Un protocolo: vinagre y tiza
Lo que vas a aprender
- Diseñar un protocolo con pregunta, hipótesis, materiales, pasos, seguridad, registro y conclusión para averiguar si mezclar vinagre con tiza y agua con tiza produce un cambio físico o químico.
- Explicar para qué sirve comparar dos vasos que solo se diferencian en el líquido.
- Calcular la pérdida de masa de un vaso abierto y explicarla con el gas que escapa.
- Justificar la conclusión del experimento con las evidencias observadas.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Si echas un pedazo de tiza en vinagre, ¿pasa lo mismo que si lo echas en agua? Podrías adivinar, pero en ciencias una pregunta así se responde con un experimento bien planeado: uno que cualquier compañero pueda repetir y que deje evidencias claras para decidir.
El plan escrito de ese experimento se llama protocolo. En esta lección vas a diseñar uno para averiguar si mezclar vinagre con tiza y agua con tiza produce un cambio físico o uno químico. Lo que aprendas sirve para cualquier pregunta que quieras investigar después: qué tiene que llevar el plan, cómo se compara de manera justa y cómo se escribe una conclusión que se apoye en lo que se vio y se midió.
Explicación
Las partes de un protocolo
Un protocolo se escribe antes de mezclar nada y tiene estas partes:
- Pregunta: lo que queremos averiguar.
- Hipótesis: lo que creemos que va a pasar y por qué.
- Materiales: todo lo que se necesita, con cantidades.
- Pasos: en orden, claros, para que otro grupo los pueda seguir igual.
- Seguridad: los cuidados que no se negocian.
- Registro: la tabla donde se anotan las observaciones y las medidas.
- Conclusión: la respuesta a la pregunta, con las evidencias que la apoyan.
La pregunta y la hipótesis
Nuestra pregunta es: ¿se forma una sustancia nueva al mezclar tiza con vinagre? ¿Y al mezclarla con agua? Una hipótesis posible: «si la tiza reacciona con el vinagre, veremos burbujas de un gas y el vaso abierto perderá masa; con agua no habrá burbujas que duren ni cambio de masa». La hipótesis no tiene que acertar: el experimento la pone a prueba.
Una comparación justa
Se preparan dos vasos iguales en todo menos en una cosa: el líquido. El vaso A lleva vinagre y el vaso B, la misma cantidad de agua. Los dos reciben un pedazo de tiza del mismo tamaño, al mismo tiempo y a la misma temperatura. El vaso B es el vaso de control: si solo en el vaso A pasa algo, sabemos que la causa es el vinagre y no la tiza ni el hecho de mojarla.
Materiales
Dos vasos transparentes marcados A y B, vinagre de cocina, agua, dos pedazos iguales de tiza blanca, una cuchara, un reloj, una balanza digital que mida décimas de gramo (0,1 g), como la del laboratorio del colegio, gafas de seguridad para cada integrante, toallas de papel y la hoja del registro. Una balanza de cocina, que marca de gramo en gramo, no alcanza a ver la masa del gas que escapa, que es de uno o dos gramos.
Un detalle importante: la tiza tradicional es de carbonato de calcio, CaCO₃, pero hay tizas hechas de yeso, otro material que con vinagre casi no hace burbujas. Por eso el docente prueba la tiza antes de la clase. Si no sirve, la cáscara de huevo triturada, que también es sobre todo carbonato de calcio, la reemplaza.
Pasos
- Ponerse las gafas y despejar la mesa.
- Echar la misma cantidad de vinagre en el vaso A y de agua en el vaso B.
- Pesar cada vaso con su líquido y, aparte, cada pedazo de tiza. Anotar.
- Echar la tiza en cada vaso al mismo tiempo, sin tapar los vasos.
- Observar durante diez minutos y anotar lo que se ve: burbujas, tamaño de la tiza, turbidez, temperatura al tacto del vaso.
- A los diez minutos, pesar otra vez cada vaso con lo que tiene adentro. Un pedazo de tiza puede seguir burbujeando mucho más tiempo; lo que importa es pesar los dos vasos al mismo tiempo.
Seguridad
Todo se hace con el docente, con gafas y en vasos abiertos: si un recipiente se tapa, el gas se acumula y puede hacer saltar la tapa. No se prueba ni se huele de cerca ninguna mezcla. Al terminar, los líquidos se botan por el desagüe con agua y se lavan las manos. En la casa no se repite con otras sustancias: hay productos de limpieza que, al mezclarse, sueltan gases peligrosos.
