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COMO EL AIRE- RESPIRAR Y ENSEÑAR


INTRODUCCIÓN

El aire que respiramos es esencial para la vida, pero también es un recurso que puede ser usado con objetivos pedagógicos. Las experiencias aquí descritas usan el aire como fuente de gases, por ser una mezcla fácilmente accesible y barata. El nitrógeno, que es el componente más abundante del aire (cerca del 78.1% en volumen) puede ser usado en el estado líquido como agente de refrigeración. A presión atmosférica, el nitrógeno se licua a temperatura de -195.8 °C. A esa Temperatura el oxígeno (O2, cerca de 21% del aire en volumen), que presenta una temperatura de ebullición más elevada, se encuentra también en el estado líquido (punto de ebullición = -183.0 °C) mientras que, el dióxido de carbono (CO2; cerca de 0.03%) y el agua (H2O; variable) pasan al estado sólido a -78.5 °C y 0 °C, respectivamente. Además de estos componentes, es todavía significativa la cantidad de argón (cerca de 0.9% en volumen). A propósito de la composición del aire, puede referirse que la evolución de la vida en la Tierra está asociada a la variación de los niveles de los componentes de la atmósfera a lo largo de los tiempos. Por ejemplo, en la Era Paleozoica (cerca de 350 a 250 millones de años) el nivel de oxígeno (constituyente capturado del aire por los organismos vivos es fundamental para los procesos metabólicos asociados con el vuelo) en la atmósfera era más elevado que el actual, lo que favoreció la existencia de animales voladores con dimensiones superiores, en comparación con los actuales. A esta altura y teniendo consideración la relevancia del oxígeno en las combustiones, había también condiciones más favorables al inicio y propagación de incendios forestales.


Hay en la literatura varias experiencias en que el nitrógeno líquido es usado con fines pedagógicos para ilustrar la composición del aire, las leyes de Boyle, de Charles o de Avogadro, o todavía para hacer helados o trucos con balones. Todavía, a medida que se averigua no se encuentra descripciones de experiencias con objetos pedagógicos en que sean efectuadas medidas de volumen o presión, asociadas a la contracción o expansión del aire. En ese sentido, se preparó algunos experimentos en los que se muestra cuantitativamente las diferencias en el volumen ocupado y presión ejercida por una cierta cantidad de aire (esencialmente debido al oxígeno) en el estado gaseoso o líquido. Estas diferencias no son fácilmente entendidas por los estudiantes sólo con base en los valores obtenidos en cálculos, pero son mucho más relevantes para la interpretación de algunos fenómenos científicos y tecnológicos.

La ecuación de los gases ideales (PV = nRT; P-presión, V- volumen, n- número de moles, R- constante, T- temperatura) es enseñada en nivel preuniversitario como una aproximación aceptable a la ecuación de los gases reales, que para tener en cuenta las interacciones intermoleculares presentan una expresión más elaborada. Al usar la ecuación de los gases ideales, raramente los valores numéricos adquieren un significado que permita relacionarlos con valores del día a día, por lo menos en cuanto a nuestra experiencia de profesores que no permite evaluar. En el sentido de tornar más sensible aspectos menos evidentes, se refiere el hecho de 150 mL de agua contenida en un vaso (que corresponde el volumen aproximado de un pelota de tenis) al pasar al estado gaseoso ocupa el volumen correspondiente a cerca de 36 pelotas de fútbol, es decir, 200L (P=1 atm, T=25 °C). En las experiencias descritas a continuación fueron usados materiales y equipos disponibles en la gran mayoría de laboratorios de enseñanza.


EXPERIMENTOS Y DISCUSIÓN


Advertencia

Los experimentos aquí descritos envuelven la manipulación de líquidos criogénicos (criogénicos, nitrógeno y oxígeno líquido) que pueden provocar quemaduras severas, por lo que deberán ser garantizar las medidas adecuadas de protección personal. Las experiencias deben ser realizadas en un ambiente ordenado con niveles adecuados de O2/N2 en niveles adecuados, debido a que una baja significativa de este valor puede causar asfixia.

La preparación de los montajes envuelve en algunos casos conectar la manguera de plástico a un tubo de vidrio, lo que deberá ser hecho recurriendo al auxilio de una toalla para evitar que, en caso de quebrar, el vidrio pueda causar heridas.


EXPERIMENTO 1- ¡HAY ALGO EN EL TUBO “VACÍO”!


