Parte experimental

Mirar, observar...

experimentar

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Temperatura

ºC

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desde 5 cm hasta 10 cm de la llama

Contenidos paraFísica y Química

José Manuel Pereira Cordido. Departamento de Física y Química. IES San Clemente. Santiago

6 cm

    

José Manuel Pereira Cordido Doctor en Ciencias 

Catedrático de Bachillerato del I.E.S. San Clemente. Santiago de Compostela 

                                  Edición 2013 © Gráficos y dibujos: José M. Pereira Cordido  © Fotografías: José M. Pereira Cordido © Vídeo: José M. Pereira Cordido © Realización, edición y diseño: José M. Pereira Cordido                                                                                                                               Publicado en “Nueva Conciencia” IES Bernaldo de Quirós. Mieres del Camino.1979                                                                                                                       Licencia Creative Commons: Reconocimiento‐NoComercial‐SinObraDerivada.                                                                                                             Se permite la difusión del documento reconociendo su autoría                                                                                                             No se permite un uso comercial de la obra original ni la generación de obras derivadas                                                                                                                                                                                                                              

Mirar, observar, experimentar…

Introducción

La realización de una experiencia por sencilla que ésta sea, debe ser-

vir para ejemplarizar el método científico y poner en práctica la observación,

que, complementada con la experimentación, constituyen los pilares del

método característico de las ciencias naturales, puras y aplicadas

La palabra observar tiene en nuestro idioma un significado bien defi-

nido: examinar atentamente (1), acepción que difiere notablemente del sim-

ple hecho de "mirar," Esta enorme diferencia

tiene que ser evidenciada ante nuestro alum-

nado, y antes del planteamiento de cualquier

fenómeno. Por otra parte, las conclusiones a

que se puede llegar tras un examen critico

de los hechos observados y experimenta-

dos son, en general, bien diferentes de las

que resultan del simple relato de algo en que

habíamos fijado la vista

Como ejemplo de lo expuesto, toma-

remos una de las más socorridas experiencias

que se sugieren para alumnos de ESO y cur-

sos elementales del otros tipos de enseñanza:

"Sobre un plato que contiene un poco

de agua, se coloca verticalmente una vela

encendida Al colocar un vaso invertido sobre la vela, el agua asciende

dentro del vaso”

José Manuel Pereira Cordido. Catedrático de Física y Química. IES San Clemente.Santiago.

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Algunos autores sugieren este ejemplo para comprobar la existencia

de la presión atmosférica, otros prefieren utilizarlo como comprobación de

que durante la combustión se "consume" oxigeno. Coinciden, no obstante

en pretender justificar que la e1evación del nivel de agua tiene lugar como

consecuencia del consumo de oxígeno (2).

Nuestra opinión es que -del simple relato- pudiera obtenerse tal con-

clusión, pero de la observación y análisis crítico de

los hechos deben deducirse otras conclusiones.

En efecto:

Si bien es cierto que el agua asciende dentro

del vaso, el consumo de oxígeno no puede ser la

causa determinante, ya que cabe aducir las si-

guientes razones :

a) En el hipotético caso, de que el resu1tado de

la combustión fuese solamente CO2 (gas) y H

2O (va-

por), por cada mol de oxígeno se originarían más moles de productos ga-

seosos.

C6H14 + 9.5 O2 -------> 6 CO2 + 7 H2O +calor

Habría un incremento del volumen, aún en el

caso de que todo el vapor de agua condensase, por la

razón aducida en el punto c).

Los alumnos que sepan un poco de química, de-

ben intentar escribir una reacción de combustión aná-

loga a la de arriba (suponga que fuese cualquier hidro-

carburo) ajustada.

b) En el supuesto .de que la combustión origine

solamente CO2 (gas) y H

20 (vapor) -imposible por las

condiciones en que tiene lugar la reacción-, cada 9 ,5

moles de oxígeno originan 6 moles de CO2 y 7 de agua.

José Manuel Pereira Cordido. Catedrático de Física y Química. IES San Clemente.Santiago.

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Podría concebirse una reducción de volumen si admitimos que todo el

vapor se condensa, pero esta reducción sería imposible por la razón abajo

expuesta.

c) En las situaciones limites arriba expuestas ha de considerar- se

que si el calor .de combustión de la estearina es (3) −∆H

= 2.697 cal.mol-g y puede admitirse para la capaci-

dad calorífica media molar del aire, el va1or (4) cpm =

6.972 cal/mol-g ºK. puede calcularse para el caso b)

un incremento de 800º C en la temperatura del siste-

ma.

Ello compensa con creces la supuesta disminu-

ción de volumen de b) y conduce a que, en las dos po-

sibilidades contempladas, el volumen se incremente.

La situación real incluirá los casos a) y b), no

todo el vapor de agua se condensará y, en virtud de lo

indicado en c), debería de existir un incremento del

volumen.

En definitiva, todo indica que el volumen se

incrementa. Nos preguntamos ¿Entonces que pasa?.

¿Cuál es la razón que justifica que el volumen dis-

minuya y, consecuentemente, el agua ascienda de-

ntro del vaso?

Nuestra propuesta

Todas las consideraciones precedentes no permiten justificar el

ascenso del agua, en consecuencia, decidimos realizar la experiencia para

averiguar la razón del ascenso. Las figuras de las páginas anteriores son las

secuencias de la experiencia.

José Manuel Pereira Cordido. Catedrático de Física y Química. IES San Clemente.Santiago.

