Experimentos de Física y Química_ PRAE 2013

TALLER DE EXPERIMENTOS
LA NOCHE DE LOS INVESTIGADORES
"LA SENCILLEZ DE LA FÍSICA Y
LA FABULOSA QUÍMICA"
Autores: Begoña Núñez de la Plaza
Carmen Vallejo Bernal
José Luis Miguel Castrillo
Milagros Sánchez Gejo
Alfonso Hernández Rodríguez
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Experimentos de Química de la Noche de los Investigadores - Septiembre 2013
TALLER DE EXPERIMENTOS
TALLER DE EXPERIMENTOS QUÍMICOS
1. Introducción
Una de las mejores maneras de divulgar la ciencia es mediante la realización de demostraciones
experimentales atractivas, que despiertan la curiosidad de los niños. Si se toma las medidas de
seguridad adecuadas, se pueden realizar experimentos fáciles de ejecutar, que atraen la atención,
motivan y generan interés por la química, en particular y por la ciencia, en general.
En esta ocasión, los experimentos están basados, en su mayoría, en reacciones ácido-base y de óxidoreducción.
2. Reacciones ácido-base
Para diferenciar el comportamiento de las sustancias ácidas y básicas se pueden realizar diferentes
experiencias, en las que se emplean indicadores de naturaleza diversa.
Los indicadores tienen la ventaja de cambiar de color en función del pH del medio. Las reacciones
coloreadas son muy vistosas y los experimentos asociados son fáciles de ejecutar, así que se pueden
utilizar como pretexto para la introducción de conceptos abstractos como acidez y basicidad o pH.
3. Los colores de los productos del hogar
Material:



Tres botellas con los indicadores:
o jugo de lombarda
o extracto de rosa
o cuscús disuelto.
Cinco frascos con las disoluciones de:
o Lejía
o Vinagre
o Un desengrasante
o Agua
o Cerveza
Vasos de chupito de plástico.
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4. Los colores del vino

Material:




Una botella vacía de vino y 6 copas de plástico
1L de disolución de nitrato de Fe (III) o de cloruro de hierro (III).
Dos frascos con disoluciones de KSCN y NaOH.
Procedimiento




1º COPA: disolución de Fe(III). Color amarillo. Vino blanco
2º COPA: disolución de Fe (III) + unas gotas de KSCN. Color rojo clarete
Fe3+ (ac) + 6 SCN- (ac) → [Fe(SCN)6]3- (ac)
3º COPA: disolución de Fe (III) + unas gotas de disolución de NaOH  Aparición de
color rojo tinto (se forma una suspensión)
Fe3+(ac) + 3 OH-(ac) → Fe(OH)3 (s)
5. La magia del color

Material:
o
Disoluciones de:





o
Ácido bórico
Agua
Hidróxido de sodio
Yodato de potasio
Yoduro de potasio
Indicadores:




Fenolftaleína
Rojo de metilo + azul de metileno
Rojo de metilo + verde de bromocresol
Almidón
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
Procedimiento:
o
En vasos o en copas de plástico transparente se colocan por separado:

100 ml de agua + unas gotas de fenolftaleína (incoloro)

100 ml de ácido bórico + unas gotas del indicador mixto compuesto por rojo de
metilo y azul de metileno (azul)



Agua del grifo + unas gotas de indicado mixto de rojo de metilo + verde de
bromocresol (azul)
100 ml de yoduro de potasio + unas gotas de almidón (incoloro)
100 ml de yodato de potasio (incoloro)
o
En una botella trasparente se pone una disolución de hidróxido de sodio y en otra
botella, también transparente, se pone vinagre blanco. Se dice que es ”agua mágica”
o
Se añade un poco de disolución de NaOH en cada vaso, observando que:

En el que contiene agua +fenolftaleína, aparece un color rosa intenso

El que contiene ácido bórico cambia de azul a verde claro

El que contiene agua + indicador mixto, toma color amarillo

El que contiene KIO3 + almidón, no cambia

El que contiene KI no cambia
o
Se añaden, a continuación, unos ml de vinagre en cada copa y se observa que se recuperan los
colores originales.
o
Finalmente, se mezclan las disoluciones de yodato y de yoduro de potasio y aparecerá color azul
oscuro (prácticamente negro). Se puede conseguir de nuevo la decoloración añadiendo
tiosulfato de sodio.
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6. Escenificación de una reacción química:







