El caso del misterioso humo

Descripción de la actividad:

Se trata de una actividad basada en la recreación de un truco de magia del siglo XIX dirigido al aprendizaje de la reactividad y nomenclatura química a través de un trabajo práctico investigativo.

 

Marco curricular:

Actividad especilmente adecuada para las materias de Física y Química de 3º y 4º ESO, ya que el estudiante debe saber nombrar y formular combinaciones binarias del hidrógeno, además de tener nociones fundamentales sobre la teoría de colisiones como marco explicativo de las reacciones químicas.

 

Objetivos didácticos:

La actividad didáctica pretende fomentar el uso didáctico de la historia de la ciencia como herramienta para el diseño de estrategias de enseñanza-aprendizaje de la química experimentales y motivadoras, promoviendo que el alumnado:

  • Aprenda a observar críticamente fenómenos sin aparente explicación y a descifrar su fundamento haciendo uso de la ciencia.
  • Reconoza la importancia de los estados de agregación de las sustancias en las reacciones químicas.
  • Reflexione sobre las implicaciones del uso de una denominación u otra en la nomenclatura química.
  • Transite de la observación macroscópica de una reacción química a su interpretación submicroscópica haciendo uso de la teoría de colisiones.
  • Sea capaz de emplear adecuadamente conceptos básicos de química, como el punto de fusión de una sustancia o los diferentes sistemas materiales.
  • Valore el papel que la ciencia ha tenido en la historia de la humanidad, incluyendo su uso lúdico en ciertos contextos sociales como el del siglo XIX.

Pautas para el desarrollo de la actividad:

La experiencia recrea un truco de magia descrito por el químico francés Gaston Tissandier (1843-1899) en su obra Recreaciones científicas o la Física y la Química sin aparatos ni laboratorios. Dicho truco ha sido extraido de la segunda edición en castellano (publicada en 1887) y consiste en un misterioso humo blanco que aparecía en una copa con "agua" tapada. El «mago» expulsaba el humo de tabaco cerca de la copa tapada. Mientras el humo del exterior de la copa se disipaba, de repente comenzaba a aparecer en el interior de la copa. Como detalla el propio Tissandier, la clave del truco reside en que el interior de la copa no alberga agua únicamente. 


En el interior de la copa se había depositado ácido clorhídrico (cloruro de hidrógeno disuelto en agua), de aparecien transparante similar al agua. Asimismo, la parte de la tapa dirigida hacia el interior de la copa estaba impregnada de amoniaco. Con el transcurrir del tiempo, el cloruro de hidrógeno gaseoso y el amoniaco se acumulaban en el interior de la copa, de modo que al colisionar sus moléculas se producía la formación de cloruro de amonio. Se trata de un sólido que queda en suspensión dando lugar al humo blanco que enturbia el interior de la copa y que se asemejaba al humo del tabaco.


Se trata de una experiencia hoy fácilmente reproducible en el laboratorio sustituyendo la copa por un vaso de precipitados y la tapa por un vidrio de reloj.

La recreación didáctica de esta experiencia histórica ha consistido en un proceso de trabajo práctico investigativo estructurado en las siguientes fases:

1) Se plantea la pregunta no investigable: ¿Por qué aparecía el humo en el interior de la copa cuando ya se había disipado el humo en el exterior?

A esta pregunta, el alumnado suele responder diciendo que el humo del tabaco podía atraversar el vidrio de la copa, pero... ¿pasa eso con el vidrio de nuestras ventanas? Con ello se pretende a que el alumno llegue a plantear la hipótesis de que el humo se genera dentro de la copa.

2) Se identifican las potenciales variables, como la auténtica composición del «agua» de la copa o  el tiempo que se ha de esperar a que se forme el humo, así como la propia composición de dicho humo.

En este punto se puede facilitar al alumnado la información de las tres sustancias fundamentales en el proceso que tiene lugar en el interior de la copa con datos como sus puntos de fusión (P.F.) o ebullición (P.E.):

Punto de ebullición del HCl:-85 ºC.

Punto de ebullición del NH3: -33,3 ºC.

Punto de fusión del NH4Cl: 338 ºC.

Con esta información, se espera que el alumnado coliga que los reactivos son el cloruro de hidrógeno y el amoniaco que se encuentran en fase gaseosa y que el producto de la reacción es el cloruro de amonio. Es frecuente que el alumnado indique que el cloruro de amonio formado se encuentra en fase gas pues identifican humo con fase gas. Por ello conviene hacerles reflexionar sobre qué significa que el punto de fusión del cloruro de amonio sea de 338 ºC, lo que les lleva a plantear que debe ser sólido y que las partículas sólidas se quedan "flotando", esto es, se trata de una suspensión.

 

3) Se plantea la pregunta investigable: «¿Qué sucede cuando el cloruro de hidrógeno y el amoniaco se ponen en contacto?»

Al llevar a cabo la reacción directa entre ambos reactivos (vertiendo con sumo cuidado y con ventilación total, el ácido clorhídrico sobre el amoníaco) el alumnado observa que la formación del cloruro de amonio ocurre muy rápidamente (como se observa en la imagen animada), corroborando las explicaciones anteriormente ofrecidas y llegando así a escribir adeucadamente la ecuación química del proceso que tiene lugar:

 

HCl (g) + NH3(g) ---> NH4Cl(s)

 


4) Finalmente, se plantea una pregunta de consolidación: ¿Cómo debemos llamar al HCl en función del experimento realizado?

En este punto, el debate entre el alumnado se sitúa en torno a la disyuntiva «ácido clorhídrico» vs. «cloruro de hidrógeno». En muchos libros de texto suele indicarse que el primer nombre es adecuado cuando hablamos de la disolución acuosa, mientras que el segundo se refiere al compuesto gaseoso. Sin embargo, en la experiencia recreada el HCl actúa como ácido y se encuentra en fase gas, lo que plantea una razonable duda sobre la elección del nombre más adecuado. Según las pautas de la Real Sociedad Española de Química que resumen las Normas IUPAC 2005 de nomenclatura inorgánica para su uso en enseñanza secundaria (disponibles aquí), la denominación correcta en este caso sería cloruro de hidrógeno pues ácido clorhídrico no remite al nombre del compuesto sino a su disolución acuosa. No obstante, la experiencia realizada evidencia que el término ácido clorhídrico para el HCl en disolución acuosa no implica que dicho compuesto no pueda actuar como ácido en otras condiciones, como cuando lo hace en fase gas.

Información adiccional:

 

 

Esta experiencia didáctica fue presentada en el VII Congreso Interncional de Docentes de Ciencia y Tecnología (Madrid, abril de 2022) bajo el título «¿Magia o química? Recreación de un experimento del siglo XIX como estrategia de enseñanza-aprendizaje de la reactividad y la nomenclatura química en ESO» y dará lugar a una publicación de la que se dará cuenta más adelante.