Lo que se observa y lo que significa
En el vaso A salen burbujas que no paran durante un buen rato, la tiza se va deshaciendo y, al final, la balanza marca menos. Esas burbujas son de un gas que no estaba al principio: el carbonato de calcio reacciona con el ácido acético del vinagre.
$$\mathrm{CaCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow Ca(CH_3COO)_2 + H_2O + CO_2}$$
El acetato de calcio, Ca(CH₃COO)₂, queda disuelto en el líquido, y el dióxido de carbono, CO₂, se va al aire. Como el vaso está abierto, la balanza deja de pesar ese gas: la masa que «falta» es la del CO₂ que escapó, no masa destruida.
En el vaso B la tiza se moja, se ablanda y puede soltar unas pocas burbujas al comienzo: es el aire que tenía guardado en sus poros, y se acaban enseguida. No hay efervescencia que dure, la tiza sigue siendo tiza y la masa no cambia. Es un cambio físico.
La conclusión
Una buena conclusión responde la pregunta y nombra las evidencias: «Al mezclar tiza con vinagre hubo un cambio químico, porque salió un gas durante varios minutos, la tiza se deshizo y el vaso abierto perdió masa por el gas que escapó. Con agua hubo un cambio físico: no hubo burbujas que duraran y la masa no cambió».
Ejemplo resuelto
La ecuación de la tiza en vinagre
Comprueba que la ecuación CaCO₃ + 2CH₃COOH → Ca(CH₃COO)₂ + H₂O + CO₂ tiene los mismos átomos de cada elemento a los dos lados.
Ver la solución paso a paso
Calcio: uno en el CaCO₃ y uno en el acetato de calcio.
$$\text{átomos de Ca en }\mathrm{CaCO_{3}} = \text{átomos de Ca en }\mathrm{Ca(CH_{3}COO)_{2}}$$
Carbono: uno en el carbonato y dos en cada una de las dos moléculas de ácido acético; a la derecha, el paréntesis del acetato multiplica por dos sus dos carbonos, y hay uno más en el CO₂.
$$\text{átomos de C en }\mathrm{CaCO_{3}} + 2 \cdot \text{átomos de C en }\mathrm{CH_{3}COOH} = \text{átomos de C en }\mathrm{Ca(CH_{3}COO)_{2}} + \text{átomos de C en }\mathrm{CO_{2}}$$
Hidrógeno: cuatro en cada ácido acético; a la derecha, seis en el acetato y dos en el agua.
$$2 \cdot \text{átomos de H en }\mathrm{CH_{3}COOH} = \text{átomos de H en }\mathrm{Ca(CH_{3}COO)_{2}} + \text{átomos de H en }\mathrm{H_{2}O}$$
Oxígeno: tres en el carbonato y dos en cada ácido; a la derecha, cuatro en el acetato, uno en el agua y dos en el CO₂.
$$\text{átomos de O en }\mathrm{CaCO_{3}} + 2 \cdot \text{átomos de O en }\mathrm{CH_{3}COOH} = \text{átomos de O en }\mathrm{Ca(CH_{3}COO)_{2}} + \text{átomos de O en }\mathrm{H_{2}O} + \text{átomos de O en }\mathrm{CO_{2}}$$
Los cuatro elementos cuadran:
$$\mathrm{CaCO_{3} + 2CH_{3}COOH \rightarrow Ca(CH_{3}COO)_{2} + H_{2}O + CO_{2}}$$
Respuesta: Está balanceada: 1 átomo de Ca, 5 de C, 8 de H y 7 de O a cada lado.
Ejemplo resuelto
La masa de los reactivos y de los productos
Con las masas de los átomos redondeadas (H = 1, C = 12, O = 16, Ca = 40), compara la masa de los reactivos con la de los productos en CaCO₃ + 2CH₃COOH → Ca(CH₃COO)₂ + H₂O + CO₂.
Ver la solución paso a paso
La masa del carbonato de calcio, sumando sus átomos:
$$M_m\left(\mathrm{CaCO_{3}}\right) = 40 + 12 + 3 \cdot 16$$
Y la del ácido acético, con dos carbonos, cuatro hidrógenos y dos oxígenos:
$$M_m\left(\mathrm{CH_{3}COOH}\right) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 + 2 \cdot 16$$
Masa de los reactivos: un carbonato y dos moléculas de ácido acético.
$$M_m\left(\mathrm{CaCO_{3}}\right) + 2 \cdot M_m\left(\mathrm{CH_{3}COOH}\right)$$
Da:
$$220$$
Masa de los productos:
$$M_m\left(\mathrm{Ca(CH_{3}COO)_{2}}\right) + M_m\left(\mathrm{H_{2}O}\right) + M_m\left(\mathrm{CO_{2}}\right)$$
Da lo mismo. Si el CO₂ no escapara, la balanza no cambiaría:
$$220$$
Respuesta: Los reactivos y los productos suman 220 u cada uno: la masa se conserva.