Suspender un tubo cilíndrico de pirex (1) usando una garra (3), tal como se indica en la Figura 1a. Deslizar la pinza de modo que el tubo entre casi todo en un vaso térmico (Dewar, 2 en la Figura 1). Colocar nitrógeno líquido en el Dewar hasta que se quede casi lleno. Dejar el sistema reposar (tubo abierto) durante cerca de 10 minutos. Con cuidado, mover la garra para la arriba hasta que el tubo quede completamente fuera del Dewar (Figura 1b). Observar el líquido en el fondo del tubo (Figura 1c); en estas condiciones casi todo el líquido es oxígeno (ver la composición del aire a temperaturas para variar de fase de sus principales componentes en la Introducción). Notar que el tubo está muy frío y condensa en el exterior la humedad existente en la atmósfera. Dependiendo de la temperatura ambiente, el regreso del O2 al estado gaseoso puede llevar más o menos tiempo.


Figura 1. Licuefacción del aire (esencialmente oxígeno) por (a) inmersión de un tubo “vacío” en nitrógeno líquido (b). 1 – Tubo de pyrex con esmerilado B24/29; 2- Vaso Dewar; 3 – Soporte universal y pinza.


Después de la evaporación del líquido es visible, en el fondo del tubo, un sólido blanco (mezcla de CO2 y H2O, ver Introducción). La cantidad de sólido blanco disminuye a medida que el CO2 (también designado por hielo seco) sublima y cuando la temperatura ultrapasa los 0 °C (medible con un detector térmico de infrarrojo, comercializado en algunos supermercados) desaparece dando lugar un líquido (H2O).


Sugerencia

Esta experiencia puede ser aprovechada para explicar el proceso industrial de licuefacción y separación de los componentes del aire, para que los participantes estén relacionados al área de tecnología.


EXPERIENCIA 2 - ¡APRISIONADO!


Esta experiencia pretende pasar de un nivel cualitativo a un nivel cuasi- cuantitativo en lo que respecta a la evaluación de la cantidad de oxígeno en el aire y la variación de los parámetros volumen y presión asociados a las variaciones de estado (gaseoso a líquido y líquido a gaseoso).


Preparación de montaje

Conectar un balón de vidrio (>2 L, 1 en la Figura 2) a una probeta graduada (6, tal como la ejemplificación en la Figura 2) usando un tubo de goma para el gas, en el cual fue introducido un grifo y una T de plástico (7, en la Figura 2), para la conectarla a un manómetro de registro de bajas presiones (2 en la Figura 2c). La probeta graduada debe ser cerrada a través de un tapón de goma (4, en la Figura 2b)en los que fueron hechos tres orificios: una para conectar el grifo (3), que a través de un T de vidrio (7) permite la conexión a un manómetro (2), y un balón de vidrio (1), otro para la colocación de un grifo (Figura 2, izquierda) y el tercero para el montaje de una válvula de escape (5, en las Figuras 2a y 2b) que será activada en caso de aumento excesivo de presión (ver material suplementario para la descripción de la válvula de escape).


Ejecución

Manteniendo el sistema cerrado e introduciendo una probeta graduada en el nitrógeno líquido (procedimiento semejante a la experiencia 1) el aire contenido en el balón y en la tubería de conexión (cantidad despreciable en vista del volumen del balón) licúa (esencialmente el oxígeno). La presión en el sistema cayó. (PCaída= 0.21x760 mmHg), pudiendo esa variación ser medida en el manómetro (figura 2c).

Cuando la presión se estabiliza, el volumen del líquido, en la probeta, puede ser medido, retirándola rápidamente del nitrógeno líquido. La lectura debe ser hecha de inmediato, pues en sistema abierto el oxígeno líquido pasa de inmediato al estado gaseoso. A partir del volumen de líquido medido, considerando constante el número de moles, puede calcularse el volumen de gas correspondiente, usando la ecuación de los gases ideales. Comparando el volumen calculado como el volumen del balón de vidrio puede concluirse que apenas cerca del 20% del gas licua, lo que permite confirmar que en estas condiciones la cantidad de nitrógeno que pasa al estado líquido es prácticamente despreciable.


Figura 2. a) Montaje destinado a promover la licuefacción del aire y la medición de la disminución de presión en el balón (1): (a) probeta graduada (ampliación -6); b) tapón con tres orificios (4), mostrando una válvula de escape de presión en el hueco central (5); c) manómetro, indicando valores en el inicio (arriba- 2a) y en el final (abajo- 2b) de la experiencia; 3- grifo de vidrio; 7- T plástico.


