Hoy día es muy raro encontrar que se hagan helados artesanalmente en algún hogar de nuestro país, más bien se compran en el Supermercado. Sin embargo, hace alrededor de 50 años era bastante común encontrar un "bote" para hacer helados, el cual consistía en un depósito de aluminio colocado dentro de una vasija de mayor diámetro, generalmente de madera, dejando un espacio de unos 8 - 10 cms. entre ambos depósitos. Un engranaje conectado a una manilla movía el depósito concéntrico interior alrededor de un eje que tenía unas paletas que permanecían fijas en el interior del depósito de aluminio mientras éste giraba (ver esquema); en el espacio entre los dos depósitos se colocaba hielo picado el que se cubría con "Sal de Cocina" y con algún género para aislar mejor el hielo con sal y así mantener la temperatura bajo cero grado Celcius. Efectivamente, al colocar sal (Cloruro de Sodio, NaCl) mezclada con hielo, ésta tiende a disolverse lentamente en la pequeña cantidad de agua que se produce al derretirse el hielo, pero para ello necesita calor, el cual lo obtiene del agua y hielo que la rodean, bajando aún más la temperatura del hielo, el que se mantiene con facilidad algunos grados por debajo del 0ºC. Dentro del depósito de aluminio se colocaba la mezcla de ingredientes que iban a constituir el "helado"; el conjunto de ingredientes se helaba lentamente, mientras se hacía girar la manilla, siendo revuelto por las paletas interiores hasta convertirse en un delicioso y cremoso helado artesanal.

El proceso de disolución del Cloruro de Sodio en agua requiere energía, ya que deben separarse el Na+ y el Cl^- que se encuentran unidos por fuerzas electrostáticas en el cristal y posteriormente solvatarse en el solvente quedando al estado de iones en la solución. El balance energético de estos procesos puede dar un resultado positivo o negativo, es decir, en algunos casos se requiere energía para disolver un sólido y en otros casos se desprende energía, también en forma de calor. En el caso particular de una disolución, el calor desprendido o absorbido se llama "Calor de Disolución", o mejor "Entalpía de Solución", DH_soln.

El proceso de disolución del NaCl en agua, se puede representar por:

NaCl (s) --H₂O--> Na+ (ac) + Cl- (ac) DH_soln = 4,0 kJ

Cuando un proceso químico absorbe calor, como en el caso de la disolución del NaCl, se dice que es "endotérmico" (DH positiva) y cuando se desprende calor se llama "exotérmico" (DH negativa).

En el caso del Cloruro de Sodio, el calor de disolución es relativamente bajo y por lo tanto no enfría drásticamente la mezcla NaCl - Hielo, pero la mantiene perfectamente por debajo de 0ºC, alrededor de -10ºC, dependiendo de las condiciones de aislación del sistema (se supone que una mezcla de 33 partes de sal de cocina con 100 partes de hielo picado, deben bajar la temperatura aproximadamente hasta -20ºC).

En la Tabla adjunta (Figura 2) se dan los calores de disolución de algunos compuestos iónicos. Se puede apreciar que algunos compuestos necesitan bastante más calor que el Cloruro de Sodio para disolverse, en cambio otros desprenden cantidades apreciables de calor.

Al igual que los procesos de disolución las reacciones químicas en general desprenden o absorben calor al producirse, es decir, pueden ser exotérmicas o endotérmicas. Por ejemplo el sodio metálico al colocarlo en agua reacciona con el solvente (H₂O) liberándose 367,5 kJ de calor, de acuerdo a:

2 Na (s) + 2 H₂O (l) --> 2 NaOH (ac) + H₂ (g); DH = -367,5 kJ

Es decir, el cambio de "entalpía" de esta reacción es negativo; el sistema ha disminuido en 367,5 kJ; se trata de una reacción exotérmica.

