22 julio 2015

La vela que hace subir el agua

Es muy conocido el experimento casero para niños de la vela que hace ascender el agua dentro de un vaso. Pero, la explicación que se suele dar de esta experiencia en la mayoría de los casos resulta incorrecta.

Veamos primero de qué se trata. Para realizar el experimento se necesitan unos pocos materiales que muy fácilmente se encuentran en cualquier casa.

Los materiales necesarios son:

Materiales:
1. Un plato hondo con agua.
2. Una vela.
3. Un vaso.
4. Colorante (opcional).

Las instrucciones a seguir también son muy sencillas:

Instrucciones:
1. Llenar el plato con agua (si quiere puede agragarle colorante para visualizar mejor el efecto).
2. Encender la vela y la colocarla dentro del plato de manera que el agua no toque la llama.
3. Colocamos un vaso encima de la vela de modo que la cubra.
4. Esperar unos segundos y observar que la llama se apaga y que el agua entra en el vaso.

A continuación el video que muestra la experiencia en marcha:

Impresionante ¿no? Ahora veamos la explicación que se suele encontrar en distintos sitios de internet de experimentos caseros y de Físicoquímica: 1, 2, 3, 4 y 5 sobre este fonómeno.

Tomemos una como ejemplo:

"Al encender la vela se produce una reacción de combustión: la cera de la vela reacciona con el oxígeno del aire y produce dióxido de carbono y vapor de agua. Podemos ver que en el interior del vaso aparecen unas gotitas de agua. Es el vapor de agua producido en la combustión de la vela que se condensa en las paredes del recipiente. En la reacción se consume un gas, el oxígeno que forma parte del aire, pero se forman otros dos, el dióxido de carbono y el vapor de agua. El volumen del gas producido es más pequeño que el volumen de oxígeno que se consume. El resultado es que en el interior del vaso disminuye la presión y, por ello, sube el agua hasta que la presión interior es igual a la exterior (presión atmosférica)."

O esta otra:

" ¿Y por qué sube el agua? Porque al consumirse el oxígeno la presión atmosférica en el exterior es mayor que en el interior y empuja el agua hacia dentro del vaso. Pero... ¿y el CO₂ y H₂O producidos no ocupan el lugar del oxígeno? Sí, pero está claro que no lo ocupa todo. Se puede explicar porque el vapor de agua condensa en las paredes del vaso (vaso empañado) y porque en la estequiometría de la reacción se produce menos CO₂ que el O₂ que reacciona (comprobar en la reacción antes mencionada que por cada mol de cera se consumen 44 volúmenes de O₂ y se producen solo 29 de CO₂ ). "

Estas explicaciones del experimento no son correctas, o al menos no del todo correctas. Veamos por qué:

Es cierto que al encender la vela se produce una reacción química de combustión entre la parafina de la vela (C₂₉H₆₀) y el oxígeno (O₂) propio del aire que hay dentro del vaso. El combustible de la vela encendida reacciona con el oxígeno que hay dentro del vaso, produciendo dióxido de carbono (CO₂) en la proporción de una molécula de dióxido de carbono por cada dos moléculas de oxígeno. Además, otro producto de la combustión es el agua (H₂O). La reacción sería así:

C₂₉H₆₀ + 44 O₂ → 29 CO₂ + 30 H₂O
La Ley de Avogadro nos dice que un número igual de moléculas siempre ocupa un mismo volumen si la presión y la temperatura no varían. Por lo tanto, el consumo de oxígeno por sí solo no puede modificar la presión del gas contenido en el vaso.

El causante verdadero de este resultado de este experimento es una causa bien distinta y no se trata de un fenómeno químico, sino que se trata de un fenómeno físico.


Al encender la vela, además de la combustión antes mencionada, el aire dentro del recipiente se calienta (aumenta su temperatura). Al aumentar la temperatura (debido a la llama) y como el volumen del vaso no cambia, entonces, debe aumentar la presión del gas dentro del recipiente según la Ley de Gay-Lussac, y parte de ese gas dilatado sale por la parte inferior del vaso como pequeñas burbujas hasta que la presión del aire caliente contenido en el recipiente iguale la presión del aire exterior (presión atmosférica).

Cuando la vela se apaga por falta de oxígeno, el aire dentro del recipiente se empieza a enfriar y la presión del gas dentro del recipiente disminuye (de nuevo por la ley de Gay-Lussac). Como ahora la presión exterior (atmosférica) es mayor que dentro del recipiente, el aire exterior empuja al agua (ejerce una fuerza desde el exterior hacia el interior) debido a la diferencia de presiones entre el interior y exterior. El agua entra al vaso y asciende comprimiendo el aire dentro del recipiente, reduciendo su volumen (por Ley de Boyle-Mariotte) y aumentando la presión, hasta que la presión del gas dentro del vaso iguale a la presión atmosférica.
¿Cómo se explica la ley de Gay-Lussac? Es decir: ¿por qué el aire caliente está a una presión mayor y cuando se enfría la presión disminuye? La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de una sustancia. Si aumenta la temperatura, las moléculas tendrán mayor energía cinética, es decir mayor velocidad. Entonces, las moléculas chocarán contra las paredes del recipiente a mayores velocidades ejerciendo una presión mayor.


Para terminar, podemos comprobar si lo que expusimos es correcto de la siguiente manera. Levantamos el vaso del plato y calentamos el interior del vaso con la vela, de modo que el aire se renueve y no se consuma el oxígeno. Simplemente estaremos calentando el aire en el interior del vaso durante un buen rato, sin que se apague la llama. Cuando ya está bien caliente, retiramos la vela y colocamos el vaso calentado sobre el plato con agua, rápidamente, pero sin colocar la vela adentro. Cuando el aire en el interior del vaso se enfría, veremos el mismo efecto: agua sube por el vaso igual que antes, pero en este caso no hay vela adentro y por lo tanto podemos descartar a la combustión (proceso químico) como el causante de este fenómeno.

Tomado de: http://mitosytimos.blogspot.com.ar/2012/04/la-vela-que-hace-subir-el-agua.html