HACIENDO CRECER CRISTALES
Datos del Proyecto
Descripción de la Experiencia
Para la edición del Programa Profundiza de este año se ha seleccionado un grupo de nueve alumnas y alumnos de 4º de ESO de la asignatura de Física y Química. Un primer objetivo planteado es contribuir en determinados aspectos a la formación científica del alumnado: saber ciencia y saber hacer ciencia, con la finalidad de apoyar con esos saberes su proceso formativo en etapas posteriores y su posible futuro profesional en este ámbito; un segundo objetivo ha sido fomentar posibles vocaciones científicas en las aulas de secundaria.
La estrategia didáctica empleada en el Programa es la realización de actividades de investigación que favorezcan el aprendizaje significativo y ayude al desarrollo de las competencias clave del alumnado. Se pretende que el alumnado descubra así qué es y cómo se lleva a cabo una investigación científica y se enfrente a la solución de problemas tanto previstos inicialmente en las hipótesis de partida como sobrevenidos: analiza, evalúa y actúa. Todo ello creemos que contribuye a la promoción de su autonomía e iniciativa emprendedora, lo motiva ante la búsqueda de una solución viable y al mismo tiempo fomenta y le hace valorar la necesidad de trabajar en equipo para alcanzar unos logros comunes.
Los contenidos que se han abordado son fundamentalmente los siguientes:
- Concepto de cristal.
- Tipos de cristales: iónicos, atómicos, moleculares. Caracterización del tipo de sustancia con el que vamos a trabajar en estas experiencias.
- Sistemas cristalinos. Relación entre el sistema cristalino de cada sustancia y el hábito de cristalización de las sustancias.
- Identificación del sistema en que cristalizan los compuestos que vamos a emplear.
- Datos físico-químicos de las sales usadas: composición y fórmula, peso molecular, si cristaliza o no con agua de cristalización, variación de su solubilidad con la temperatura (curvas de solubilidad), valor de la solubilidad a la temperatura de trabajo del laboratorio, etc.
- Procesos mediante los cuales puede cristalizar una sustancia: procesos físicos (cambios de temperatura, evaporación del disolvente…) y procesos químicos (reacciones de precipitación).
- Influencia del disolvente y de las condiciones físico-químicas del medio de cristalización.
- Procesos de cristalización simultánea: obtención de cristales de dos sustancias a partir de una misma disolución; interrelación entre las dos sales presentes.
- Obtención de cristales “gigantes”.
- Aplicación de técnicas habituales de laboratorio: pesada, disolución, filtrado y purificación de muestras.
- Importancia del trabajo en equipo, mostrando una actitud de escucha activa y respetuosa hacia las aportaciones de los demás pero participando al mismo tiempo con iniciativa propia.
- Importancia de la sistematización y orden en la toma de datos.
- Uso de nuevas tecnologías para compartir datos tomados durante las sesiones experimentales y para construir (mediante un documento compartido en Google Drive) una memoria final del trabajo realizado, así como un póster.
La metodología aplicada intenta reproducir la forma de trabajar de los científicos. Para ello, una vez delimitada las áreas de interés del alumnado participante, se realizó una tarea de documentación bibliográfica (Reyero, Martín, Morcillo, García y Martín, 2008; Reyero, Morcillo, Martín y Martín, 2013), antes de acometer la parte experimental.
En sucesivas sesiones de trabajo, los alumnos y alumnas se dividieron en cuatro grupos, para trabajar con disoluciones de cloruro de sodio, de sulfato de hierro (II), de alumbre de potasio y de sulfato de cobre (II). Las disoluciones se prepararon en las condiciones de saturación adecuadas para que la cristalización tuviese lugar: en general con el disolvente en caliente para favorecer la sobresaturación. Se estudió la variación de la solubilidad con la temperatura y la forma en que los cambios en esta variable afectan a la precipitación de las sales.
