Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
La llamada “arena mágica” o hidrofóbica es arena normal cuyos granos están recubiertos por un agente hidrofóbico muy efectivo, como el trimetilsilanol. Cuando echamos arena seca en un vaso de agua, al sacarla sigue tan seca como al principio.
El experimento
En este experimento se propone la creación de arena mágica sin usar trimetilsilanol.
Primero se debe tamizar arena para eliminar las posibles impurezas. La arena cribada debería extenderse todo lo posible sobre una superficie para que forme una capa de muy poco espesor. Después se rocía con un espray impermeabilizante (por ejemplo, de los que se usan para el calzado) y se deja secar. Conviene mezclar de nuevo la arena, volver a extenderla y volver a rociarla, y así cuantas veces se considere. Una vez lista, se puede introducir en agua y observar su comportamiento hidrófobo. Para obtener los mejores resultados se debe usar un recipiente hondo, que permitirá apreciar mejor lo que pasa durante el hundimiento de la arena en el agua. Cuando se extraiga la arena del agua se observará que está seca.
Como complemento, se pueden usar otros posibles agentes impermeabilizantes para probar su efectividad. Una posibilidad es calentar juntos arena y cera.
Por otro lado, se puede comprobar si la arena se moja añadiendo detergente líquido al agua.
Fundamento
Para explicar por qué la arena mágica no se moja diremos primero que la arena normal se moja porque, aunque el interior de sus granos es básicamente dióxido de silicio (SiO2), en el exterior los átomos O están sustituidos por grupos OH (ver la figura). Estos forman con mucha facilidad enlaces de hidrógeno con el agua. Eso explica también por qué el agua une los granos de arena (y podemos formar con ellos, por ejemplo, castillos en la playa): los enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua permiten conectar la superficie de un grano con las de los que lo rodean.
Para hacer que la arena sea hidrofóbica habría que sustituir la capa hidrofílica de los granos de arena por una capa hidrofóbica. Sería como poner un impermeable a los granos.
Un sustancia muy adecuada para conseguirlo es el trimetilsilanol (TMS), (CH3)3SiOH, que es un compuesto incoloro y bastante volátil, por lo que emite vapores fácilmente. Cuando los granos de arena se exponen a esos vapores, los grupos silanol (–SiOH) del TMS experimentan reacciones de condensación con los OH superficiales del grano de arena, con pérdida de agua:
Como se aprecia en el esquema, el grano de arena queda recubierto de grupos metilo (–CH3), que son hidrofóbicos por la baja polaridad del enlace C–H. Otra posibilidad es que el TMS se una a los grupos OH de la arena (y de hecho, esto también sucede), pero el efecto será el mismo: la formación de una capa hidrofóbica de grupos metilo alrededor de los granos.
En el experimento se podrá ver que la arena adopta formas cilíndricas; esto se debe al agrupamiento de los granos para ofrecer la mínima superficie de contacto con el agua.
Forma de una gota de agua
Con relación a los fundamentos de este experimento es interesante considerar la forma que adopta una gota de agua cuando se coloca sobre una superficie plana. Se ha comprobado que el contacto aumenta cuanto más hidrofílica es la superficie (el agua tiene en ese caso menos tensión superficial debido a la interacción con las moléculas de la superficie, por lo que se aplana), y disminuye cuanto más hidrofóbica, lo que explica que una gota de agua no se pueda adherir a dicha superficie y tienda a una forma esférica. Lo ilustra la siguiente imagen:
La situación de la izquierda representa el límite del máximo poder mojante del agua; la gota está extendida completamente, de modo que cada molécula de H2O contacta con la superficie. En cambio, la situación de la derecha representa el mínimo contacto posible y, por tanto, el menor poder mojante. Ambas situaciones son imaginarias.
Cómo mojar la arena
Hay que tener en cuenta que la “arena mágica” sí puede ser mojada, pero por líquidos no polares, como el aceite, ya que las moléculas de estos líquidos interaccionan por fuerzas de Van der Waals con los grupos metilo de la superficie recubierta del grano de arena. (Con arena hidrofóbica sería casi inviable construir un castillo de arena, salvo que la arena se impregne con aceite u otro fluido de poca polaridad).
De hecho, la arena hidrofóbica fue concebida originalmente para retirar petróleo vertido en el mar, ya que se une al petróleo y lo hunde. El problema es que es muy cara. También tiene aplicaciones en las zonas árticas; por ejemplo, las cajas de conexiones eléctricas se pueden enterrar en arena hidrofóbica porque siempre permanece suelta y seca y, por consiguiente, nunca se congela.
Hay una posibilidad de mojar arena mágica con agua, aunque sea parcialmente: añadir detergente líquido. Se podría pensar en varias razones, probablemente concomitantes. Como es sabido, el detergente baja la tensión superficial del agua. Esto favorecería que el agua se “cuele” entre los granos. Pero, además, el jabón quizá podría eliminar parte del recubrimiento hidrófobo, o bien la molécula de jabón podría ser adsorbida en la superficie hidrófoba y presentar su parte hidrofílica al agua, con la que se enlazaría por interacciones polares.
Bibliografía
- Rawson, Stuart. Why does magic sand repel and how? Quora, 2016. https://www.quora.com/Why-does-magic-sand-repel-and-how-Can-anyone-explain-the-science-behind-magic-sand-So-confused.
- A. M. Helmenstine. Make Homemade Magic Sand. ThoughtCo 2018. https://www.thoughtco.com/how-to-make-homemade-magic-sand-607824.
- Trimethylsilanol. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Trimethylsilanol.
- R. Peleg et al. The magic sand mystery. Science in School, 2015, 32. https://www.scienceinschool.org/content/magic-sand-mystery.
- JCE Staff. Magic Sand, J. Chem. Educ. 2000, 77, 40A. DOI: 10.1021/ed077p40A.
- J. M. G. V. A unas sustancias les encanta el agua y otras la odian. Triplenlace. https://triplenlace.com/2013/06/30/a-unas-sustancias-les-encanta-el-agua-y-otras-la-odian/.
Imagen de cabecera: Manual do Mundo en YouTube.
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/ .
