Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12
10Identificar sustancias
En el escenario de un pequeño misterio aparece una nota arrugada, escrita con rotulador negro, y en tres bolsas distintas se encuentran tres rotuladores. A simple vista, las tres tintas tienen el mismo negro. A un químico forense le bastan una tira de papel, un poco de agua y media hora para decir qué rotulador escribió la nota. Los químicos no identifican las sustancias por su aspecto, sino por cómo se comportan en un ensayo elegido para ellas.
Lo que ya sabes
Una especie química es una clase concreta de sustancia; una sustancia pura contiene una sola especie, y una mezcla, varias (Capítulo 8). Unas sustancias se disuelven bien en un disolvente y otras poco o nada: cada una tiene su propia solubilidad (Capítulo 9).
10.1 Qué es un ensayo característico
Definición 10.1 (Ensayo característico y reactivo)
Un ensayo característico de una especie química es un experimento sencillo que da un resultado visible con esa especie, y no con las demás que pueden aparecer en la misma situación. Utiliza una sustancia elegida para ello, el reactivo.
Método 10.2 (Realizar un ensayo característico)
- Tomar una pequeña muestra de la sustancia que se quiere ensayar.
- Añadir el reactivo, o ponerlo en contacto con la muestra, como indica el ensayo.
- Observar: un cambio de color, una turbidez, una llama, un sonido.
- Concluir: el ensayo es positivo si aparece el resultado esperado, y negativo si no aparece.
- Hacer el mismo ensayo con una muestra que se sabe que no contiene la especie (un ensayo en blanco): debe salir negativo; si no, el resultado no demuestra nada.
10.2 Cuatro ensayos clásicos
Proposición 10.3 (El dióxido de carbono enturbia el agua de cal)
El agua de cal es una disolución transparente e incolora. Cuando se hace burbujear dióxido de carbono a través de ella, se vuelve lechosa, de un blanco turbio. El aire espirado con una pajita enturbia el agua de cal; el aire fresco bombeado a través de ella apenas la enturbia.
Proposición 10.4 (El agua vuelve azul el sulfato de cobre anhidro)
El sulfato de cobre anhidro es un polvo blanco. Una gota de agua lo vuelve azul al instante. El ensayo muestra que hay agua, en un líquido o en un sólido húmedo; no muestra que el líquido sea agua pura.
Seguridad
Sulfato de cobre: nocivo en caso de ingestión e irritante para la piel (GHS07); puede causar lesiones oculares graves (GHS05); muy tóxico para los organismos acuáticos, con efectos duraderos (GHS09). Gafas y guantes; los residuos se recogen y nunca se tiran por el fregadero.
Proposición 10.5 (El oxígeno reaviva una astilla incandescente)
Se enciende una astilla de madera y luego se sopla para apagarla, de modo que solo quede una brasa roja. Introducida en un tubo de ensayo con oxígeno, la astilla incandescente vuelve a arder con llama.
Proposición 10.6 (El hidrógeno arde con una pequeña detonación)
Una astilla encendida acercada a la boca de un tubo de ensayo pequeño con hidrógeno produce un “pop” breve y agudo: el hidrógeno arde de golpe con el oxígeno del aire.
Seguridad
Hidrógeno: gas extremadamente inflamable (GHS02), almacenado a presión en botellas (GHS04). El ensayo del pop se hace solo con unos pocos mililitros, y lo hace el profesor.
10.3 La cromatografía en papel
Definición 10.7 (Cromatografía en papel y cromatograma)
La cromatografía en papel separa los colorantes de una mezcla. Se pone una pequeña mancha de la mezcla sobre una línea trazada cerca de la parte de abajo de una tira de papel; el extremo inferior de la tira se sumerge en un disolvente, que sube despacio por el papel y arrastra cada colorante, unos más deprisa que otros. Cuando el disolvente ha subido casi hasta arriba, se saca la tira y se seca: es el cromatograma.
Método 10.8 (Leer un cromatograma)
- Contar las manchas que hay encima de cada punto de partida: una mancha, un colorante; dos manchas o más, una mezcla de colorantes.
- Comparar alturas: en un mismo cromatograma, un colorante sube siempre hasta la misma altura. Una mancha a la misma altura que un colorante conocido es probablemente ese colorante.
- Trazar la línea con lápiz, nunca con tinta: el disolvente también separaría la tinta.
Ejemplo 10.9 (Los colorantes de los caramelos)
Se raspa la cobertura de colores de unos caramelos en un poco de agua y se pone en manchas sobre una tira, junto a manchas de los colorantes alimentarios autorizados en las golosinas. El cromatograma muestra que la cobertura verde contiene un colorante amarillo y otro azul, ambos entre los colorantes autorizados.
