que no se trata de agua destilada normal, sino de agua pesada, también conocida como agua deuterada, es decir con el isotopo deuterio. Para mayor explicación entra en el siguiente vídeo:

Efectivamente los ISÓTOPOS de un elemento son átomos de un mismo elemento con el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones. El número de protones (también llamado número atómico), indica qué tipo de elemento químico tenemos. Así, por ejemplo, un átomo con número atómico de 1 indica que tenemos hidrógeno, un número atomico de 2 indica que tenemos helio, y un número atómico 39 indica que tenemos indiscutiblemente Ytrio.

No obstante, y aunque el número de protones indique que tenemos de forma clara el elemento que tenemos, no todos los átomos de hidrógeno serán iguales, ya que poseerán diferente número de neutrones. A éstos átomos de un mismo elemento con diferente número de neutrones se les denomina ISOTOPOS. Los primeros isotopos descubiertos fueron los isótopos del Neón (20-Ne y 22-Ne). Actualmente son fácilmente detectables a partir de métodos de espectrometria de masas. No todos los isotopos se encuentran en la naturaleza en la misma proporción, así en el caso del hidrógeno, el protio se encuentra en una gran mayoría, mas de un 99%. 

Al cambiar todos los hidrógenos de las moléculas de agua (que recordemos que son protios), por deuterios, estamos de hecho, añadiendo dos neutrones mas a la molécula de agua, haciéndola mas pesada, dos unidades de masa atómica mas pesada. Y haciendo por tanto que ésta no flote en agua destilada. En esta foto podemos observar tanto el hielo de agua destilada normal (arriba), como el hielo de agua deuterada (abajo).

Simulación realizada a ordenador donde las moléculas de agua van cayendo al intercambiar los átomos de hidrógeno (protio), por deuterios.

Un hecho curioso que no he mencionado en el vídeo, es que éste cubito de hielo de agua pesada no permanece mucho tiempo hundido. Al cabo de unos segundos vuelve a subir, lo podemos observar en la siguiente secuencia de fotografías:

Una explicación para éste fenómeno es que las moléculas de agua deuterada al calentarse, y al interaccionar con las moléculas de agua "normales", se van intercambiando en el agua sólida, mediante rápidos puentes de hidrógeno. Teniendo el hielo cada vez mas moléculas de agua "normales" y el agua líquida mas moléculas de agua deuterada.

Espero que os haya gustado el experimento, y os espero en el siguiente artículo en CLUSTER. ¡¡Hasta pronto!!

Sergio

PD: Quiero agradecer al CDEC, y especialmente a Fina Guitart su ayuda en la filmación de este experimento.

Presión de vapor - Handboiler

¡¡Hola Amigos!! Volvemos de nuevo, con otro juguete interesante y espectacular: el Handboiler o en castellano "hervidor de mano".

Se trata de dos esferas unidas por un tubo, que por lo general da varias vueltas o realiza diferentes figuras, de vidrio y totalmente cerradas. En su interior se ha realizado el vacío y se ha introducido un líquido de bajo punto de ebullición (volátil), al que se ha añadido un colorante para mejorar su visualización. De esta manera, el único gas que hay en el interior del juguete es el vapor del líquido. En las fotografías podemos ver diferentes ejemplos.

¿Cómo es el experimento?

El experimento es muy sencillo. Inicialmente tendremos el handboiler a temperatura ambiente. Simplemente calentando con la mano, el líquido parecerá que empieza a hervir, subiendo por el tubo, hasta llegar a la esfera de arriba y emitiendo unas pequeñas burbujas.

¿Cómo funciona?

Para explicar su funcionamiento debemos entrar en terrenos de la química, y como ya habréis supuesto, en los conceptos de presión de vapor.

¿Qué es la presión de vapor?

El proceso se puede explicar por la Teoría Cinético Molecular. Imaginemos que tenemos un recipiente cerrado con un líquido y empezamos a calentar. Las partículas del líquido empiezan a moverse más deprisa, rompiendo algunas los enlaces entre éstas. En el momento en que una partícula ha roto sus enlaces con las demás, ya no se encuentra en forma líquida, sino en forma de gas. Ésta partícula en forma de gas no se queda quieta sino que continua moviéndose, esta vez más deprisa. A continuación se desliga otra partícula, y después otra, y así sucesivamente, que pasan a estado gas. Éstas partículas en fase gas chocan con las paredes del recipiente, y contra el mismo líquido, generando una presión, que va en aumento.