EXPERIMENTO 3- ¡REGRESO A LA LIBERTAD!

Preparación del montaje

Usando el montaje de la experiencia anterior, conectar al grifo de doble vía (3a) a un manómetro (2a) y en paralelo un balón (6) (figura 3).

Ejecución

Esta experiencia puede ser realizada en consecuencia de la anterior. En alternativa, repetir el procedimiento usado en la experiencia 2, pero antes de retirar la probeta de dentro del nitrógeno líquido, es preciso cerrar la llave de la derecha que conecta el balón de vidrio (3, Figura 3) y abrir la llave de la vía doble (3a), conectando así el manómetro de la izquierda (2a). El oxígeno licuado no podrá expandirse libremente y la presión en el manómetro 2a irá a aumentar, haciendo girar la punta del manómetro en el sentido horario (Figura 3b, en el sentido ascendente). Rodando la posición de la llave de vía dupla (3a), el balón de goma (6) se quedará conectado y el aumento de la presión lo inflará (Figura 3c) con oxígeno que, debido al aumento de la temperatura, vaporiza, volviendo a su estado físico normal (gas). La válvula de escape (5) colocada en el sistema abrirá, por cuestiones de seguridad, permitiendo el alivio de presión si esta aumenta excesivamente.


Figura 3. (a) Montaje para evaluar las variaciones de presión asociadas a las variaciones de estado (gas/líquido y líquido/gas) del oxígeno de aire; (b) Fases de la lectura, mostrando el aumento de presión a la medida que el oxígeno pasa al estado gaseoso; (c) balón de crianza lleno con el oxígeno que inicialmente se encontraba en el balón de vidrio (1); 1- balón; 2- manómetro (indica el deceso de presión); 2a manómetro (indica aumento de presión); 3- llave de vidrio; 4- tapón de tres orificios; 5- válvula de escape de presión en el hueco central; 6- balón de goma.


EXPERIMENTO 4- LOS BALONES QUE RESPIRAN

Prender un tubo de vidrio esmerilado (1) usando una pinza. Preparar una “cabeza” con dos conexiones al exterior que permita tapar el tubo de vidrio (2, Figura 4a). Adaptar y prender dos balones a las extremidades libres de la “cabeza” tal como se indica en la Figura 4b. Introducir el tubo de vidrio abierto en el Dewar y colocar nitrógeno líquido tal como se hizo en la experiencia 1. Dejar licuar el aire durante 5-10 minutos. Tapar el tubo de vidrio (1) usando el sistema al cual fueron adaptados los balones, previamente vaciados (Figura 4c) fijándolo con un clip de unión de plástico (3, Figura 4c). Lentamente retirar el tubo de centro del Dewar. Observar el llenado de los balones, terminando el proceso cuando todo el aire regresa al estado gaseoso.


Volviendo a sumergir el tubo de vidrio, el aire (esencialmente el oxígeno) se licua y los balones se contraen. El proceso puede ser repetido muchas veces (como si los balones respiraran, desde que se minimicen las fugas en el sistema). Este proceso cíclico de evaporación/condensación podría permitir verificar la ley de conservación de la masa en las variaciones de fase, en el caso si se hiciera una determinación rigurosa de la masa. Nótese que los volúmenes de los balones pueden variar ligeramente debido a la pérdida de elasticidad y/o a las pequeñas fugas de gas. En el inicio, los dos procesos pueden hasta, eventualmente compensarse.


Sugerencia

La visualización del fenómeno de expansión/contracción de los balones puede ser usado para explicar fenómenos asociados al aumento de presión, a veces elevado, que acompaña la formación /expansión de gases en sistemas cerrados. Es el caso, por ejemplo, de la formación de las palomitas de maíz de los granos de maíz. El agua en el interior quede sobrecalentada, entres sus constituyentes ocurren reacciones con formación de gases, la presión aumenta (puede llegar cerca de 931 kPa) y el grano de maíz revienta. Es también e caso de la explosión de reactores, tanques de almacenamiento u otros eventos tecnológicos asociados a la formación de gases en reacciones químicas no deseadas originando accidentes industriales graves. En Bhopal (1984), India, el aumento de presión en un depósito conteniendo isocianato de metilo (CH3NCO) debido a la entrada involuntaria de agua, se promovió una reacción química [CH3NCO(l) + H2O --> CH3NH2(g) + CO2(g)] donde por cada litro de agua se formaron 2700 litros de gases. La presión en el interior del depósito aumento y fue expulsado para la atmósfera gases que mataron a millares de personas que se encontraban en las inmediaciones de la fábrica. Para elucidar fenómenos de este tipo están disponibles en el sitio de la Chemical Safety Board varios videos que ilustran las consecuencias del aumento de presión en sistemas cerrados, como por ejemplo Reactive Hazards videos, los cuales pueden ser mostrados en el contexto de enseñanza de la seguridad química industrial.


