experimentos curiosos
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Experiencias curiosas para enseñar química en el aula1
Experiències curioses per ensenyar química a l’aula
Some curious experiments to teach chemistry in the classroom
Marisa Aguilar Muñoz, Manuel Fernández Tapia y Carlos Durán Torres / Centro de Ciencia Principia (Málaga)
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ISSN
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resumen
Una de las mejores maneras de divulgar la ciencia es realizando demostraciones experimentales en el aula. Las expe-
riencias aquí descritas se realizan con mucha frecuencia en el Centro de Ciencia Principia. Tomando las medidas de
seguridad indicadas, no han causado nunca ningún problema. Las experiencias han conseguido despertar en el alum-
nado la curiosidad, la motivación y el interés por la química y, en general, por la ciencia.
palabras claveExperimentos, motivación, divulgación científica, reacciones químicas.
resum
Una de les millors maneres de divulgar la ciència és fer demostracions a l’aula. Les experiències que es descriuen en
aquest article es realitzen molt sovint al Centre de Ciència Principia. Realitzades amb les corresponents mesures de
seguretat, no han causat mai cap problema. Les demostracions han aconseguit desvetllar en l’alumnat la curiositat, la
motivació i l’interès per la química i, en general, per la ciència.
paraules clauExperiments, motivació, divulgació científica, reaccions químiques.
abstract
One of the best ways of making science popular is by demonstrating experiments in the classroom. The experiments described
here are done frequently at the Principia Science Centre. These experiments are easy to do and have never caused any safety
issues. However, they have aroused students curiosity, motivation, and an interest in chemistry and in science in general.
keywordsExperiments, motivation, popular science, chemical reactions
IntroducciónLa enseñanza de la ciencia, en
particular, la de la física y la quí-mica, ha tenido y sigue teniendouna dificultad mayor que la deotras asignaturas. Ello es debido amúltiples factores, entre los queno hay que olvidar el hecho deque una parte del profesorado
ha creído necesario elevar elnivel de los programas de lasasignaturas, pensando que conello se conseguirían alumnosmejor preparados.
Evidentemente, la pluralidad dealumnos con muy diferentesconocimientos básicos que llegana las aulas donde se imparten las
asignaturas de física y químicahace que sea necesario comenzarpor unos niveles a veces pordebajo de los establecidos en losprogramas oficiales.
Se hace difícil de cualquiermodo la unificación de esos míni-mos niveles para el aprendizajede estas asignaturas de ciencias.
1. Aquest article va ser la ponència de clausura de les IV Jornades sobre l’Ensenyament de la Física i la Química – I Trobada d’Educació Quími-
ca, que va tenir lloc el dia 26 de març de 2011 a CosmoCaixa (Barcelona).
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24Pero la causa principal hay que
buscarla en los primeros momen-tos en que el alumno debe recibirlas elementales nociones relacio-nadas con la ciencia, y ello ten-dría que ser durante los años deenseñanza primaria.
Es entonces cuando los alum-nos tienen capacidad para rete-ner ideas que se les muestren deuna forma muy visual y entrete-nida, haciendo que el progresivoaprendizaje en los años siguien-tes no sea algo abstracto eincomprensible, como desgracia-damente ocurre muchas veces.
Por ello, tanto en esos años deenseñanza primaria como en losposteriores de secundaria e inclu-so en el bachillerato, las clases deciencias experimentales, concreta-mente, las de química, debentener una dosis de motivación quebien se puede alcanzar con el usofrecuente de experiencias de labo-ratorio, clases teóricas y visitas adeterminados lugares estratégicosdonde la química sea un referentede la historia de la ciencia.
Tampoco ayuda el hecho deque a nivel popular se hable de laquímica como de algo artificial y,generalmente, negativo: «estotiene mucha química» o «esteplato es pura química», o loabsurdo que resulta que para dospersonas que coinciden enmuchas cosas se diga que «existequímica entre ellas».
Las experiencias que aquí semuestran se realizan con muchafrecuencia en el Centro de Cien-
cia Principia. Además, son fácilesde realizar por parte de los profe-sores, con materiales que se pue-den encontrar en casi todos loscentros educativos (y que puedenser sustituidos por productosnaturales y material de vidriocasero), y pueden enfocarse demodo que sirvan igualmente paraalumnos de diferentes edadescon tal de que la explicacióncorrespondiente se adecue a susconocimientos.
No obstante, aunque las expe-riencias sean asequibles, hay quetener en cuenta las normas deseguridad correspondientes.
Reacciones ácido-basePara introducir la diferencia
entre sustancias ácidas y básicasse pueden realizar estas expe-riencias, en las que se empleandistintos indicadores. Los indica-dores tienen la ventaja de sersustancias que producen reaccio-nes muy vistosas y coloridas quese pueden emplear como pretex-to para la introducción de con-ceptos abstractos como puede serel de pH.