Los estudiantes observaron que no todas las sales cristalizaban en el mismo periodo de tiempo, aun habiendo preparado las disoluciones madre en la misma sesión. El análisis de este hecho les llevó a encontrar la solución en las distintas formas en las curvas de solubilidad de cada sal.
El siguiente paso fue que cada grupo seleccionase un cristal con una forma óptima que se usaría como “semilla” para hacerlo crecer en una nueva disolución. Para economizar, se les planteó aprovechar las aguas madre sobrantes del proceso previo. Surgió el problema de volver a saturar la disolución. Ahora no se podía hacer directamente pesando la cantidad necesaria para un determinado volumen de disolvente puro pues las aguas madres son disoluciones más o menos diluidas de la sal correspondiente. Tras debatir entre ellos, plantearon una posible forma de actuar: pesar el cristal obtenido en la primera fase y restar su masa de la cantidad de sal puesta inicialmente para añadir la cantidad restante hasta saturar el volumen de disolución disponible (el volumen de aguas madres o el final al que se ajustase dicho volumen).
Las sales con agua de hidratación (como el sulfato de cobre y el ferroso) plantearon el problema adicional de que por cada mol de sal anhidra necesario, se agregaban de forma involuntaria pero irremediable, una cantidad x de moles de agua, característica de cada sal. Este hecho tenía el efecto de diluir la disolución resultante, lo que observaron los estudiantes al comprobar que por adición de cantidades sucesivas de sal no lograban alcanzar nunca la saturación. Para saber si se habían alcanzado ésta, el indicador era conseguir la formación de un sistema heterogéneo de dos fases: la líquida (constituida por el disolvente y el soluto en saturación) y la sólida, con el exceso de soluto sin disolver. Se encontró la solución a esta dificultad calentando las disoluciones suavemente para concentrarlas por evaporación, pero esto planteó un problema secundario en el caso del sulfato de hierro (II): el color inicial verde esmeralda de la disolución tornaba a verde oliva o incluso a un verde amarillento muy marcado. La posible causa: la inestabilidad del ion ferroso favorece que el oxígeno disuelto en el agua de la disolución lo oxide a hierro (III), responsable del cambio de color. Este proceso es relativamente reversible acidificando la disolución. La adición de pequeñas cantidades de ácido sulfúrico solucionó el problema de forma satisfactoria. Volviendo al problema inicial, la saturación de las disoluciones de cobre y de hierro se consiguió evaporando disolvente de manera controlada en un agitador magnético con placa calefactora (y supervisando constantemente la disolución de hierro).
Al tiempo que las semillas se dejaban crecer, los alumnos y alumnas se plantearon qué pasaría si se ponían dos sales juntas o si se agregaban algunos aditivos a la disolución. Algunos grupos investigaron el primer interrogante y el grupo del alumbre de potasio lo hizo con el segundo.
La mezcla de sales dio pie a un problema interesante que hizo pensar bastante a los estudiantes al fracasar un par de veces en sus intentos: la estrategia seguida fue usar una semilla de una sal en una disolución saturada de otra, para estudiar si la segunda cristalizaba sobre la primera y cómo lo hacía. Pero al hacerlo así, la semilla se disolvía irremediablemente. Por esta causa, perdimos algunos cristales realmente bonitos, lo que ocasionó la frustración del alumnado. Al profesor le dio la oportunidad de mostrarles que la Ciencia se construye de esa forma, a base de errores de los que se puede sacar algún provecho, y que la ciencia de los libros de texto casi nunca muestra la realidad y dificultades del trabajo del científico. La inspiración llegó cuando alguna estudiante del grupo sugirió que la disolución en la que estábamos sumergiendo la semilla estaba saturada en la nueva sal pero no en la que constituía la semilla, lo que favorecía la solubilización de ésta en muy poco tiempo. La solución fue por tanto preparar una disolución saturada en ambas sales (la de la semilla y la nueva) y sumergir luego el cristal que serviría de núcleo de cristalización.
