Disoluciones de azúcar formando una torre de densidades arcoíris

Pedro Herrador Delso »

Este artículo trata de un experimento muy sencillo pero muy interesante y ameno a la vez que sirve para orientarnos e ilustrarn3os en una serie de conceptos que se utilizan en el campo de la Química como son la densidad, la concentración o la inmiscibilidad, entre otros, para alumnos de Enseñanza Secundaria Obligatoria. Estos podrán comprobar que la asimilación de dichos conceptos no es tan complicada. La actividad puede ser realizada sin dificultad en cualquier laboratorio de un centro educativo y servirá también para enseñar a tener presentes las normas de seguridad (ponerse batas,  guantes, mascarillas (si procede en alumnos/as que tengan alergias a algún producto), usar instrumental (matraces, pipetas, agitadores…), gestionar los residuos (sabiendo dónde se depositan y en qué tipo de contenedores, distinguiendo entre los de residuos orgánicos e inorgánicos…

Fundamentos

El experimento tiene su base en la diferencia de densidades entre disoluciones. La densidad de una sustancia (masa/volumen) depende, entre otros factores, del tamaño de las moléculas y de su estructura (por ejemplo, el hielo y el agua líquida tienen distinta densidad aunque sus moléculas sean las mismas, y eso se debe a que sus estructuras son diferentes). En el Sistema Internacional de Unidades la densidad se mide en kg/m³ , que es equivalente al g/cm³ .

En disoluciones de la misma sustancia, la densidad depende de la concentración, por tanto no tendrá la misma densidad una disolución de 1 g de azúcar en un litro de agua que una disolución de 40 g de azúcar en un litro de agua. La temperatura también influye ya que afecta al volumen.

Si dos fluidos tienen densidades distintas, el menos denso tiende a colocarse sobre el más denso (por esa razón el aire caliente se eleva por encima del aire frío). Un sólido menos denso que el agua flotará sobre ella, si es más denso se puede hacer que sea menos denso por el procedimiento de aumentar el volumen y esta es la explicación de que los barcos floten en el agua por muy grandes que sean y mucho tonelaje que tengan. Si mezclamos dos líquidos inmiscibles (agua y aceite, por ejemplo), el aceite, que es menos denso que el agua, quedará por encima de esta y no se mezclarán (aunque agitemos y aparentemente se mezclen, enseguida el aceite y el agua se separarán quedando aquel  por encima de esta tras dejar de agitar). Si los líquidos son miscibles se podrían estratificar por capas pero poco a poco los límites de las capas se irán difuminando debido a la difusión y acabarán desapareciendo.

Si se preparan diferentes disoluciones de azúcar y agua, en cada una de ellas las moléculas de azúcar estarán solvatadas debido a interacciones de enlaces de hidrógeno y de otros tipos. Por eso, si estas disoluciones de distinta densidad se colocan en un vaso (primero (abajo) la de mayor densidad y seguidamente las demás en orden de densidad decreciente), durante un tiempo no se mezclarán porque tenderán a retener las estructuras de enlaces de hidrógeno. Pero poco a poco el diferente potencial químico de ambas hará su efecto, que consistirá en la fusión de capas.

El experimento

Saldrá mejor si se realiza en un recipiente estrecho y alargado como una probeta. Cuanto más estrecho mejor ya que ayudará a que no se mezclen las capas de las disoluciones de azúcar. Se prepararán tantas disoluciones como “franjas” queramos conseguir del arcoíris. Hay que disolver distintas cantidades de azúcar en agua y agregar distintos colorantes a cada una de ellas. Se deberá empezar agregando a la probeta la disolución más concentrada, ya que será la más densa y quedará en el fondo. Es importante añadir las disoluciones de manera cuidadosa para evitar que se mezclen. Para ello se puede emplear una cuchara o bien una pipeta o jeringuilla.

Materiales y procedimiento

• Probeta o recipiente alargado
• 7 vasos de precipitados de 25 mL o recipientes similares
• Agua
• Azúcar
• Colorantes alimentarios de los colores del arco iris
• Cuchara

1. Preparar disoluciones de azúcar en los vasos de precipitados de 25 mL de diferentes concentraciones. En el primero agregar una cucharada de azúcar (unos 10 g.); en el segundo, dos cucharadas (20g.); en el tercero, 3 cucharadas (30 g.); y así hasta 7 vasos.
2. Agregar una o dos gotas de colorante alimentario de cada uno de los colores del arcoíris a cada una de las disoluciones preparadas. Se debería seguir el orden del arcoíris, añadiendo colorante rojo o violeta a la disolución más concentrada, naranja o añil a la siguiente, y así sucesivamente.

   

3. Con mucho cuidado y lentamente, verter las disoluciones una tras otra por la pared de una probeta inclinada evitando todo lo posible que se mezclen. Se deben añadir en orden de concentración; la primera la más concentrada.

Al tratarse de disoluciones de la misma sustancia, más pronto o más tarde terminarán mezclándose. Para evitarlo deberían emplearse sustancias no miscibles de diferente densidad (agua, aceite, miel, alcohol…). Si introducimos en la probeta un pequeño objeto como una bolita o una chincheta se hundirá hasta que encuentren un líquido de mayor densidad que la suya, sobre el que flotará.

Ampliación de conceptos

Es recomendable hacer una breve ampliación de los conceptos anteriormente comentados para que el alumnado se vaya familiarizando con los diversos términos y aumente su nivel de conocimientos.