Otro proceso químico interesante, que en general desprende calor, es la cristalización que se produce a partir de una solución sobresaturada o de un líquido sobreenfriado, cuando se impulsa la cristalización del propio líquido o del sólido disuelto mediante un núcleo de inicio, alrededor del cual, rápido y espontáneamente crecen los cristales; al cristalizar hay una pérdida de energía cinética de las moléculas, la que se refleja en calor que se desprende. Por ejemplo, si se tiene Acetato de Sodio trihidratado (CH₃-COONa·3H₂O) líquido y sobreenfriado y se perturba el equilibrio existente mediante el agregado de un cristal o de una impureza como un pequeñísimo disco metálico, de superficies rugosas, instantáneamente se produce la cristalización del Acetato de Sodio trihidratado, calentándose la solución aproximadamente hasta 54ºC.

Esta propiedad de procesos y reacciones químicas de absorber y desprender calor, se usa en varias aplicaciones prácticas de bastante utilidad y que en algunos casos pueden resultar imprescindibles en la mantención de la vida de las personas.

Durante la Segunda Guerra Mundial los soldados llevaban raciones enlatadas para alimentarse, pero durante la Operación Tormenta del Desierto, en 1990-1991, cuando los Norteamericanos expulsaron a los Iraquíes del territorio de Kwait y también en los suministros que se enviaron a Somalia, los soldados llevaban "Comidas Preparadas" y además "Calentadores sin llama". Las Comidas Preparadas van colocadas en una bolsa cerrada de plástico o de papel de aluminio, la que puede calentarse sumergiéndola en agua hirviendo o colocándola sobre el motor caliente de un vehículo. Pero en una guerra a veces no hay tiempo para calentar agua o en otras ocasiones no se tienen a mano los implementos necesarios para hacerlo, una posibilidad es entonces recurrir a los Calentadores sin llama.

El calentador sin llama consiste en una manga que forma una bolsa y que tiene una doble pared de plástico en toda su estructura, entre la doble pared se agrega una pequeña cantidad de agua por un tapón que se abre. La doble pared de la manga contiene Magnesio metálico en polvo, el cual se combina con el agua en una reacción de oxido-reducción muy exotérmica,

Mgº (s) + 2 H₂O (I) --> Mg(OH)₂ (s) + H₂ (g) + calor

El calor generado por la reacción es suficiente para calentar e incluso cocer el alimento, sin llama ni humo.

Tal vez más comunes y más accesibles son las llamadas "Bolsas o Paquetes Calentadores", que llevan a menudo los esquiadores, excursionistas y escaladores de alta montaña para casos de emergencias, producidos por extravío, por aislamiento de la persona con muy baja temperatura ambiente o porque puede ser sorprendido por una tormenta de nieve. Estos les sirven para mantener las manos y pies, e incluso el cuerpo, agradablemente calientes y evitar que se congelen. Estos "mágicos" paquetes de energía contienen una mezcla de hierro en polvo, carbón activado, celulosa, vermiculita (o zeolita) y sal (cloruro de sodio), ligeramente humedecidos por una pequeña cantidad de agua, todo rodeado de una bolsa de propileno y sobre ésta una cubierta impermeable. El funcionamiento es similar al caso anterior, una reacción de oxido-reducción muy exotérmica y muy común: la oxidación del hierro por oxígeno.

4 Feº (s) + 3 O₂ (g) --> 2 Fe₂O₃ (s) + calor; DH = -1652 kJ

Cuando se remueve la cubierta plástica al paquete, la bolsa de polipropileno es permeable al aire y así permite que el Oxígeno difunda lentamente hacia su interior, oxidando al hierro en polvo. La sal actúa como catalizador, el carbón ayuda a dispersar el calor, la vermiculita se usa como un aislante para retener el calor y la celulosa como una sustancia inerte. En general el proceso de oxidación del fierro en condiciones normales es bastante lento para aprovechar el calor desprendido en la reacción, pero al encontrarse el hierro en polvo finamente dividido, el aumento de la superficie hace que la reacción de oxidación sea más vigorosa, calentando el paquete a una temperatura entre 57 y 69ºC durante varias horas (entre 12 y 40 hrs. dependiendo del modelo).