En nuestro particular experimento, ésta presión del vapor es la que obliga al líquido a subir. Al calentar con la mano la zona inferior, muchas moléculas pasan a estado de gas, generando presión y empujando al líquido a moverse, en este caso hacia arriba, venciendo la fuerza de gravedad.

Aquí tenemos una representación diferente:

En el dibujo podemos ver el recipiente cerrado y con los tubos de mercurio a la misma altura, cosa que indica que se encuentran a la misma presión. Pasado el tiempo, y una vez se han evaporado muchas partículas, éstas ejercerán una presión sobre las paredes, el líquido y el mercurio, forzándolo a bajar. 

No obstante llegará un momento en que la presión parará. Se estabilizará. Parte del gas volverá a enlazarse y crear líquido, y parte del líquido continuará pasando a fase gas. Se establece un equilibrio. Un equilibrio dinámico, en el cual moléculas en fase gas pasan a estado líquido, y a su vez otras en estado líquido pasan a fase gas. En estos momentos se dice que tenemos la presión de vapor de equilibrio. Esto significa que podemos repetir el proceso del juguete varias veces, bajando y subiendo el líquido, hasta que llegue un momento en que tanto el recipiente como el líquido se encuentren a la temperatura corporal (37ºC), y por lo tanto no se puedan crear diferencias de presión.

En el siguiente vídeo, realizado por la Universidad Complutense de Madrid, nos explican como calcular experimentalmente la presión de vapor del agua:

¿Donde se pueden comprar?

- En nuestro querido amigo Steve Spangler Science.
- En Scientifics On line.
- En ThinkGeek.
- E incluso en Amazon...

No obstante yo compré el mío en Educational Innovations. Eso no quiere decir que el producto de esta casa sea mejor que el cualquiera de las otras opciones...¡¡¡cada uno es libre de elegir su casa comercial!!!

¡¡Espero que haya sido interesante!! Hasta la próxima, en la que jugaremos con muelles...

Un saludo,

Sergio

Sublimación

La sublimación es posiblemente el cambio de estado mas espectacular para los pequeños, básicamente porque es el mas inusual. Se trata de un cambio de estado de sólido a gas sin pasar por líquido. El cambio de estado inverso se denomina sublimación inversa o retrosublimación.

Existen muchas substancias que realizan la sublimación, pero de entre todas ellas hay pocas que la realizan a presión atmosférica. Las mas usuales son yodo, naftalina, ácido benzoico, dióxido de carbono, etc...

De entre todas ellas, la mas espectacular e inofensiva es la sublimación del hielo seco o dióxido de carbono. Se trata de un gas que al enfriarlo por debajo de -78ºC solidifica. Una vez congelado al calentarlo a presión atmosférica sublima de forma espectacular. Uno de los experimentos mas divertidos es introducir hielo seco en agua.





Existen otros experimentos de sublimación, pero son mas peligrosos. La practica por excelencia de sublimación es con yodo. Introducimos unos pocos cristales de yodo en un vaso de precipitado, tapamos el vaso con una capsula de petri y colocamos un hielo en la parte superior de la cápsula. Al calentar el vaso de precipitados sublimará el yodo que volverá a solidificar en la capsula al contacto con el hielo. Se trata de una práctica espectacular pero no carente de riego, puesto que los vapores de yodo son altamente tóxicos. Para mas información sobre toxicidad entra aquí.



Otro experimento también peligroso seria con naftalina. Antiguamente se utilizaba de forma usual en las casas y se colocaban en los armarios para matar a las polillas. Ahora se sabe que también nos puede matar a nosotros. Calentamos agua, a la que ponemos un colorante para visualizar mejor el cambio de estado, y calentamos a 80 ºC. Al introducir una bolita de naftalina ésta empezará a sublimar liberando pequeñas burbujas de vapor de naftalina.



La exposición a grandes cantidades puede dañar células sanguíneas rojas, la exposición a niños durante largos periodos de tiempo puede causar anemia hemolítica. La exposición larga a naftaleno causa fatiga, pérdida de apetito, piel pálida, nauseas, diarrea, vómitos y sangre en la orina. Un programa de la U.S. National Toxicology expuso a naftalina a ratas hembras y machos y ambos mostraron evidencia de carcinogénesis. No está demostrado que provoque cáncer en humanos pero se tiene en cuenta como posible agente carcinogenico por la International Agency for Research on Cancer (IARC). Para mas información entra aqui.

En cocina se está utilizando últimamente mucho la eliminación de agua por sublimación, utilizando una técnica muy conocida en química, pero poco conocida en ambientes no químicos: La Liofilización.