10.4 Leer una tabla de ensayos
Proposición 10.10 (Una tabla de ensayos característicos)
Los químicos reúnen los ensayos que usan en una tabla, una tabla de ensayos, que se lee de izquierda a derecha:
| especie buscada | reactivo o ensayo | resultado positivo | |
|---|---|---|---|
| dióxido de carbono | agua de cal | el agua de cal se enturbia | |
| agua | sulfato de cobre anhidro | de blanco pasa a azul | |
| oxígeno | astilla incandescente | la astilla vuelve a arder | |
| hidrógeno | astilla encendida | un pop agudo | |
| colorantes de una mezcla | cromatografía en papel | una mancha por colorante |
Observación 10.11 (Lo que un ensayo no dice)
Un ensayo positivo demuestra que la especie está presente, no que esté sola: un líquido que vuelve azul el sulfato de cobre contiene agua, pero puede ser agua salada o zumo de naranja. Un ensayo negativo solo dice que la especie no está, o que está en una cantidad demasiado pequeña para notarse.
10.5 Ejercicios
Ejercicio 10.1 ★
¿Qué ensayo identifica el dióxido de carbono? Describe su resultado positivo.
Solución
Solución de Ejercicio 10.1.
El ensayo del agua de cal: se hace burbujear el gas a través de agua de cal transparente, que se enturbia si el gas es dióxido de carbono.
Ejercicio 10.2 ★
Un polvo blanco se vuelve azul cuando se le echa un líquido. ¿Qué muestra esto sobre el líquido?
Solución
Solución de Ejercicio 10.2.
El polvo es sulfato de cobre anhidro, y el líquido contiene agua.
Ejercicio 10.3 ★
Se introduce una astilla incandescente en un frasco de gas y vuelve a arder con llama. ¿Qué gas contiene el frasco?
Solución
Solución de Ejercicio 10.3.
Oxígeno.
Ejercicio 10.4 ★
¿Por qué la línea de partida de un cromatograma en papel se traza con lápiz y no con tinta?
Solución
Solución de Ejercicio 10.4.
El lápiz no se disuelve en el disolvente. Una línea de tinta sería arrastrada hacia arriba y separada, y estropearía el cromatograma.
Ejercicio 10.5 ★★
¿Por qué la línea de partida tiene que quedar por encima del nivel del disolvente en el vaso?
Solución
Solución de Ejercicio 10.5.
Si la mancha quedara por debajo del disolvente, los colorantes se disolverían en el disolvente del vaso en lugar de subir por el papel.
Ejercicio 10.6 ★★
El cromatograma de una tinta verde muestra dos manchas, una a la altura de un colorante amarillo de referencia y otra a la altura de un colorante azul de referencia. ¿Es la tinta verde una sustancia pura? ¿De qué está hecha?
Solución
Solución de Ejercicio 10.6.
No, es una mezcla de dos colorantes: probablemente el colorante amarillo y el colorante azul de las referencias.
Ejercicio 10.7 ★★
Con la tabla de ensayos, ¿qué ensayo usarías para mostrar que el gas que desprende una reacción es hidrógeno? ¿Qué esperas ver?
Solución
Solución de Ejercicio 10.7.
Recoger un poco del gas en un tubo de ensayo y acercar una astilla encendida a su boca: un pop agudo indica hidrógeno.
Ejercicio 10.8 ★★
El aire espirado enturbia el agua de cal mucho más deprisa que el aire fresco. ¿Qué nos dice esto sobre el aire que espiramos?
Ejercicio 10.9 ★★
Un líquido transparente vuelve azul el sulfato de cobre anhidro. Sam concluye: “Es agua pura”. Explica por qué Sam se equivoca.
Solución
Solución de Ejercicio 10.9.
El ensayo muestra que hay agua, no que esté sola: el agua salada, un zumo o cualquier mezcla acuosa también volverían azul el polvo.
Ejercicio 10.10 ★★
Mira el cromatograma de la tinta negra de este capítulo. ¿Cuántos colorantes contiene la tinta? ¿Cuál subió más alto?
Solución
Solución de Ejercicio 10.10.
Tres colorantes (tres manchas). El colorante amarillo es el que subió más alto.
Ejercicio 10.11 ★★★
Tres frascos contienen oxígeno, hidrógeno y dióxido de carbono, pero han perdido las etiquetas. Planifica, sobre el papel, los ensayos que permitirían identificar cada frasco, en un orden que use el menor número posible de ensayos.