También en estos Paquetes Calentadores o Compresas Calientes frecuentemente se aprovecha del calor de disolución, para ello generalmente se usa Cloruro de Calcio, CaCl₂ o Sulfato de Magnesio, MgSO₄, los cuales se disuelven en agua exotérmicamente, es decir, liberan una apreciable cantidad de calor durante el proceso de disolución, ej:

CaCl₂ (s) --H₂O--> Ca²⁺ (ac) + 2 Cl ^-(ac) DH_soln = 82,8 kj

Experimentalmente se ha demostrado que si se agregan 100 ml de agua a 40 g de CaCl₂, la temperatura del agua aumenta aproximadamente de 20 a 90ºC. Así el paquete común consta de una bolsa de plástico que contiene una sección con agua y otra con la sustancia química en polvo seco (CaCl₂ o MgSO₄), al aplicar un poco de presión con las manos, se rompe la separación entre los dos compartimentos, disolviéndose el polvo en el agua y aumentando la temperatura.

Como se mencionó anteriormente, también existen Paquetes Calentadores que para calentar hacen uso del calor que libera un líquido al congelarse, exactamente igual como lo hace el agua al convertirse en cubos de hielo en el congelador del refrigerador, liberando calor al compartimento, el que debe ser absorbido por el refrigerador. Si el agua está muy pura, sin partículas que puedan actuar como núcleos de condensación y libre de aire, se puede enfriar varios grados de temperatura bajo su punto de congelación, sin que se produzca la transformación de líquido a sólido, es decir, sin que se congele. Cuando a este líquido sobreenfriado se le suministra un núcleo de congelamiento, como un pequeño disco rugoso, cristaliza todo transformándose en un sólido y aumentando la temperatura hasta el punto normal de congelamiento del líquido.

Esta idea básica es la que se aplica en los "paquetes calentadores de manos", para los cuales se usa el Acetato de Sodio trihidratado en su forma líquida (CH₃-COONa·3H₂O), el cual se sobreenfría hasta la temperatura ambiente, es decir, bajo su punto de congelación de 54ºC. Al romper una pequeña bolsita que tiene el pequeño disco rugoso, se le suministra un núcleo de condensación y el acetato de sodio cristaliza instantáneamente calentando el paquete hasta los 54ºC.

De modo similar se pueden usar las reacciones o procesos fisicoquímicos que absorben calor (endotérmicas) para disminuir la temperatura del medio que las rodea, así se puede aprovechar por ejemplo el calor que absorbe el Nitrato de Amonio (NH₄NO₃) al disolverse en agua; el calor que requiere para su disolución lo retira del solvente agua, que constituye el medio circundante:
NH₄NO₃ (s) --H₂O--> NH₄⁺ (ac) + NO₃ ^-(ac) DH_soln = 26,2 kJ

Efectivamente, en los llamados "Paquetes fríos" o "Compresas frías", se hace uso de esta reacción para tener frío instantáneo; experimentalmente si se disuelven 30 g. de NH₄NO₃ en 100 ml. de agua que se encuentra a temperatura ambiente (» 20 ºC), la temperatura del agua disminuye hasta 0ºC, permitiendo un tiempo de acción que dura aproximadamente media hora. También estos paquetes contienen el compuesto a disolverse, Nitrato de Amonio, y el agua en una bolsa de plástico en compartimientos separados, cuya lámina de separación puede romperse fácilmente, de manera que se efectúe el proceso de disolución y se produzca la disminución de la temperatura.

Los "Paquetes fríos y calientes" que se han presentado en este artículo, son los que producen un aumento o una disminución de la temperatura mediante un proceso fisicoquímico o una reacción química exotérmica o endotérmica. No deben confundirse con otros dispositivos, muy similares en apariencia, a los que también se les llama "paquetes fríos o calientes", pero que se trata de bolsas o pequeñas cajas plásticas que contienen en su interior un producto (generalmente un "gel") que es capaz de mantener la temperatura por un tiempo bastante prolongado. Así para usarlos, se procede a calentarlos en un horno Microondas o a congelarlos en el congelador de un Refrigerador y se aplican o se usan donde sea necesario, de esta manera ayudan a mantener una temperatura alta o baja por un largo tiempo.



Dr. Carlos Andrade P.

Facultad de Ciencias
Universidad de Chile