Taller de Experimentación Escolar y Material Didáctico ISP Dr. Joaquín V. González Semáforo

En un Erlenmeyer disolver 0,66 g de Glucosa en 40 mL de agua, luego agregar 0,4 g de NaOH (hidróxido de sodio). Agitar hasta disolución completa y agregar 2,5 mL de solución de Índigo de Carmín. Esperar a que la solución se torne amarilla. Una vez en reposo, agitar suavemente primero, y luego más enérgicamente. Observar los cambios de color. Nota: para preparar el indicador se deben diluir 1,25 g de Índigo de Carmín en 50 mL de agua destilada.

Lluvia de oro

En un tubo de ensayo Pyrex® colocar 1 mL de solución 0,05 M de KI (Ioduro de Potasio). Agregar 4 mL de solución 0,1 M de Pb(NO3)2 (Nitrato de Plumboso). Se formará un precipitado amarillo. Colocar el tubo en un baño de agua a 80 °C hasta observar disolución casi completa del mismo (queda algo en el fondo del tubo de ensayo). Con una pinza de madera, trasladar el tubo a un baño de agua helada. Observar la formación de cristales brillantes; para aumentar el efecto se puede disminuir la luz.

Vaso invisible

Colocar un vaso de precipitados de 25 mL Pyrex® con su boca hacia arriba en el fondo de otro vaso de precipitados más grande. Agregar aceite de girasol hasta superar en 2 cm el nivel del vaso pequeño. Observar qué sucede con el vaso pequeño.

Mano fogosa

En un vaso de precipitados preparar una solución jabonosa de agua y detergente, sin agitarlo. Introducir la manguera de gas en la solución jabonosa y abrir la llave. Mantener abierta la llave hasta la formación de una cantidad de espuma que permita ser retirada con la mano. Con la mano humedecida previamente, retirar un poco de espuma con la mano y acercar una llama con un fósforo. Se encenderá y rápidamente se apagará. ES IMPORTANTE REALIZAR ESTA EXPERIENCIA CON PRECAUCIÓN, EVITANDO QUE LA LLAMA QUEDE CERCA DE LAS PERSONAS Y LA CARA.

Código oculto

Escribir sobre papel o tela blanca un mensaje o código con solución de fenolftaleína. Esperar a que éste se seque. Rociar sobre el papel o la tela solución de amoníaco.

El vaso invisible

Podemos ver objetos transparentes, a través de otro medio transparente, porque la luz

experimenta un fenómeno denominado refracción. La refracción es el cambio de dirección que

experimentan los rayos de luz cuando pasan de un medio a otro. Este cambio de dirección

depende del medio en el que nos encontremos (agua, aire, aceite, etc.) ya que la luz se propaga a

diferente velocidad en ellos. Se llama índice de refracción al cociente entre la velocidad de la luz

en el vacío y la velocidad de la luz en un medio dado.

Cuando colocamos un objeto de vidrio dentro de un vaso lleno de un

líquido transparente (aceite, agua, etc.), podemos observar sus

bordes porque el índice de refracción del líquido es distinto al del

vidrio.

Si los índices de refracción son iguales, los rayos de luz no sufren desviación, por lo que no

podemos ver los bordes del vidrio. Si utilizáramos agua, en vez de aceite, el vaso sigue viéndose

ya que el agua y el vidrio Pyrex® tienen distinto índice de

refracción.

Índice de refracción del agua: 1,33

Índice de refracción del aceite: 1,472

Índice de refracción del vidrio Pyrex®: 1,470

Manos fogosas

Al insuflar gas natural a través de la manguera generamos burbujas llenas, principalmente, de gas

metano (principal componente del gas natural). El metano es un excelente combustible y al entrar

en contacto con la llama del encendedor se quema, produciéndose la siguiente reacción de

combustión:

��4 + 2�2 → ��2 + 2�2�

El calor generado por la reacción se

disipa en el agua por su alta capacidad

calorífica. Es recomendable humedecer

la mano con agua previamente a fin de

evitar quemaduras.

Código oculto

En esta experiencia, lo que sucede, es que la hoja fue

escrita con fenolftaleína. Ahora bien ¿qué es la

fenolftaleína? Es un indicador ácido-base que en medio

neutro o ácido, permanece transparente. Pero… ¿Por qué

se torna de color rosado al rociarle NH3? En medio básico,

la fenolftaleína toma un color rosado, dejándonos leer el

mensaje oculto.