10 cartulinas con los símbolos de los iones: 3Na+; 3OH- ; 1Fe3+; 3 NO3Pedir niños voluntarios.
Colocarles los símbolos de los iones.
Agruparlos para formar los compuestos Fe NO3)3 (4 niños) y 3 NaOH (dos niños por cada NaOH).
Los niños que forman un mismo compuesto se dan la mano.
Les hacemos cambiar de posición, se reagrupan aparecen los producen de la reacción:
Fe (OH)3 precipitado de color rojo intenso y NaNO3
Se podría hacer algo parecido con cualquier otra reacción que se nos ocurra.
7. El genio de la botella

Fundamento:
El permanganato de potasio y el dióxido de manganeso reaccionan violentamente con el agua
oxigenada, La reacción es muy exotérmica y se desprende oxígeno. La reacción es la siguiente:
2MnO4- + 3H2O2 –> 2MnO2 + 2H2O + 3O2 + 2OH
Material





Una botella de color ámbar resistente a la temperatura
Papel fino
Hilo
Agua oxigenada de 110 volúmenes
Dióxido de manganeso o permanganato de potasio
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
Procedimiento 1


Se ponen 30 ml de agua oxigenada de 110 volúmenes en la botella.

Se pesan 0,5 g de oxido de manganeso (IV) (MnO2) en polvo (cuanto más pulverizado esté
será más efectivo, pues presenta mayor superficie de contacto) y se envuelve a modo de
paquetito en un papel fino, como podria ser el de una servilleta. Se anuda con un hilo fino y
largo (figura 4a) y, con ayuda del tapon de la botella se sostiene, dejándolo en suspension
sin que haga contacto con el agua oxigenada.

Al destapar la botella (figura 4b), el “paquetito-catalizador” cae sobre el agua oxigenada,
acelerando su descomposicion. Al ser esta reaccion fuertemente exotermica, el agua se
vaporiza.. Al salir y encontrar una temperatura menor, condensa formando un gran chorro
de microgotas, en forma de neblina o humo blanco, como puede apreciarse en la figura c.
¡Ha salido “el genio encerrado en la botella”!
Procedimiento 2:

Se deja caer 1 g de permanganato potásico envueltos en un paquetito de papel fino en el
interior de un recipiente resistente al calor que contienen 60 ml de agua oxigenada de 110
volúmenes.
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
Precauciones:
 El chorro que sale del recipiente es de vapor de agua a una temperatura muy elevada. Hay
que apartarse con cuidado de que no nos venga a la cara. Podría producir quemaduras.
Proteger los ojos con gafas de seguridad.
Es mejor hacer este experimento en el exterior. Si lo hacemos en clase, aunque el vapor que desprende
no es tóxico, hay que tener en cuenta que puede arrastrar algunas partículas de permanganato y
podríamos manchar el techo del aula.
8. La superespuma

Fundamento
 Reacción rédox entre el peróxido de hidrógeno y los iones yoduro, para dar yodo y agua:
H2O2 + 2I- + 2H+ –> I2 + 2H2O + calor

Material






Procedimiento



Una bandeja grande de plástico
Probeta graduada de 100 ml
Peróxido de hidrógeno de 110 volúmenes
Disolución de KI al 2% (p/v)
Un ml de lavavajillas concentrado
Se pone en la bandeja la probeta con 30 ml de H2O2 y 1 ml de lavavajillas.
Se añaden 10 ml de la disolución de KI y se inicia la reacción, que se pone de manifiesto por
el color amarillento de la disolución y por la gran cantidad de espuma caliente que llena la
probeta hasta rebosar.
Explicación