El grupo del alumbre preparó tres disoluciones a las que añadió detergente, zumo y vinagre, respectivamente. Las dos últimas no produjeron resultados destacables. La primera sí, obteniéndose un cristal de forma cúbica casi perfecto, en contra del obtenido en agua pura, que era octaédrico. La ligera alcalinidad del detergente y la ausencia de resultados en medio ácido (vinagre) permitieron a los alumnos plantearse qué pasaría si se prepara la disolución en medio básico fuerte (por ejemplo con amoniaco). Esta modificación, así como averiguar cómo influye la acidez del medio en la forma de cristalización está pendiente de más investigación.
Como en el laboratorio disponíamos de cantidades suficientes de fosfato monoamónico (ADP), decidimos probar la cristalización doble con nuestras sales de partida y ésta última. Se obtuvieron algunos resultados interesantes. Por ejemplo, la mezcla de cloruro sódico con ADP producía las agujas típicas del fosfato sobre las que cristalizaron más tarde cubos de cloruro sódico. La mezcla de sulfato de hierro (II) y ADP dio lugar a una cristalización bastante espectacular. Se llevó a cabo por evaporación del disolvente pues no sabíamos si iba a funcionar o no. Así que dejamos la disolución de ambas sales un poco olvidada mientras seguíamos trabajando en los demás experimentos (anteriormente descritos). Cuando comenzó a haber resultados, lo que parecían cristales de fosfato empezaron a cristalizar de forma dendrítica en el fondo del cristalizador, pero a partir de ahí, una masa de cristales de forma coralina y de color blanco empezó a cristalizar por la pared y creció tanto que incluso llegó a desbordar el recipiente de forma muy notoria.
En el caso del sulfato de cobre, al mezclarlo con el ADP se formó un precipitado amorfo, pulverulento, de color turquesa con un aspecto muy compacto que no ha llegado a cristalizar. Suponemos que ha habido una reacción de doble sustitución, formándose algún fosfato de cobre poco soluble. El producto lo tenemos envasado para intentar caracterizarlo posteriormente.
Una última vía experimental emprendida por los estudiantes es la de obtener cristales de ADP sin colorear y coloreados (esto último, añadiendo a la disolución distintas mezclas de colorantes alimentarios). Este experimento es muy agradecido pues se obtienen resultados espectaculares en prácticamente 48 horas. Los cuatro grupos han constatado que para obtener cristales grandes y bien formados en el caso de esta sal es conveniente que la disolución se enfríe lentamente desde los 80 °C a los que aproximadamente se envasa para su cristalización. En caso de enfriamiento más rápido los cristales obtenidos son más pequeños pero ganan en transparencia y cristalizan en forma de pequeñas masas de agujas (de unos 3 – 4 cm de diámetro) con aspecto erizado, muy bonitas.
Se ha intentado hacer crecer también algunos de los mejores cristales obtenidos de ADP. Para ello hemos tenido que proveernos de arcones de poliestireno expandido en los que poder meter y aislar térmicamente (mediante tiras de papel, virutas de poliestireno y bolsas de aire para embalaje) contenedores de cristalización cada vez mayores.
En la siguiente entrada comentaremos cómo se ha organizado el trabajo de comunicación de resultados, insertaremos el enlace al blog donde se pueden ver diversas imágenes ilustrativas del proceso seguido, así como la memoria y el póster finales.
BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA:
- Reyero, C.; Martín, M.; Morcillo, J. G.; García, E.; Martín, M. T. (2008). Obtención de cristales en niveles no universitarios. Anales de Química, 104(3), 215-219.
- Reyero, C.; Morcillo, J. G.; Martín, M.; Martín, M. T. (2013). Estudio de los factores que influyen en la forma y propiedades de los cristales y propuestas para los estudiantes de profesorado de secundaria en geología. Avances en ciencias e Ingeniería, 4(1), 121-130.
Imagen shutterstock.
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