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Al hacerla observamos y, entre otros, hemos anotado los siguientes

hechos :

1.- Al colocar el vaso invertido sobre la vela, casi inmediatamente se

desprenden una o dos grandes burbujas de gas,

luego el agua asciende muy lentamente mientras la

vela permanece encendida.

2.-Cuando ésta se apaga tiene lugar un brus-

co ascenso del agua, unas seis veces mayor que el

anterior.

3.- Se observan humos, se condensa algo de

vapor de agua, y al retirar el vaso se puede notar

que está templado y un notable y característico olor

a acroleína.

El paso siguiente ha sido repetir la experien-

cia utilizando un tubo de vidrio de cinco centímetros de diámetro y 30 cen-

tímetros de longitud tal como se esquematiza en la figura de la izquierda.

Un extremo se cerró mediante un tapón de caucho provisto de dos

orificios (uno en el, centro y otro en el borde), a través de los que podían

penetrar sendos termómetros. Colocamos una pequeña escala dividida en

milímetros adherida al tubo, con el cero de la escala en el borde del otro

extremo del tubo.

En el transcurso de veinte experiencias comprobamos que los ascen-

sos oscilaban entre 6,0 y 7,0 centímetros, y que los valores de dichas eleva-

ciones no parecían depender de la cantidad de aire, que siempre salía por

la parte inferior del tubo.

José Manuel Pereira Cordido. Catedrático de Física y Química. IES San Clemente.Santiago.

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Para comprobarlo, repe-

timos otras tantas veces la ex-

periencia, colocando primera-

mente el tubo y cerrando lue-

go con el tapón el extremo

del tubo.

Operando de este modo,

no se desprenden burbujas, y a

pesar de que la cantidad de aire encerrada se había reducido en un 10 por

100, las elevaciones observadas oscilaban también entre 6,0 y 7,0 centíme-

tros.

Durante todas las experiencias, medimos el tiempo que permanecía la

vela encendida, oscilando entre 4,5 segundos (ascenso, seis centímetros) y

22 segundos (ascenso, 6,2 centímetros).

De todo ello hemos deducido que no existe correlación alguna en-

tre la cantidad de oxígeno que interviene en la combustión, y los ascen-

sos observados; a pesar de que, curiosamente, la desaparición del 21 por

100 del aire del tubo (la absoluta totalidad del oxígeno) originaría precisa-

mente un ascenso de seis centímetros.

Pero también hemos concluido que la dilatación del aire es la causa

determinante de que se escapen las burbujas, y bien podría ser que el

brusco enfriamiento de los gases al apagarse la llama provocase el as-

censo.

Para comprobarlo y dado que, por la «inercia» de los termómetros de

mercurio y la brevedad del fenómeno, las indicaciones de éstos eran de sólo

una decena de grados sobre la temperatura inicial, procedimos a realizar

una medida de la temperatura de los gases en la vertical de la llama.

Los resultados se representan en la figura 1 y cada punto representa

la media de diez medidas.

Como es sabido, aún a una elevada distancia de la llama, la tempera-

tura de los gases es muv elevada.

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50

100

150

200

250

300

350

Temperatura ºC

1 2 3 4

desde 5 cm hasta 10 cm de la llama

José Manuel Pereira Cordido. Catedrático de Física y Química. IES San Clemente.Santiago.

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Comprobamos…y concluimos

Después de las consideraciones teóricas y las comprobaciones que

hemos realizado, concluimos que al colocar el vaso sobre la llama, no hace-

mos otra cosa que «llenarlo» de un gas muy ,caliente (estimamos que

próximo a 100° C) y que se mantiene a esta temperatura mientras permane-

ce la vela encendida. Al apagarse, se origina un rápido enfriamiento y

consiguiente disminución del volumen; ello

provoca el ascenso observado.

Todo ello está en ,buen acuerdo con

nuestras anotaciones sobre el hecho observado,

pero es oportuno el comprobarlo.

A este fin, colocamos el mismo tubo

empleado en anteriores experiencias, sobre la

misma llama, llenándolo de gases resultado de la

combustión. Al hacerlo descender sobre la llama, y

repleto de gases calientes de la combustión,

conseguimos casi siempre que la llama de la

vela se extinguiese antes de que el borde

inferior del tubo tocase el agua.

Haciendo así la experiencia y, repitiéndola

unas veinte veces, observamos que los ascensos eran idénticos -dentro de

nuestros límites de error- a los de anteriores experiencias.

Terminamos afirmando que por lo hasta aquí expuesto, creemos bien

probado que es la contracción de los gases, ocasionada por el enfria-

miento de éstos, la causa determinante del ascenso y que tanto las con-

sideraciones teóricas como las pruebas experimentales aportadas no

permiten relacionar dicho ascenso con el consumo de oxígeno.

Nos parece pues, una excelente manera de comprobar que los gases

al enfriarse se contraen. Nada más

José Manuel Pereira Cordido. Catedrático de Física y Química. IES San Clemente.Santiago.

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Referencias:

I) Diccionario de la Lengua Española. Real Academia Española, 19 edi-

ción, página 933. Editorial Espasa Calpe. Madrid 1970.

2) «Los temas de Física en la segunda etapa de E. G. B.». Ideas y

orientaciones para el profesor. Vol. 1, página 43. Instituto de Ciencias de la

Educación de la Universidad de Santiago, 1978.

3) A. O. HOUGEN, K. M. WATSON, R. A. RAGATZ, «Principios de los

procesos químicos». Vol. 1, página 323. Ed. Reverté, Barcelona, 1964.

José Manuel Pereira Cordido. Catedrático de Física y Química. IES San Clemente.Santiago.