Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
La densidad es una magnitud física muy sencilla, pero explica muchos fenómenos. Uno de ellos es la flotabilidad. En una disolución de un soluto determinado en un disolvente, la densidad está relacionada con la concentración. Es posible hacer que una disolución de baja concentración de un soluto flote sobre otra más concentrada, y en eso consiste este experimento, en el que se prepararán varias disoluciones acuosas de azúcar de distintas concentraciones y colores para estratificarlas formando una “torre”.
El experimento
Se deben preparar tantas disoluciones de azúcar de mesa (sacarosa, C12H22O11) como estratos queramos conseguir. Bastará disolver distintas cantidades de azúcar en agua y agregar colorantes alimentarios líquidos de diferentes colores a cada una de ellas.
La solubilidad de la sacarosa en agua es altísima (unos 2 kg / L), por lo que se puede partir de una disolución madre muy concentrada y a partir de ella obtener diluciones de concentraciones más o menos equidistantes hasta una última muy diluida. El experimento permitirá afianzar el concepto de concentración molar y de dilución si la primera disolución se hace a partir de un peso exacto de azúcar en un volumen determinado de agua (el peso molecular de la sacarosa es 342,3 g).
Conviene utilizar una probeta o recipiente alto y estrecho similar. Cuanto más estrecho, mejor, pues esto ayudará a que no se mezclen las capas de las disoluciones de azúcar.
Se empezará vertiendo en el recipiente la disolución más concentrada, ya que será la más densa y quedará en el fondo. Hay que añadir las demás disoluciones en orden de mayor a menor concentración de manera muy cuidadosa para evitar que se mezclen. Para ello se puede utilizar una pipeta, una jeringuilla o incluso una cuchara, como se hace cuando se prepara un cóctel.
Fundamentos
Por densidad se podría entender la cantidad de objetos que hay en un espacio determinado, es decir, su grado de “empaquetamiento”. Esta idea intuitiva se expresa matemáticamente como el cociente entre la masa de los objetos y el volumen que ocupan:
En el Sistema Internacional de unidades esta magnitud se mide en kg/m3, pero en química es más usual utilizar g/cm3.
En disoluciones de una sustancia química determinada, la densidad está relacionada con la concentración molar de la sustancia, ya que el número de moles y la masa son proporcionales.
La densidad de una sustancia depende, entre otras cosas, del tamaño de las moléculas, pero también de su estructura. Esto explica, por ejemplo, que el hielo y el agua, aunque están formados por el mismo tipo de moléculas, tengan distinta densidad. La temperatura también influye porque afecta al volumen.
Flotabilidad
Por otra parte, un sólido menos denso que un fluido flotará sobre este. Si un objeto sólido es más denso que cierto fluido, se puede disminuir la densidad de aquel aumentando su volumen. Así se puede lograr que barcos de hierro o de cemento floten; todo lo que hay que hacer es disminuir su densidad por el sencillo procedimiento de crear un gran hueco en su interior.
Si dos fluidos tienen densidades distintas y se ponen juntos cuidadosamente en un recipiente sin agitación, el menos denso tenderá a colocarse sobre el más denso. Así sucede también cuando se tienen dos masas del mismo fluido pero a diferente temperatura, ya que normalmente el volumen que ocupa un fluido aumenta con la temperatura y, por tanto, su densidad disminuye (el agua constituye una excepción entre 0 y aproximadamente 4 oC). Esto explica que en una cocina el aire caliente se sitúe en la parte más alta.
Al mezclar agua y aceite, que son inmiscibles, el aceite quedará sobre el agua porque es menos denso. Si los líquidos son miscibles, como el agua y el alcohol o como dos disoluciones de distinta concentración de azúcar en agua, se podrá conseguir que el menos denso quede encima si se deposita cuidadosamente sobre el más denso, que se habrá colocado antes, si bien con el tiempo ambas capas acabarán fundiéndose por difusión.
En una disolución de azúcar en agua las moléculas de azúcar están hidratadas (rodeadas de moléculas de agua) debido a interacciones de enlaces de hidrógeno y de otros tipos. Por eso, si dos de estas disoluciones de distinta densidad se colocan en un recipiente cuidadosamente, primero (abajo) la de mayor densidad y después la de menor, 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 disoluciones obrará sus efectos, que en este caso consistirán en la fusión de las capas.
Este experimento pertenece al libro:
Denís Paredes Roibás, José M.ª Gavira Vallejo: 125 experimentos de química insólita para la Enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/125eqi/ .