Solución
Solución de Ejercicio 10.11.
Por ejemplo: una astilla incandescente en cada frasco; el que la reaviva contiene oxígeno. En los otros dos, una astilla encendida en la boca: un pop agudo indica hidrógeno. El último frasco contiene dióxido de carbono (se puede confirmar con agua de cal). Bastan dos o tres ensayos.
Ejercicio 10.12 ★★★
Un alumno ensaya un gas con agua de cal y no ve que pase nada. Da dos explicaciones posibles, y el ensayo de control que ayudaría a decidir.
Solución
Solución de Ejercicio 10.12.
Puede que el gas no contenga dióxido de carbono, o que contenga demasiado poco para notarse en ese tiempo. Un ensayo de control con aire espirado, que se sabe que contiene dióxido de carbono, comprueba que el agua de cal funciona.
10.6 Problema: La nota falsificada
Problema 10.1
Problema de fin de semana — una nota escrita con rotulador, tres rotuladores sospechosos, tres botellas de gas sin etiqueta y una tabla de ensayos
Se pide al laboratorio de un instituto que ayude a resolver dos pequeños misterios. Primero, hay que relacionar una nota escrita con rotulador negro con uno de tres rotuladores negros, 1, 2 y 3 (rot. 1, rot. 2 y rot. 3 en la figura). Se toma una gota de tinta de la nota y de cada rotulador y se ponen en manchas sobre la misma tira de papel, que después se revela con agua. El cromatograma se muestra a continuación.
Parte I — El cromatograma.
- ¿Por qué se pusieron las cuatro tintas en la misma tira y se revelaron juntas?
- ¿La tinta de la nota es una sustancia pura o una mezcla? Explícalo.
- ¿Cuántos colorantes contiene la tinta del rotulador 1? ¿Pudo el rotulador 1 escribir la nota?
- El rotulador 3 también contiene tres colorantes. ¿Por qué no pudo escribir la nota?
- ¿Qué rotulador corresponde a la nota? Explícalo con las alturas de las manchas.
Parte II — Tres botellas de gas. El segundo misterio: tres pequeñas botellas, X, Y y Z, han perdido las etiquetas; contienen oxígeno, hidrógeno y dióxido de carbono. Se recoge un poco de gas de cada una en un tubo de ensayo. El gas X reaviva una astilla incandescente. El gas Y produce un pop agudo con una astilla encendida. El gas Z enturbia el agua de cal.
- Nombra el gas X.
- Nombra el gas Y.
- Nombra el gas Z.
- Antes de ensayar el gas Z, el alumno hace burbujear aire normal a través de la misma agua de cal durante el mismo tiempo, y sigue transparente. ¿Cómo se llama este segundo ensayo, y qué añade a la conclusión?
Parte III — La tabla de ensayos.
- Un líquido incoloro encontrado junto a la nota vuelve azul el sulfato de cobre anhidro. Escribe la línea de la tabla de ensayos utilizada y lo que muestra el resultado.
- ¿Demuestra este resultado que el líquido es agua pura? Explícalo.
- Concluye el primer misterio: ¿cuántos colorantes contiene la tinta de la nota, y qué rotulador la escribió?
Solución
Solución de Problema 10.1.
1. Para que las condiciones (papel, disolvente, tiempo) sean las mismas para las cuatro: solo así se pueden comparar las alturas de las manchas.
2. Una mezcla: su tinta da tres manchas separadas, tres colorantes.
3. Dos colorantes. No: la tinta de la nota tiene tres colorantes, y el rotulador 1 no tiene ni el colorante rojo ni el amarillo.
4. Sus tres manchas no están a las mismas alturas que las de la nota: son tres colorantes distintos.
5. El rotulador 2: sus tres manchas están exactamente a las alturas de las tres manchas de la nota.
6. Oxígeno.
7. Hidrógeno.
8. Dióxido de carbono.
9. Un ensayo en blanco (un control). Muestra que el agua de cal no se enturbia sola, ni con aire normal en ese tiempo: así que la turbidez con el gas Z se debe de verdad al dióxido de carbono.
10. “Agua — sulfato de cobre anhidro — de blanco pasa a azul”: el líquido contiene agua.
11. No. Un ensayo positivo muestra que hay agua, no que no haya nada más: el líquido podría ser una disolución u otra mezcla acuosa.
12. La tinta de la nota contiene 3 colorantes, y fue el rotulador 2 el que escribió la nota.