Lluvia de oro

El Ioduro de Plomo (PbI2) es un sólido amarillo de aspecto

pulvurento insoluble en agua a temperatura ambiente. A

50°C aproximadamente se vuelve ligeramente soluble y se

disuelve. Al enfriarse el PbI2 vuelve a cristalizar, pero tiene

un color dorado y brillante. La diferencia entre el aspecto

del sólido antes y después del calentamiento-enfriamiento

se debe a que el PbI2 presenta diferentes variedades

alotrópicas, teniendo la segunda un color similar al oro.

Disolución: 2�� + (�� )� ⇌ 2��� + Pb�� ↓

Calentamiento-Enfriamiento: ��(�)

�.∆�.��í����� ��(�)

Diferentes variedades alotrópicas

1<pH<8 8<pH<13

Semáforo

En el medio alcalino de la disolución (NaOH), la glucosa actúa como agente reductor reduciendo el

Índigo de Carmín (inicialmente azul oscuro en medio acuoso) que se torna rojizo y finalmente

amarillo.

Al agitar la disolución, se pone en contacto el oxígeno del aire con el medio líquido, lo que provoca

la oxidación del Índigo de Carmín tornándose rojo y después verde.

Si se deja reposar el recipiente, la glucosa vuelve a reducir el indicador llevándose a cabo de nuevo

el proceso. La reacción podría repetirse hasta que la glucosa de la disolución se agotase.

Las reacciones que tienen lugar son:

Experimento del papel teñido con extracto de repollo colorado.

� Materiales: Solución de HCl 0,1 M, solución de HCl, vinagre, agua destilada, solución 0,1 M de amoníaco, solución 0,1 M de NaOH (todas las soluciones acuosas y presentadas en vasos de precipitados), papel teñido con extracto de repollo, hisopos.

� Desarrollo: El experimentador toma un hisopo y lo humedece en alguna de las soluciones incoloras. Luego pasa el extremo humedecido por uno de los papeles teñidos, escribiendo un mensaje o haciendo un dibujo a su antojo. Sorprendentemente, lo escrito aparecerá coloreado aunque se haya usado un líquido incoloro. El color es distinto para cada una de las soluciones.

� Preparación del papel:

• Picar de forma grosera aproximadamente un cuarto de repollo colorado.

• Colocarlo en una olla y agregar agua hasta cubrir de forma completa el repollo.

• Llevar la olla al fuego hasta romper el hervor o hasta que el agua se torne color violeta.

• Colar la solución de color violeta en otro recipiente y sumergir en la misma el papel secante.

• Dejar secar el papel y repetir el procedimiento de 4 a 6 veces.

• Esta preparación se puede realizar con papel de filtro, hojas canson o tela. � Explicación:

Algunas sustancias tienen la particularidad de presentar dos colores en sus formas ácido – base conjugadas, por lo que pueden utilizarse, ya sea para conocer aproximadamente si una solución es ácida o básica, o para determinar el punto final en una valoración ácido- base. Uno de los indicadores más conocidos es la fenolftaleína, que es incoloro en medio ácido y rosa en medio alcalino. Muchas sustancias comunes como el té, vino tinto, extracto de flores y el repollo colorado presentan distintos colores según el pH del medio.

Así podemos definir a un indicador ácido-base como, una sustancia que puede ser de carácter ácido o básico débil, que posee la propiedad de presentar coloraciones diferentes dependiendo del pH de la disolución en la que dicha sustancia se encuentre diluida.

Los indicadores presentan un comportamiento muy sencillo de comprender. Supongamos un indicador que está constituido por un ácido débil monoprótico con formula general Hln, , en una disolución acuosa se ionizará débilmente produciendo la base conjugada correspondiente ln-.

Hln + H2O ↔ H3O+ + ln- Fórmula ácida Fórmula básica

Si se le añade a una disolución ácida HA, una pequeña cantidad del indicador, se producen al mismo tiempo dos procesos, el equilibrio de ionización del indicador, y también el del ácido.