Antes de introducir en el aulala idea de pH, sería convenienteque los alumnos tuviesen clara ladiferencia entre disoluciones áci-das, neutras y básicas de unamanera natural y experimental.El concepto ácido les es conocidoporque han experimentado algu-na vez el sabor de sustancias áci-das, como el jugo de limón, perosuelen confundirlo con sustan-
cias corrosivas o peligrosas. Lasdisoluciones neutras suelen aso-ciarlas a sustancias inocuas o«naturales» cuyo pH, por supues-to, creen que es 5,5. No tienentan claro el concepto sustanciabásica y, en general, les cuestatrabajo presentar algún ejemplo.
La idea que suelen tener losalumnos sobre el pH suele serconfusa y muchas veces equivo-cada. Una parte de la culpa la tie-nen los medios de comunicación,donde se habla del pH como deun tecnicismo, presentándoseproductos con pH 5,5 como el pH«natural» para hacer ver que haymucha ciencia detrás de ellos.Otra parte de culpa la tenemoslos profesores como consecuen-cia del excesivo enfoque mate-mático en el que se incurre confrecuencia, presentando el pHcomo una mera fórmula: pH = –log [H3O+].
El pH es una magnitud cuanti-tativa, un valor numérico; esdecir, las disoluciones no tienenpH ácidos, básicos o neutros, sinoque las disoluciones con valoresdel pH > 7 son básicas, las quetienen valores de pH < 7 son áci-das y para una disolución neutrao para el agua pura, a 25 ºC, el pH = 7 (Jiménez Liso et al., 2000).
En las experiencias que se deta-llan a continuación se suele par-tir de explicaciones pococonvincentes para que los alum-nos se planteen lo que está ocu-rriendo realmente e intenten daruna explicación científica.
Tanto en esos años de enseñanza primaria como enlos posteriores de secundaria e incluso en elbachillerato, las clases de ciencias experimentales,concretamente, las de química, deben tener unadosis de motivación que bien se puede alcanzar conel uso frecuente de experiencias de laboratorio,clases teóricas y visitas a determinados lugaresestratégicos donde la química sea un referente de lahistoria de la ciencia
Antes de introducir en elaula la idea de pH, seríaconveniente que losalumnos tuviesen clarala diferencia entredisoluciones ácidas,neutras y básicas de unamanera natural yexperimental
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«El arco iris químico». Utilización de indicadores
En el Centro de Ciencia Princi-pia, normalmente, se presenta alos alumnos esta experiencia deforma recreativa. Se muestrandos jarras: una de ellas con agua«normal» y la otra con «agua delarco iris». Al añadir agua de laprimera de ellas a las copas«vacías» no ocurre nada extrañoy el agua permanece incolora,pero al añadir «agua del arco iris»comienzan a aparecer colores(fig. 1), con lo que se crea un con-flicto entre la explicación que seles está dando (agua del arco iris)y lo que observan. De esta mane-ra, las preguntas surgen demanera espontánea y, dependien-do del nivel de los alumnos, sepuede hablar en mayor o menorprofundidad de los conceptosácido, base, neutralización y pH ycómo pueden afectar a las reac-ciones químicas.
Consideraciones didácticasEsta experiencia suele tener
una gran aceptación, ya que esmuy vistosa por los colores queaparecen. La solemos presentarsin explicar que se trata de reac-ciones químicas, de manera quesean los propios alumnos los quenos pregunten lo que ocurre real-mente, con lo que es más fácilintroducir los conceptos reacción ypH, ya que están muy motivados.La explicación del «agua del arcoiris» no suele dejarles satisfechosy con frecuencia indican quedebe haber alguna sustancia enlas copas antes de hacer la expe-riencia; casi siempre hablan decolorantes, pero les hacemosnotar que si así fuera, aparecerí-an colores al añadir agua la pri-mera vez. Esto nos da ocasiónpara hablar de la reacción comocambio químico y de la forma-ción de sustancias nuevas.
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Figura 1. Experiencia «El arco iris químico».
Procedimiento experimental
Se preparan dos jarras de agua transparentes de 1 L: una de ellasllena de agua (no importa si es del grifo) y la otra, con una disolu-ción de NaOH 0,05 M (10 g en 5 L), y siete copas o vasos transparen-tes en los que se vierten varias gotas de indicadores preparadoscomo se indica a continuación:
Se parte de tres disoluciones de indicadores que se preparan delsiguiente modo:
– Fenolftaleína: 1 g + 60 mL de alcohol 96º + 40 mL de agua destilada.– Timolftaleína: 0,1 g + 60 mL de alcohol 96º + 40 mL de agua destilada.– p-nitrofenol: 2 g + 60 mL de alcohol 96º + 40 mL de agua destilada.
Para obtener los diferentes colores, se mezclan estas disolucionesde los indicadores en las proporciones (expresadas en volúmenes)que se indican a continuación:
– Rojo: 5 fenolftaleína / 2 nitrofenol.– Naranja: 1 fenolftaleína / 7 nitrofenol.– Amarillo: nitrofenol.– Verde: 3 timolftaleína / 5 nitrofenol.– Azul: timolftaleína.– Añil: 1 fenolftaleína / 1 timolftaleína.– Violeta: fenolftaleína.