Al mezclar el agua oxigenada con el jabón, no ocurre nada. Pero al añadir los 10 ml de
disolución de yoduro de potasio al 2 % (p/v), se produce una reacción de óxido-reducción. El
yoduro se oxida a yodo y el agua oxigenada se reduce a agua. Al ser la reacción fuertemente
exotérmica, el agua pasa a la fase vapor y se produce una gran cantidad de espuma, debido
a la presencia del jabón.
El efecto visual se puede apreciar en la imagen que aparece a continuación. El color oscuro
que aparece al añadir la disolución de KI indica la presencia de yodo.
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Otra forma llamativa de presentar esta reacción es añadir el agua oxigenada junto con el jabón líquido
en una jarra de cerveza. Cuando se vierte la disolución de yoduro de potasio da la impresión de que se
convierte en “cerveza”, como se puede apreciar en la figura:
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Tiro horizontal.
Fuerza de rozamiento.
Transformación de la energía.
Centro de gravedad.
Presión.
Fuente de Herón.
Copa de Arquímedes.
Sorpresa de la presión.
Determinación de la densidad.
Diablillo de Descartes (Ludión).
Magnetismo, electricidad e inducción
electromagnética.
Ondas estacionarias.
“La energía ni se crea
ni se destruye, solo se
transforma”.
Herón de Alejandría (10 a 70
dC) llamado “El Mago” o
Michanikos (hombre
máquina).
Algunas aportaciones:
Máquina de vapor
(eolípila)
Máquina expendedora
Área del triángulo en
función del perímetro
Basada en el
Principio de sifón
atribuido a Ctesibio
(-285 a -222 aC).
También se le
atribuye a Ctesibio el
reloj de agua
(clepsidra).
El sifón es un tubo
acodado de ramas
desiguales, destinado a
trasvasar líquidos de un
depósito a otro a causa de
la presión atmosférica.
El líquido fluye hacia el
depósito bajo siempre que
la distancia “h” entre lo
alto del sifón y la superficie
del líquido en el depósito
superior sea menor que la
distancia “H” entre el
punto más alto del sifón y
la superficie del depósito
inferior.
Consideremos una sección
“S” en la parte más alta del
tubo. Sobre ella obran dos
presiones en ambos sentidos.
› Hacia la derecha
(Presión atmosférica – Presión
hidrostática) =
(P - ρgh).
› Hacia la izquierda
(Presión atmosférica – Presión
hidrostática) =
(P – ρgH).
De estas dos presiones es
mayor la que obra hacia la
derecha, y el líquido fluirá a
favor del exceso de presión
hasta igualar el nivel de
ambos depósitos.
En esta experiencia
aplicamos la
ecuación
fundamental de la
estática de fluidos.
Se comparan dos
líquidos inmiscibles,
el agua, cuya
densidad es
conocida (1.0
g/cm3) y un líquido
de densidad
desconocida.
Dado que A y B están a la misma altura sus presiones deben
ser iguales:
La presión en A es debida a la presión atmosférica más la
debida a la altura h2 de la columna de fluido cuya
densidad r2 queremos determinar.
pA=p0+ρ2gh2
La presión en B es debida a la presión atmosférica más la
debida a la altura h1 de la columna de agua cuya
densidad conocemos
pB=p0+ρ1gh1
Igualando las presiones en A y B, pA=pB, obtenemos:
Las densidades de los dos líquidos no miscibles están en
relación inversa a las alturas de sus columnas sobre la
superficie de separación en el tubo en forma de U.
Un poco de historia:
En su versión original fue
obra de Descartes. El
nombre "Ludión" se
debe a que su
propósito era
eminentemente
lúdico. En una botella
llena de agua, se
encontraba
sumergido un diablillo
que se movía según se
presionase más o
menos la botella.
Funcionamiento:
Cuando se presiona
la botella lo
suficiente, se
observa como el
tubito desciende
hasta llegar al
fondo. Al disminuir la
presión ejercida, el
tubito asciende de
nuevo.
Explicación:
Al presionar la botella se puede observar como disminuye
el volumen de aire contenido en el interior del tubito. Al
dejar de presionar, el aire recupera su volumen original.
Esto es consecuencia del principio de Pascal : Un
aumento de presión en un punto cualquiera de un fluido
encerrado se transmite a todos los puntos del mismo.
Antes de presionar la botella, el tubito flota debido a que