Hln + H2O ↔ H3O+ + ln- HA + H2O ↔ H3O+ + A-

Cuando aumenta la concentración de H3O+, por efecto del ión común, el equilibrio que tiene el indicador se desplaza a la izquierda. En consecuencia, el color que predomina en la disolución será el color de la forma ácida, Hln.

Si añadimos una pequeña cantidad de indicador a una disolución básica:

Hln + H2O ↔ H3O+ + ln- B + H2O ↔ BH+ + OH-

La concentración H3O+, se verá disminuida por la combinación de los iones H3O+, con los iones OH-, y el equilibrio del indicador se ve afectado, desplazándose hacia la derecha. En consecuencia, dominará en la disolución el color de la forma básica ln-.

Cada uno de los indicadores posee un intervalo de viraje que lo caracteriza, es decir, un entorno en mayor o menor medida, reducido de unidades de pH. Dentro de dicho intervalo es donde se produce el cambio de color, o viraje. Un indicador tiene mayor utilidad, cuanto más pequeño es su intervalo de viraje, produciéndose así de forma más clara y sencilla el cambio de color.

Para el caso del repollo colorado, El pigmento que realiza el cambio de color son las antocianinas. Compuestos naturales formados por tres anillos bencénicos y uno o varios azúcares. Se han podido detectar por HPLC-EM (High pressure liquid cromatography enlazado a un detector de espectrometría de masas) más de 18 estructuras diferentes de antocianinas presentes en el repollo colorado o col lombarda.

Lámpara de lava

� Materiales: Alcohol 96°, agua, aceite de girasol, un cartucho de resaltador de cualquier color, dos vaso cilíndrico, un frasco de vidrio, una lata de atún o paté, una jeringa, agujereadora y mecha de diámetro 5 mm.

� Fabricación de la lámpara:

• Colocar alcohol de 96° en un vaso o taza cilíndrico y agregar todo el colorante de un cartucho de resaltador, mezclar hasta homogeneizar.

• Tomar 20ml de la solución anterior y colocarla en un vaso. Añadir unas gotas de aceite de girasol.

• Con una jeringa, verter agua gota a gota 15,6 ml aproximadamente o hasta que el aceite sobrenade.

• Volcar la mezcla en un frasco de vidrio y agregar aceite hasta una altura de 2 cm debajo del borde superior.

• Tomar una lata de atún o de paté vacía y limpia, y realizarle varios orificios del diámetro de un lápiz en la superficie lateral.

• Colocar una vela de té dentro de la lata, y encima el frasco.

• Luego de un minuto deberían formarse burbujas coloreadas que suben hacia la superficie. Si esto no ocurre, inyectar con una jeringa alcohol en la fase coloreada hasta que se formen las burbujas.

� Explicación:

El agua y el alcohol son sustancias polares, por tal motivo es de esperar que ambas al mezclarse formen una solución. No ocurre lo mismo con el aceite, que al ser mezclado con el agua queda en la parte superior, mientras que al mezclarlo con el alcohol queda en la parte inferior. Por tales motivos, al mezclar el alcohol con el agua en las proporciones correctas se logra que la densidad de la solución sea similar a la del aceite. En una lámpara de lava la solución de agua-alcohol es levemente más densa que el aceite a temperatura ambiente, por eso la primera se situará en el fondo del recipiente. Al suministrarle calor a la mezcla, la solución se calienta y se dilata (su volumen aumenta), pero como la masa se mantiene constante (por el principio de conservación de masa), su densidad disminuye. Entonces cuando la densidad de la mezcla (agua, alcohol y colorante) llega a ser inferior a la del aceite y lo suficientemente baja como para romper la tensión superficial de ambos líquidos, se forman burbujas que flotan hacia la superficie. Al ascender a la parte superior el calor que llevan acumuladas se transmite al aceite por conducción, su volumen disminuye y, al aumentar su densidad, vuelven al fondo del recipiente. La cámara de aire que se deja cumple la función de absorber la dilatación térmica de los líquidos calientes, disminuyendo la posibilidad de que el frasco se rompa.

Precipitación de Cu(OH)2

� Materiales: Tubo de ensayo, espátula, agua, sulfato cúprico sólido, solución de NaOH 1M en frasco gotero.