Ejemplo resuelto
Leer el registro del experimento
Un grupo anotó estas masas (inventadas). Vaso A: vaso con vinagre 150 g y tiza 5 g; al final, 153,8 g. Vaso B: vaso con agua 150 g y tiza 5 g; al final, 155 g. ¿Cuánta masa perdió cada vaso y qué significa?
Ver la solución paso a paso
Masa inicial de cada vaso, con su tiza:
$$150 + 5$$
Da:
$$155$$
Lo que perdió el vaso A:
$$155 - 153{,}8$$
Son:
$$1{,}2$$
Lo que perdió el vaso B:
$$155 - 155$$
Nada:
$$0$$
El vaso A perdió la masa del CO₂ que escapó al aire: hubo un gas nuevo, evidencia de un cambio químico. En el vaso B la masa no cambió y no hubo efervescencia: cambio físico.
Respuesta: El vaso A perdió 1,2 g, el gas que escapó; el vaso B perdió 0 g.
Haz reaccionar 5 g de tiza con 12 g de ácido acético del vinagre (datos inventados) y compara las dos balanzas. En el vaso tapado la masa no cambia; en el abierto baja 2,2 g, que es el dióxido de carbono que se escapa al aire. Esa pérdida es la evidencia del gas nuevo.
Práctica
Un vaso con vinagre pesa 200 g y se le echan 8 g de tiza (masas inventadas). A los diez minutos, el vaso abierto pesa 206,5 g. ¿Cuántos gramos de gas escaparon?
Al comienzo había 200 g + 8 g = 208 g. Faltan 208 g − 206,5 g = 1,5 g: es el dióxido de carbono que salió del vaso abierto.
En el vaso de control, uno con agua de 180 g recibe un pedazo de tiza de 6 g (masas inventadas). Si no hay reacción y nada se escapa, ¿cuántos gramos marcará la balanza al final?
Mojar la tiza es un cambio físico y no sale ningún gas: la masa final es la suma, 180 g + 6 g = 186 g.
Al comienzo, el vaso con vinagre y la tiza pesaban 162 g. Durante el burbujeo escaparon 0,8 g de gas (masas inventadas). ¿Cuántos gramos marca la balanza al final?
La balanza deja de pesar el gas que salió: 162 g − 0,8 g = 161,2 g.
Tres grupos repitieron el experimento con las mismas cantidades. Sus vasos con vinagre perdieron 1,2 g, 1,0 g y 1,4 g (masas inventadas). ¿Cuál es la pérdida promedio, en gramos?
Se suman las tres pérdidas y se divide entre tres: (1,2 + 1,0 + 1,4) ÷ 3 = 1,2 g. Repetir y promediar hace más confiable el resultado.
¿Verdadero o falso? La ecuación de la tiza en vinagre tiene los mismos átomos de cada elemento a los dos lados: $\mathrm{CaCO_{3} + 2CH_{3}COOH \rightarrow Ca(CH_{3}COO)_{2} + H_{2}O + CO_{2}}$
Hay 1 Ca, 5 C, 8 H y 7 O a cada lado. Los átomos de la tiza y del vinagre se reorganizaron en acetato de calcio, agua y dióxido de carbono.
En la reacción $\mathrm{CaCO_{3} + 2CH_{3}COOH \rightarrow Ca(CH_{3}COO)_{2} + H_{2}O + CO_{2}}$, ¿cuántos átomos de oxígeno hay del lado de los reactivos?
Tres en el CaCO₃ y dos en cada una de las dos moléculas de CH₃COOH: 3 + 4 = 7. Del lado de los productos también hay 7.
¿Cuántos átomos de carbono hay en una unidad de acetato de calcio, Ca(CH₃COO)₂?
Cada grupo CH₃COO tiene dos carbonos, y el subíndice del paréntesis dice que hay dos grupos: 2 × 2 = 4.