Enlace de hidrógeno

La fuerza por puente de hidrógeno es la fuerza electrostática atractiva entre un átomo electronegativo y un átomo de hidrógeno unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Estos enlaces pueden ocurrir entre moléculas (intermolecularidad) o entre diferentes partes de una misma molécula (intramolecularidad). Las fuerzas electrostáticas son del tipo dipolo-dipolo y otorgan una gran estabilidad cuando gracias a ellas se unen muchas moléculas unidas. Este tipo de enlace ocurre tanto en moléculas orgánicas como en moléculas inorgánicas tales como el agua. Tiene algunas características del enlace covalente: es direccional, relativamente fuerte y hace que las distancias interatómicas sean menores que los radios de van der Waals. Tienen un papel importante en las estructuras tridimensionales adoptadas por las proteínas y ácidos nucleicos. La estructura de doble hélice del ADN se debe primordialmente a los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases. En las proteínas, los enlaces de hidrógeno se forman entre átomos de oxígeno y átomos de hidrógeno.

Algunos fenómenos debidos a los enlaces de hidrógeno:

• • El hecho de que el hielo sea menos denso que el agua se debe a una estructura cristalina estabilizada por puentes de hidrógeno.
  • Los puntos de ebullición del NH₃ el H₂O y el HF son más altos que los de los compuestos análogos PH₃, H₂S, HCl.
  • La viscosidad del ácido fosfórico anhidro y del glicerol se debe a los enlaces de hidrógeno.
  • La alta solubilidad en agua de muchos compuestos como el amoníaco se explica por el enlace de hidrógeno con las moléculas de agua.
  • La “goma inteligente” utiliza enlaces de hidrógeno como su única forma de enlace, así que puede “sanarse” cuando se pincha, debido a que pueden aparecer nuevos enlaces de hidrógeno entre los dos fragmentos separados del polímero.

Densidad

Cuando aumenta la presión se produce un aumento de la densidad, fenómeno que es fácilmente apreciable en los gases pero bastante menos en líquido y sólidos. Como regla general al aumentar la temperatura manteniendo la presión constante la densidad disminuye. Sin embargo, existen notables excepciones a esta regla. Por ejemplo la densidad del agua dulce crece entre 0 y 4 ^oC). Para los líquidos y sólidos se puede considerar la densidad como constante con la temperatura.

Concentración y solubilidad

La concentración es la proporción o relación que hay entre la cantidad de soluto y la cantidad de disolución o disolvente, donde el soluto es la sustancia que se disuelve, el disolvente es la sustancia que disuelve al soluto y la disolución es la mezcla homogénea de las dos anteriores. A menor proporción de soluto disuelto menos concentrada estará la solución y a mayor proporción más concentrada estará.

Cada sustancia tiene una solubilidad concreta para un solvente determinado. La solubilidad es la cantidad máxima de soluto que puede mantenerse disuelto en una solución y depende de condiciones como la temperatura, la presión y la presencia de otras sustancias disueltas o en suspensión. Muchas sales son más solubles a mayor temperatura; a otras les sucede lo contrario. Para las primeras, si enfriamos una disolución saturada (que es aquella que contiene la máxima cantidad de soluto que puede contener), el disolvente tendrá menos capacidad para retener disuelta la sal y el exceso precipitará.

Podemos hablar de disoluciones…

• diluidas, en las que la cantidad de soluto está en una pequeña proporción en un volumen determinado.
• concentradas, en las que hay una cantidad considerable de soluto en un volumen determinado.
• saturadas y sobresaturadas, que pueden ser concentradas o diluidas dependiendo de la solubilidad; así, una disolución saturada de NaCl será concentrada, pero una disolución saturada de CaCO₃ será diluida porque esta sal es muy poco soluble.

Cuantitativamente, hay varias formas de expresar la concentración basándose en masa, volumen o ambos.

• Porcentaje masa-masa (unidades de masa de soluto / 100 unidades de masa de disolución)
• Porcentaje volumen-volumen (unidades de volumen de soluto / 100 unidades de volumen de disolución)
• Porcentaje masa-volumen (unidades de masa de soluto / 100 unidades de volumen de disolución)
• Molaridad (moles de soluto / volumen de disolución (L))
• Molalidad (moles de soluto / masa de disolvente (kg))

Y otra menos utilizadas como la formalidad (unidades de peso fórmula-gramo del soluto (el correspondiente a la fórmula empírica) / volumen de  disolución (L)) o la normalidad (unidades de equivalente-gramo de soluto / volumen de disolución (L)).

En concentraciones muy pequeñas hablaremos de partes por millón (ppm), partes por billón (ppb), partes por trillón (ppt)…

Miscibilidad

Es un término usado en química que se refiere a la propiedad de algunos líquidos para mezclarse en cualquier proporción formando una disolución. En principio el término también es aplicado a otras fases (sólidos, gases) pero se emplea más a menudo para referirse a la solubilidad de un líquido en otro. El agua y el etanol (alcohol etílico) por ejemplo son miscibles en cualquier proporción.

Por el contrario se dice que las sustancias son inmiscibles si en alguna proporción no son capaces de formar una fase homogénea. Por ejemplo el éter etílico es en cierta medida soluble en agua, pero estos dos solventes no se les considera miscibles dado que no son solubles en todas las proporciones. Un ejemplo más rotundo de inmiscibilidad es el del agua y el aceite, que si se agitan juntos y se dejan en reposo el aceite quedará por encima del agua sin mezclarse.

Imágenes: Química Insólita