Figura 4. Montaje para observar ciclos de expansión/contracción de balones de goma debido a las variaciones de fase del oxígeno del aire.


EXPERIMENTO 5- FUERZAS INTERMOLECULARES EN ACCIÓN…


Llenar tres balones de colores diferentes usando aire, helio y dióxido de carbono. Introducir lentamente el primer balón en un Dewar con nitrógeno líquido, observar y repetir con el segundo y tercer balones. Observar las diferencias/semejanzas y verificar que los dos balones llenos con aire y CO2 se contraen y parecen vacíos, entretanto el balón lleno de helio varía poco de volumen. La explicación reside en las fuerzas de interacción entre los átomos (He) y/o moléculas apolares (CO2) que son básicamente fuerzas de dispersión de London, más fuerte para los átomos o moléculas con área superficial más elevada y por tanto con nubes electrónicas más susceptibles de sufrir deformación (mayor polarizabilidad). Es el caso de CO2, que a la temperatura del nitrógeno líquido se reorganiza y varía de estado, consecuentemente, el volumen del balón se reduce significativamente. En el caso del helio, las fuerzas interatómicas son débiles, no hay reorganización apreciable (solo se licua a -269 °C) y el gas casi no sufre contracción, excepto la causada por la variación del volumen resultante de la disminución de temperatura, lo que es muy inferior de la inducida por la variación de estado. En el aire hay varios componentes (O2, N2, CO2, H2O, etc.) que presentan entre sus átomos o moléculas interacciones muy distintas, unas más fuertes (CO2, H2O), otras menos (O2, N2). Comparativamente, el balón lleno con aire reduce significativamente de volumen, pero menos que del balón lleno con CO2 y más que el que contiene He.


Sugerencia

Puede aprovecharse para profundizarse el conocimiento referente a interacciones intermoleculares y/o transiciones de fase.


NOTA FINAL


La gran mayoría de las experiencias aquí descritas fue realizada durante los “Laboratorios Abiertos” que se desarrollan anualmente en el Departamento de Ingeniería Química del Instituto Superior Técnico (IST), Universidad de Lisboa, en el ámbito de la divulgación de la química. Los “Laboratorios Abiertos” es una acción que tiene como monitores alumnos de 1° ciclo de los cursos de Ingeniería Química del IST, los cuales durante 1 a 2 semanas presentan y explican experiencias (previamente preparadas con la orientación de profesores). Esas experiencias tienen un doble objetivo: 1) permitir a los monitores el profundizar sus propios conocimientos; 2) incentivar a los que participen, despertando en los más nuevos el interés por el estudio y aprendizaje de la Química.


Las acciones de los “Laboratorios Abiertos” son abiertas a las escuelas básicas y secundarias, mediante inscripción (gratuita). En la última acción (2015) participaron cerca de 2000 alumnos. El módulo en que se introducen las experiencias aquí descritas (apenas algunas) hacen parte de un bloque que recibieron de los participantes la mayor atención e intereses, suscitando diversas preguntas. Una de las demostraciones que cautivó a todos los participantes fue la experiencia 4, “Balones que respiran”.

Dependiendo de la fase de los participantes, como de su motivación para intentar entender los “porqués”, los conceptos envueltos en las experiencias propuestas permitirán llegar a diversos niveles de interacción, siendo por todos conocida la diferencia entre el volumen del balón grande (Figura 2) y el pequeño de oxígeno licuado (Experiencia 2). El carácter asociado a las variaciones de volumen usando balones coloridos y particularmente motivadora para los más jóvenes.


Material Suplementar

Están disponibles informaciones suplementarias sobre materiales, cálculos y algunas imágenes del pormenor de los sistemas utilizados en este trabajo en la dirección: http://quimicanova.sbq.org.br, con acceso libre.

FUENTE:

Com ar - respirar e ensinar. Maria Fernanda N. N. Carvalho, José Armando L. da Silva e Hermínio P. Diogo. Quim. Nova, Vol. 39, No. 9, 1136-1140, 2016.






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