Aprendamos física experimentando con una sustancia mágica: ¡el agua!

Autores:

Gabriel Pinto Cañón, Víctor M. Díaz Lorente, Manuela Martín Sánchez, Pascual Lahuerta, Mª. Teresa Martín Sánchez, Francisco Sotres e Isabel Paz Antolín.

Filiación: Universidad Politécnica de Madrid y Reales Sociedades Españolas de Física y de Química

Experimentos que la mayor parte pueden realizarse en casa o en un aula (no precisan laboratorio). Se explican por los autores en la sección de enlaces y referencias bibliográficas.


    • Para saber dónde funde antes el hielo, en agua o en agua saturada de sal, se colocan dos bloques de hielo semejantes en esos medios. Se observa que, contrariamente a lo que se suele predecir, funde antes en el agua pura. Se debe a la densidad del agua recién fundida (más densa que el agua a temperatura ambiente pero menos que la disolución salina). Se visualizan las corrientes de convección generadas en el primer medio añadiendo en cada caso una gota de colorante alimentario (Figura 1). Es la base para comprender las corrientes termohalinas de los océanos y otros efectos.

    • Para apreciar qué ocurre si se pone agua en aceite caliente o si se deja aceite en agua caliente, se realizan las correspondientes experiencias. Lo hará el profesor/divulgador con precaución (especialmente en el primer caso), añadiendo solo una gota. En el primer caso “salta” el aceite, como en la cocina de casa y en el segundo caso no se produce efecto espectacular. Se debe a tres propiedades de estos líquidos: distinto punto de ebullición, distinta densidades y el hecho de que ambos sean inmiscibles.

    • Si se añade aceite o etanol sobre un bloque de hielo, se observa que el agua que se produce al fundir el hielo desciende en ambos casos (mayor densidad). En el caso del aceite se visualiza por el distinto color y en el caso del etanol, por la permanencia del hielo restante entre dos capas transparentes (etanol arriba y agua abajo). (Figuras 2 y 3).

    • La mayoría de los metales (ej. hierro) se hunden por su mayor densidad, pero alguno como el aluminio (monedas de peseta o  yen japonés), aún más densos que el agua, flotan si se ponen con cuidado, por la tensión superficial. Una gota de detergente disminuye la tensión superficial del agua y se hunde la moneda. Si el metal es sodio [esta experiencia la debe hacer el profesor con precaución], se observa un efecto espectacular: el sodio flota (menor densidad que el agua), va desapareciendo al transformarse en cationes sodio(I) por reacción redox [Na(s) + H2O(l) à Na+(ac) + OH–(ac) + ½ H2(g)], se mueve (principio de acción y reacción) y choca en las paredes (choques elásticos y reflexión). La reacción es más espectacular si se añade indicador fenolftaleína, que pasa de incoloro (medio ácido o neutro) a fucsia (medio básico). Se favorece el movimiento del sodio añadiendo una gota de detergente en el agua. (Figura 4).

    • Al introducir un termómetro en un botijo con agua, se observa que la temperatura desciende. Se debe al enfriamiento que se produce evaporarse el agua que atraviesa la cerámica porosa. Es un efecto análogo al que explica el funcionamiento del “pájaro bebedor”. Se aprecia la influencia de la humedad si una vez que el pájaro se mueve se encierra en una campana de vidrio (se detiene al saturarse de vapor de agua). (Figura 5).

    • El “pez de la fortuna”, accesible como el pájaro bebedor en Educational Innovations (http://www.teachersource.com/) se mueve “solo” en la palma de la mano (es una oportunidad para que los participantes discutan la razón (¿truco, calor corporal, luz, electricidad estática…?), que no es otra que la absorción de agua por el celofán (se hincha), su evaporación y el hecho de ser un material muy ligero.

    •  La luz puede seguir la trayectoria curva de un chorro de agua, como se muestra si se hace incidir un laser sobre el orificio de una botella grande de plástico. Se fundamenta en la ley de Snell, al producirse reflexión total. Es la base de las fuentes luminosas y sirve para entender el fundamento de la fibra óptica.

    ¿Qué se pretende demostrar?

    Se formulan preguntas para favorecer la indagación y aprender propiedades físicas variadas (densidad, índice de refracción, miscibilidad, temperatura de ebullición, evaporación, y otras) tras la realización de experimentos (casi todos sencillos). Ejemplos de cuestiones:


      • ¿Dónde funde antes el hielo, en agua o en agua saturada de sal?

      • ¿Qué ocurre si se pone una gota de agua en aceite caliente como para freír? ¿Y si se deja una gota de aceite en agua a punto de hervir?

      • ¿Qué ocurre si se añade aceite o etanol sobre un bloque de hielo?

      • ¿Qué sucede si se deja un trozo de metal en agua?

      • ¿Qué sucede si se deja sodio en agua? ¿Qué sucede si se deja sodio en agua? ¿Lo explica la Física o la Química?

      • ¿Qué sucede si se deja sodio en una doble capa aceite / agua? 

      • ¿Se enfría el agua contenida en un botijo? ¿Por qué?

      • ¿Qué tienen en común un botijo y el juguete conocido como pájaro bebedor?

      • ¿Cómo se explica el funcionamiento del “pez de la fortuna”?

      • ¿La luz puede seguir la trayectoria curva de un chorro de agua?

      Dirigido a:


        • Gran Público

        • Secundaria

        • Universidad

        Materiales necesarios:

        Vasos y otros recipientes, cubitos de hielo, colorante alimentario, aceite de cocina, etanol, monedas de aluminio y de otros metales, un botijo, una botella grande de plástico, un puntero láser, un “pájaro bebedor” y un “pez de la fortuna” (estos últimos son juguetes accesibles en museos científicos o por internet en http://www.teachersource.com/).

        Riesgos:

        El único riesgo es cuando se pone en contacto sodio con agua. Debe hacerse con un trozo pequeño y con precaución

        Enlaces:


          • G. Pinto, P. Lahuerta, “Velocidad de fusión del hielo en distintas disoluciones: un ejemplo de aprendizaje activo de la ciencia”, Educació Química, en prensa.

          • M. Martín, M.T. Martín, F. Sotres, I. Paz, G. Pinto, “Reacción entre el sodio y el agua: una demostración experimental para ilustrar fenómenos físicos y químicos”, Revista de Física, 29(2), 33-40 (2015).

          • J.I. Zubizarreta, G. Pinto, “An ancient method for cooling water explained by means of mass and heat transfer”, Chemical Engineering Education, 29, 96-99 (1995).

          • G. Pinto, C.V. Gauthier. “Spattering and Crackle of Hot Cooking Oil with Water”. Journal of Chemical Education, 86, 1281-1285 (2009).

          • M. Martín, G. Pinto, M.T. Martín, J.M. Hernández, “El aparato de Colladon y su relación con la fibra óptica: Reseña histórica y aplicaciones didácticas”, Revista de Física, 29(3), 34-39 (2015).


          Para saber más:


            • “Experiments with the drinking bird”, J. Güemez, R. Valiente; C. Fiolhais y M. Fiolhais: http://bit.ly/1WKmlS8

            • Aprendizaje Contextualizado de Física y Química:

            http://quim.iqi.etsii.upm.es/vidacotidiana/Inicio.htm


              • Enfriamiento del agua contenida en un botijo:

              http://quim.iqi.etsii.upm.es/vidacotidiana/botijo.htm

              Observaciones:

              Se sugiere que los participantes formulen hipótesis y se discutan antes de realizar los experimentos.