� Desarrollo:

Llenar hasta la mitad un tubo de ensayo con agua y agregarle una punta de espátula de sulfato cúprico (o de alguna sal soluble de cobre II). Agitar para disolver la sal completamente y añadir gota a gota solución de NaOH 1M. Se observará la formación de un precipitado gelatinoso de Cu(OH)2.

� Explicación:

El ion Cu2+ forma un hidróxido muy insoluble, Cu(OH)2, de acuerdo con el siguiente equilibrio químico: Cu2+

(aq) + 2 HO- (aq) ↔ Cu(OH)2 (s) El producto de solubilidad del Cu(OH)2 a 25°C es 4,8.10-20, lo que significa que concentraciones de HO- tan bajas como 10-6 M provocarán la precipitación del hidróxido cúprico. En agua pura, la concentración de HO- es pequeña (10.-7) por lo que no se forma precipitado. Pero si se aumenta la concentración de HO- por agregado de una base, de acuerdo con el principio de Le Chatelier, la reacción progresará hacia la derecha, consumiendo parte de los HO- añadidos y dando lugar a la formación de Cu(OH)2 sólido). Es por esto que al añadir NaOH a una disolución que contenga iones Cu2+ se provocará la precipitación del Cu(OH)2 de color azul, característico del ion Cu2+.

Tinta invisible

� Materiales: Papel rosado, mechero, vaso de precipitados, espátula, cloruro de cobalto, agua, pincel.

� Desarrollo:

• Se necesita papel de color rosa. En caso de no disponer de éste, teñir un papel tipo canson con colorante rosado y dejar secar.

• Preparar una solución acuosa diluida de cloruro de cobalto (5 gramos de CoCl2 en 100 ml de agua).

• Utilizar un pincel o un hisopo, mojarlo con la solución de CoCl2 y escribir sobre el papel rosado. Una vez seco, no debería ser visible el mensaje.

• Al presentar la experiencia, pasar el papel sobre una fuente de calor, como la llama de un mechero. El mensaje se revelará de color azul.

• Si se deja enfriar el papel, el mensaje desaparecerá nuevamente. � Explicación:

El CoCl2 es una sustancia higroscópica, es decir que absorbe la humedad ambiente. En soluciones acuosas se produce el siguiente equilibrio:

[Co(H2O)6]2+ + 4Cl- ↔ [CoCl4]2- + 6H2O

Predomina el complejo [Co(H2O)6]2+ de color rosado, aunque casi incoloro en soluciones diluidas. Cuando se calienta ligeramente un papel sobre el que se ha escrito con solución de CoCl2, el agua que forma este complejo se desprende por evaporación y el equilibrio se desplaza hacia la derecha, formando [CoCl4]2- de color azul. El mensaje se colorea de azul debido a la evaporación del agua. Cuando se deja de calentar, el color azul se vuelve progresivamente rosa pálido casi incoloro ya que va absorbiendo la humedad del ambiente y regenerando el complejo rosado.

Jardín químico

� Materiales: Frasco de vidrio, espátula, probeta, solución acuosa de silicato de sodio al 40% m/v, agua, sales inorgánicas sólidas: sulfato ferroso, sulfato cúprico, cloruro de cobalto, sulfato de níquel, nitrato de calcio, sulfato de manganeso, cloruro férrico.

� Desarrollo:

• En un frasco de vidrio, mezclar un volumen de solución acuosa de NaSiO3 al 40% m/m con dos volúmenes de agua.

• Con una espátula, volcar en el frasco cristales de distintas sales minerales.

• Luego de unos minutos se observará la formación de ramificaciones tubulares o con forma de agujas que salen de los cristales.

� Explicación:

Al dejar caer los cristales, de las diferentes sales coloreadas, sobre la solución acuosa de silicato sódico (Na2SiO3) (conocido como vidrio líquido), se produce una reacción de doble desplazamiento. Se forma la sal sódica derivada de la sal que previamente se deposito en la solución y el silicato del metal de transición en cuestión. Mientras que la sal sódica suele ser soluble, no lo es el silicato, que se deposita como un gel coloidal alrededor del cristal. El gel actúa como una membrana semipermeable que rodea al cristal. Moléculas de agua atraviesan la membrana por acción de la presión osmótica exterior a ella y disuelven el cristal. La membrana se estira por el incremento del volumen interno hasta que se rompe, expulsando parte de su contenido en la solución de silicato de sodio. La solución acuosa de la sal sódica es menos densa que la solución de silicato de sodio, por lo que la primera tiende a subir formando tubos. El proceso se repite en diferentes puntos de la membrana y se forman nuevas ramificaciones.