¿Verdadero o falso? En la reacción de la tiza con el vinagre, la masa de los reactivos es igual a la de los productos: $M_m\left(\mathrm{CaCO_{3}}\right) + 2 \cdot M_m\left(\mathrm{CH_{3}COOH}\right) = M_m\left(\mathrm{Ca(CH_{3}COO)_{2}}\right) + M_m\left(\mathrm{H_{2}O}\right) + M_m\left(\mathrm{CO_{2}}\right)$
100 + 2 × 60 = 220 a la izquierda y 158 + 18 + 44 = 220 a la derecha. Si la balanza marca menos, es porque el CO₂ escapó del vaso abierto.
En el protocolo, ¿para qué sirve el vaso B, con agua y tiza?
Es el vaso de control: se prepara igual que el otro menos en el líquido. Así se sabe qué causó lo que se observó.
¿Cuál de estas conclusiones está bien justificada con evidencias?
La conclusión correcta nombra las evidencias de los dos vasos. El olor del vinagre ya estaba antes, mojarse no forma una sustancia nueva, y la masa no se destruye: se va con el gas.
Reto
Completa el registro.
Suma lo que se puso en el vaso y resta lo que marcó la balanza al final.
Reto
El crucigrama del protocolo.
Lee cada pista y escribe la palabra, sin tildes.
Cierre
En resumen
Un protocolo tiene pregunta, hipótesis, materiales, pasos, seguridad, registro y conclusión, y se escribe antes de mezclar.
Para comparar de manera justa, los dos vasos son iguales menos en el líquido; el vaso con agua es el de control.
Con vinagre, el carbonato de calcio de la tiza reacciona y forma acetato de calcio, agua y dióxido de carbono; el gas que sale es la evidencia del cambio químico.
El vaso abierto con vinagre pierde masa porque el CO₂ escapa; con agua la masa no cambia y el cambio es físico.
Todo se hace con el docente, con gafas y en vasos abiertos, y en la casa no se mezclan otras sustancias.
Vocabulario
- Protocolo experimental
Plan escrito de un experimento, con sus pasos en orden, para que cualquiera lo pueda repetir y comparar resultados.
- Hipótesis
Respuesta posible a la pregunta del experimento, escrita antes de hacerlo, que el experimento puede confirmar o descartar.
- Vaso de control
Vaso que se prepara igual que el otro menos en una sola cosa, para comparar y saber qué causó lo que se observó.
- Carbonato de calcio
Sustancia de fórmula CaCO₃ de la que están hechas la tiza tradicional, la cáscara de huevo y muchas piedras calizas.
- Acetato de calcio
Producto de la reacción del carbonato de calcio con el ácido acético del vinagre; queda disuelto en el líquido.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Plantee la pregunta del DBA: ¿qué pasa si mezclamos tiza con vinagre y tiza con agua? Recoja hipótesis en el tablero.
- Diseño · 15 min — Los grupos escriben el protocolo con las siete partes. Revise que los dos vasos se diferencien solo en el líquido y que la seguridad esté escrita.
- Experimento · 15 min — Antes de la clase, pruebe la tiza: si casi no burbujea con vinagre, es de yeso; use cáscara de huevo triturada. Cada grupo sigue su protocolo con su supervisión directa, con gafas y vasos abiertos, y pesa los dos vasos a los diez minutos con la balanza de décimas de gramo del laboratorio. Usted reparte el vinagre y la tiza.
- Práctica y cierre · 15 min — Preguntas y retos; luego cada grupo lee su conclusión y la compara con la hipótesis inicial.
Preguntas para el salón
- Si los dos vasos tuvieran líquidos distintos y además tizas de distinto tamaño, ¿podríamos saber qué causó la diferencia?
- ¿Por qué el vaso con vinagre pesa menos al final? ¿Dónde está esa masa?
- ¿Por qué no se tapan los vasos, aunque así la balanza no perdería el gas?
Errores típicos
- Cambiar varias cosas a la vez entre los dos vasos. Pida que hagan una lista de lo que es igual en los dos vasos y de lo único que cambia.
- Tomar las pocas burbujas del vaso con agua como prueba de reacción. Pida que comparen cuánto duran: en el agua se acaban enseguida, porque son el aire de los poros de la tiza.
- Concluir que la masa se destruyó porque la balanza marcó menos. Pregunte qué salió del vaso y si la balanza lo podía pesar.
- Escribir una conclusión sin evidencias («fue químico porque sí»). Exija que cada conclusión nombre al menos dos observaciones o medidas del registro.
Tarea sugerida
Pasar en limpio el protocolo del grupo con su tabla de registro y escribir qué cambiarían si lo repitieran para que el resultado fuera más confiable.