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EXPERIMENTACIÓN ASTROFÍSICA


A mi nieto Gonzalo le ha propuesto su profesor de Física la realización y explicación del experimento que se plantea como sigue [PDF] COHETE MÁS POTENTE - sac.csic.es  :


El objetivo de esta actividad es la demostración práctica de la tercera ley de Newton: “acción- reacción” (que utilizan los cohetes de la NASA). Y repasar conceptos como reacción química y presión.

Para ellos necesitamos: una botella grande de plástico de 1,5 l, un tapón de corcho que se acople bien a la botella, 3 botellines de plástico de 0,5 l, cinta adhesiva, pintura, agua, “gasificante para repostería” (en paquetes de 8 sobres dobles, uno contiene el acidulante -ácido málico y tartárico- y el otro el gasificante -bicarbonato sódico-).

Cogemos una botella de litro y medio vacía y, con cinta adhesiva, le ponemos, lateralmente, tres botellines vacíos; los 4 recipientes quedarán boca abajo de manera que la botella grande quede algo separada del suelo cuando el conjunto se asiente en dicho suelo sobre las bocas de los tres botellines. Pintamos y decoramos el artefacto a nuestro gusto y dejamos secar.

Necesitamos un volumen de agua equivalente al de medio botellín, que verteremos en la botella grande, y cuatro sobres dobles; así tenemos cuatro sobres de bicarbonato sódico y cuatro sobres de ácido. Luego disolvemos los cuatro sobres de bicarbonato sódico en el agua de la botella. Los cuatro sobres del ácido los vaciamos en un trozo de papel secante (sirve muy bien papel higiénico) y lo enrollamos para ponerlo dentro de la botella y tener tiempo de taparla y poner boca abajo todo el conjunto antes de que se produzca la reacción química, que desprenderá dióxido de carbono. Entonces el cohete saldrá lanzado y alcanzará unos 6 o 7 metros de altura.

Gonzalo es un chico muy aplicado que saca buenas notas; le falta aún un par de cursos para ir a la universidad.  A iniciativa suya hemos llegado al acuerdo de que él será mi Mecenas (comprará las botellas, las papelinas y todo lo demás, y yo seré su Vikipedia).


No sé lo que resultará, pero nos lo estamos pasando muy bien. Yo le vikipedio a mi aire para que él extraiga lo que le convenga de mi exumo.


EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO


Disponemos de un volumen  de 1,5 lt (el de la gran botella central) ocupado por 0,25 lt de agua en la que disolvemos, primero, el contenido de 8 sobres de bicarbonato sódico (gasificante) y, a continuación, mediante su empaquetado en papel higiénico enrollado, el contenido de otros 8 sobres de una mezcla de ácidos málico y tartárico (acidulante). Hecha esta operación, tapamos la botella central con un corcho o algo similar, y damos la vuelta al conjunto que ha de quedar apoyado en el suelo sobre las bocas de los tres botellines periféricos.


Un sobre de bicarbonato contiene 3,3 g de éste, y uno de acidulante 2,2 g de la mezcla de ácidos málico y tartárico.


El cierre del tapón será eficaz para conseguir dos cosas: la estanqueidad de la botella, y para retener la presión del gas que se produzca en el interior hasta el límite en que nos convenga tenga lugar la apertura de lanzamiento (la que produzca su cenit a los 6 ó 7 m de altura). Seguramente habrá que tantear el modo de cierre empleando un tapón cónico de corcho blanco (poliestireno expandido). Hecho el tanteo se vio que el plástico no funcionaba, y el corcho sí.


Esto último quiere decir que en el experimento la única variable independiente que hay es la fuerza a aplicar en el tapón al cierre, para que se abra en el momento óptimo; dependiendo de esa fuerza,  tendremos como variable dependiente (o función) la altura que podamos conseguir para la botella en su lanzamiento.


Si apretamos tanto el tapón que producimos un cierre hermético, la botella explotará en el suelo si su plástico no resiste la presión interna (o, si el plástico es muy resistente, la botella aguantará la presión y no ocurrirá nada). En cambio, si lo dejamos muy flojo, el gas irá saliendo al exterior a medida que se vaya produciendo y tampoco producirá efecto impulsor. Variando el apriete entre esos dos extremos obtendremos distintas alturas para el lanzamiento.


Lo que se produce en el interior de la botella es una reacción química del tipo ácido-base con generación de CO2  (dióxido de carbono).         


Está claro que los ácidos málico y tartárico son los ácidos que necesitamos, pero habrá que clarificar que el bicarbonato sódico sea una base, ya que se trata de una sal ácida. Se llama también carbonato ácido de Na; conserva un hidrógeno; sin embargo tiene un ligero sabor alcalino; se comporta como una base, pues tiene un pH>7; se usa para combatir la acidez gástrica.


El pH (potencial de Hidrógeno) es el índice que expresa el grado de acidez o alcalinidad de una disolución. Entre 0 y 7 la disolución es ácida (acidez creciente de 7 a 0), y de 7 a 14, básica (alcalinidad creciente de 7 a 14). Un pH = 7 corresponde a una disolución néutra, el agua p.e. El pH se expresa como


pH = -log [H+]


es decir, el pH es el valor negativo del logaritmo decimal de la concentración de iones Hidrógeno en una disolución.


Se puede obtener un agua alcalina aportando, por ejemplo, a 1 litro de agua una cucharada de bicarbonato. Veamos cómo se materializa todo esto.


Ácido carbónico: CO2 + H2O = CO3H2

Carbonato cálcico: CO3Ca

Carbonato sódico: CO3Na2

Bicarbonato sódico: CO3HNa

Masa molar del bicarbonato sódico = 84 g/Mol = 12 + 3x16 + 1 + 23


Mol o molécula gramo es la cantidad de una sustancia química cuyo peso es su peso molecular expresado en gramos. El peso molecular se compone de la suma de los pesos atómicos de una molécula. Así el del bicarbonato sódico se hace de los pesos atómicos de sus componentes (12 para el Carbono; 16 para el Oxígeno; 1 para el Hidrógeno y 23 para el Sodio).


Decimos que la disolución de una sustancia es ácida cuando lo es predominantemente; análogamente decimos si es alcalina. Y ello porque cualquier disolución (el agua incluida), contiene tanto iones hidrógeno H+ (responsables de la acidez) como iones oxidrilo  (o hidroxilo) OH- (los responsables de la alcalinidad): Unos en cuantía grande y los otros en pequeña. El producto de ambas concentraciones es constante y vale 10-14 (si aumenta una ha de disminuir la otra). Esa constante se llama producto iónico del agua.


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