su peso queda contrarrestado por la fuerza de empuje
ejercida por el agua. La disminución del volumen del aire
en el interior del tubito, lleva consigo una reducción de la
fuerza de empuje ejercida por el agua. Esto es una
consecuencia del principio de Arquímedes : Todo cuerpo
parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta
un empuje vertical ascendente que es igual al peso del
fluido desalojado.
IMÁN: Mineral de hierro magnético que
tiene la propiedad de atraer el hierro, el
acero y, en grado menor, otros cuerpos.
Una corriente eléctrica crea a su
alrededor un campo magnético
(Oersted).
Las “formas” de los campos magnéticos
creados son descritos por Ampére y Faraday.
En un conducto lineal el sentido del campo nos lo da la regla del
sacacorchos. El sentido de giro de un sacacorchos que avanza
en el sentido de la corriente, es el mismo que el del campo
magnético.
En una espira, se considera un sur magnético cuando el
observador viese circular la corriente en el sentido de las agujas
del reloj.
Un campo magnético variable
produce una corriente eléctrica.
Se produce una corriente eléctrica en un
conductor próximo a un imán siempre que el
conductor o el imán se muevan con respecto al
otro.
El aire de un tubo sonoro entra en
resonancia cuando su longitud es un
número impar de cuarto de longitud de
onda, condición geométrica para que
puedan formarse ondas estacionarias.
l = (2 m + 1) λ/4 siendo m = 0, 1, 2 …
para el primer armónico o fundamental
l = λ/4 de donde λ = 4 l.
o
La fuerza de rozamiento de un cuerpo que avanza a través de un
fluido (gas o líquido) es proporcional;
A la velocidad de avance
A la viscosidad del fluido
Y a un coeficiente que depende de la forma del cuerpo, llamado coeficiente de
penetración (K)
o
Es una fuerza en la dirección del movimiento y sentido opuesto. Su
punto de aplicación depende de la forma del móvil.
o
Cuando se aplica una fuerza a un móvil que avanza por un fluido,
sufre una aceleración, su velocidad aumenta y, por lo tanto,
aumenta la fuerza de rozamiento. La velocidad sigue creciendo
hasta que la fuerza de rozamiento, que también crece, se iguala a
la fuerza impulsora y el movimiento uniforme.
Vamos a calcular el coeficiente de penetración de una bola de
plástico o un metal ligero en el agua. Para ello, dejaremos caer,
suavemente, la bolita en una probeta alta (de 1 o 2 litros) en la que
hemos introducido una regla o bien hemos hecho dos señales.
Sobre la bola actúan varias fuerzas:
El peso o fuerza con que la Tierra atrae la bola ;
El empuje hacia arriba producido por el agua ;
El rozamiento con el agua .
Recuerda que el empuje es igual al peso del volumen de agua
desalojada, que será igual al volumen de la bola. , donde será la
masa del volumen de agua desalojada.
El módulo de la fuerza resultante será . Ya sabemos que la bola, al
descender por el agua, aumentará su velocidad y con ello
aumentará la fuerza de rozamiento hasta que la fuerza resultante
sea nula. A partir de ese momento se moverá con velocidad
constante, describiendo un m.r.u.
Cuando la resultante sea nula, será , o sea: , donde K es el
coeficiente de penetración, es la viscosidad del agua, v la
velocidad de la bola, m la masa de la bola y ma la masa del agua
desalojada.
Será, por lo tanto,
donde cte representa una constante para nuestro experimento.
¿Cómo se puede calcular la masa de agua desalojada?
Vamos a suponer que la velocidad de la bola es constante casi
desde el principio del movimiento. A pesar de todo, no conviene
medir la velocidad de la bola desde la superficie del agua, sino
algo más abajo.
m = -----kg ma = ----kg ν = ----- kg/m.s
Prueba nº
Distancia
(m)
Tiempo
(s)
v (m/s)
cte = ----K = cte/v
1
2
Valor medio de K =
Se ha calculado que, para sólidos esféricos, el coeficiente de
penetración es 6πR, ¿coincide con el valor calculado? ¿A qué se
deben las diferencias?
Una vez calculado el coeficiente de penetración del sólido, se
puede aprovechar para calcular la viscosidad de otros líquidos y
compararlas con los datos obtenidos en tablas. ¿Cómo?.