La liofilización es un proceso físico. Se enfría el producto, congelando el agua, o el disolvente que hay, y a continuación se baja la presión asegurándose de que el agua o disolvente se separa por sublimación. De esta manera, y al contrario que calentándolo para separarlo por vaporización, donde es posible que algún producto quede dañado, en este caso no hay daño al producto (que se encuentra frío), manteniendo todas sus propiedades.

Ferran Adriá y Albert Adriá han trabajado mucho este concepto en el Bulli, llegando a liofilizar gran cantidad de productos para utilizarlos en el plato liofilizados o para conservarlos y posteriormente añadir agua y volver a obtener el producto original. Ferran y Albert Adriá han comercializado sus productos liofilizados (LYO) y los podemos encontrar a la venta en la tienda Soler i Graells de Barcelona.



Si nunca habéis probado productos liofilizados os los recomiendo, es una experiencia diferente...

Sergio

El Galio

Uno de aquellos elementos de los que no se suelen hablar mucho. El gran olvidado. Cuando alguien nos habla de metal líquido todo el mundo piensa en el Mercurio, cuando existe otro mucho menos tóxicos como es el Galio.

El galio es un elemento de tabla periòdica, entre el Aluminio y el Indio en el grupo 13. Un metal blando de baja densidad que posee la curiosidad de tener un punto de fusión (paso de sólido a líquido) muy cercano a la temperatura ambiente. Nada mas y nada menos que 29,76 ºC. Mucho mas cercano que el mercurio que es de -38,83ºC.

De esta manera podemos, simplemente calentando al baño maria obtener Galio líquido. ¡¡¡Podriamos incluso llegar a tener galio líquido calentando con la mano!!!



La Tierra no es especialmente abundante en Galio, de ahí su elevado precio, y se obtiene de la extracción de un mineral: la galita. Otra curiosidad del Galio es que su densidad disminuye al solidificar , al igual que el agua. Asi si tenemos los dos estados observaremos que el sólido flota sobre el líquido. Una recomendación importante es no llenar nunca un recipiente de vidrio con galio líquido, puesto que éste expande y romperia el recipiente.



Se utiliza mayoritariamente como semiconductor y tambien en sus compuestos, como el Arseniuro de Galio, para fabricación de LEDs. Otra utilidad es para fabricar cucharas mágicas. Algunas simplemente funden en agua caliente, pero otras cucharas tan solo tienen una pequeña zona formada por galio. Al frotar levemente con los dedos por esa zona llegaríamos a su punto de fusión y pasaría a líquido. ¡¿¿Estamos derritiendo o rompiendo una cuchara de acero??!!!NO, se trata de un truco de magia en el que utilizamos una propiedad física de un elemento químico.



Sergio

El clip mágico-Nitinol

Observa atentamente el video. ¿Cómo puede obtener el mago el clip en perfecto estado, tras haberlo estirado casi totalmente?



No es magia, ¡¡¡es química!!!

La elasticidad es la propiedad de los materiales a recuperar su forma inicial, una vez que las fuerzas han dejado de actuar sobre ellos. Estos tipos de materiales, que hemos podido ver en el video, se denominan materiales con memoria de forma o materiales SUPERELÁSTICOS, y son muy comunes en infinidad de trucos de magia.

De entre los más conocidos se encuentra el Nitinol. El Nitinol es una aleación de Níquel (Ni), Titanio (Ti), y en algunas ocasiones otros metales y no metales como Aluminio (Al) o Cinc (Zn). Aunque los científicos conocían algunas propiedades de este tipo de materiales desde 1932, las primeras aplicaciones prácticas no comenzaron a desarrollarse hasta 30 años más tarde. En los laboratorios de la marina de los EE.UU. William Beuhler descubrió una aleación de Ni-Ti que presentaba estas propiedades, en un programa de investigación encaminado a la obtención de una aleación con alta resistencia a la corrosión. La memoria de forma se manifiesta cuando, después de una deformación plástica, el material recupera su forma tras un calentamiento suave. En este caso el clip es capaz de volver a su forma inicial tras introducirlo en agua caliente.

A baja temperatura la aleación se encuentra en una fase fácilmente deformable de manera plástica (fase martensítica), pero al calentarse por encima de una temperatura, la aleación vuelve a su estructura básica rígida y no deformable (fase austenita). Por este efecto, el clip es fácilmente deformable a temperaturas bajas, pero difícilmente deformable a temperaturas elevadas.

El potencial de aplicaciones de este material es muy elevado. Ya se aplica en cirugia y se esta experimentando en carrocerias de coches, en motores, etc...aqui teneis un ejemplo:



Sergio