La ecuación que representa al proceso es la siguiente (reacciones análogas ocurren con cada uno de los iones metálicos añadidos:

Na2SiO3 (aq) + CuSO4 (s) → CuSiO3 (s) + Na2SO4 (aq) (soluble) (soluble) (insoluble) (soluble)

Experiencia de las copas o “El arcoíris químico”

� Materiales: Dos jarras transparentes de 1 litro, siete vasos transparentes de 200 ml, balanza, vidrio reloj, espátula, fenolftaleína, timolftaleína, p-nitrofenol, alcohol 96°, solución de NaOH 0,05 M, solución de H2SO4 2,5 M, agua

� Preparación de los indicadores:

Fenolftaleína: 1 g de fenolftaleína + 60 ml de alcohol 96° + 40 ml de agua destilada.

Timolftaleína: 0,1 g de timolftaleína + 60 ml de alcohol 96° + 40 ml de agua destilada.

p-nitrofenol: 2 g de p-nitrofenol + 60 ml de alcohol 96° + 40 ml de agua destilada.

� Procedimiento:

Se preparan dos jarras transparentes de 1L. Una se llena con agua y la otra con solución de NaOH 0,05 M. En siete copas o vasos de precipitados transparentes se vierten varias gotas de indicador en las proporciones que se indica a continuación:

Vaso 1 (rojo): 5 fenolftaleína / 2 nitrofenol

Vaso 2 (naranja): 1 fenolftaleína / 7 nitrofenol

Vaso 3 (amarillo): nitrofenol

Vaso 4 (verde): 3 timolftaleína / 5 nitrofenol

Vaso 5 (azul): timolftaleína

Vaso 6 (añil): 1 fenolftaleína / 1 timolftaleína

Vaso 7 (azul): fenolftaleína

Luego, se añade a los vasos 1, 2, 3 y 4 dos gotas de H2SO4 2,5M.

En el momento de realizar la demostración, servir con la jarra de agua 100 ml a cada vaso (medio vaso aproximadamente) y seguidamente, 100 ml de solución de NaOH 0,05M. Inmediatamente, en cada vaso la solución se tornará del color correspondiente.

� Explicación:

Como se menciono anteriormente, los indicadores son compuestos químicos generalmente orgánicos, ácidos o bases débiles que se caracterizan porque en ellos las formas disociada y no disociada presentan distinto color (alguna puede ser incolora). Representando la forma ácida como HIn y la forma básica por In–, dicho proceso se puede representar mediante el siguiente equilibrio:

HIn <—> H+ + In– La justificación de los cambios de color de los indicadores puede hacerse mediante la teoría cromófora, según la cual dichos cambios de coloración deben estar acompañados de modificaciones estructurales en las moléculas orgánicas. Lo cual se debe a la absorción de radiación visible y, en el caso de moléculas orgánicas, la misma está ligada a la presencia de determinadas agrupaciones atómicas insaturadas denominados grupos cromóforos (por ejemplo

=C=O; –N=O; C=C). Un efecto análogo ejercen los denominados grupos auxocromos (por

ejemplo –NH2, –OH ó CH3), que son grupos atómicos saturados capaces de reforzar la acción de un grupo cromóforo, aunque de por sí no puedan comunicar color alguno a las moléculas neutras. Como ejemplos se muestran las estructuras de la fenolftaleína y del p-nitrofenol.

La fenolftaleína es un ácido diprótido (incoloro) que primero se disocia a una forma incolora y, posteriormente, al perder el segundo H+ da origen a un sistema conjugado de color violeta. En ocasiones, con el objetivo de aumentar la nitidez del cambio de color es conveniente utilizar mezclas de indicadores, ya que se percibe mucho mejor el cambio de color que cuando se utilizan ambos indicadores individualmente. Para el caso de esta experiencia la mezcla de indicadores solo cumple la función de poder obtener los colores del arcoíris.