Una vez preparadas las disoluciones, se colocan las siete copas y seañaden las cantidades que se muestran en el siguiente esquema:
Se añaden a cada copa unos 100 mL de agua (media copa) de laprimera jarra (no aparece color en ninguna) y, a continuación, otros100 mL de la segunda, que contiene la disolución de NaOH 0,05 M(aparecen los «colores del arco iris», como se muestra en la fig. 1).Por último, se vierten todas las copas en un vaso transparente gran-de de 1 L, en el que se han añadido 10 mL de H2SO4 2,5M para deco-lorarlas.
1ª 2ª 3ª 4ª 5ª 6ª 7ª
1 mL
de rojo
+
2 gotas
de H2SO4
2,5M
1 mL
de naranja
+
2 gotas
de H2SO4
2,5M
2 gotas
de amarillo
+
2 gotas
de H2SO4
2,5M
1 mL
de verde
+
2 gotas
de H2SO4
2,5M
1 mL
de azul
1 mL
de añil
5 gotas
de violeta
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«Test del CO2»Se puede comprobar la acidez del aire
expulsado por los pulmones utilizando indi-cadores como la fenolftaleína o la col lombar-da, pues el CO2 que espiramos se disuelveparcialmente en agua y es capaz de acidificaruna solución ligeramente básica. Al añadir enun vaso con agua y col lombarda unas gotasde amoníaco 1M, la disolución adquiere uncolor verdoso. Soplando mediante una pajitaen el interior de la disolución, esta cambiaráa azul. Si se utiliza fenolftaleína como indica-dor, la solución alcalina de color violeta sedecolorará al soplar a través de la pajita. Pre-caución: hay que soplar, no aspirar (fig. 3).
Consideraciones didácticasEstas experiencias se pueden emplear
además para la enseñanza de otros concep-tos o procedimientos:
– Preparación de disoluciones: en los cur-sos de ESO, se pueden aprovechar las expe-riencias anteriores para la realizaciónpráctica de preparación de disoluciones enel laboratorio, lo que implica el empleo de labalanza y el manejo de materiales específi-cos como matraces aforados. También sepuede ver la influencia de la temperatura delas sustancias en su solubilidad. En la pre-paración de las disoluciones de los indicado-
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Figura 2. Experiencia «La tinta camaleónica», utilizando como indicador
la col lombarda.
Procedimiento experimental
Se prepara el indicador cociendo varias hojas de collombarda durante unos 10 minutos en agua (a ser posi-ble, destilada), que se coloreará de azul oscuro y se deja-rá enfriar.
Se disponen cinco vasos. En el primero, no se añadenada; en el segundo, se añaden unas gotas de un ácidodébil (vinagre o limón) o ácido acético 1M; en el tercero,una disolución de NaOH 1M o unas gotas de amoníaco1M (sustancias básicas); en el cuarto, unas gotas deácido fuerte, como ácido sulfúrico concentrado (H2SO4
2,5M), o unas gotas de agua fuerte comercial (ácido clor-hídrico), y en el último, unas gotas de lejía (en este caso,lo que hace es decolorar la col lombarda).
Se llenan los vasos hasta la mitad con agua, se añadeun poco de indicador de lombarda en cada uno y apare-cerán los colores: azul, violeta, verde, rojo y amarillo,respectivamente, como se observa en la fig. 2.
«La tinta camaleónica». Indicador de col lombardaUna alternativa a la utilización de los indicadores utilizados
en el arco iris químico consiste en usar un indicador naturalpresente en muchos vegetales y que aparece en especial en lacol roja o col lombarda.
Figura 3. Experiencia «Test del CO2».
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res se puede observar cómo estosson poco solubles en agua, perotambién que se aumenta su solu-bilidad si se disuelven previa-mente en alcohol, con lo que sepuede introducir el concepto delos diversos tipos de disolventes.
– Conceptos mol y concentración:en los cursos de bachillerato, sepueden realizar además los cál-culos correspondientes para lapreparación de las disolucionesde las concentraciones indicadas,con lo que se emplean los con-ceptos mol, masa molar y concentra-ción de una forma práctica.
– Valoraciones ácido-base: sepueden utilizar los indicadorespreparados para la realización devaloraciones de manera experi-mental y realizar los cálculoscorrespondientes.
Velocidad de reacción: «La reacción del reloj de yodo»
Otro aspecto importante dentrode las reacciones químicas es lavelocidad con la que se desarrollan.No todas las reacciones son rápidascomo las que se han mostrado enlos experimentos anteriores, sinoque también existen reaccionesmucho más rápidas, como puedenser las explosiones, o muy lentas,como la oxidación del hierro de lareja de una catedral.
La experiencia que presentamoses una reacción que se suele utili-zar para estudiar la velocidad dereacción, en la que se puedenobservar la influencia de la tempe-ratura y la concentración de lassustancias que intervienen. Depen-diendo del nivel de los alumnos, sepuede hacer un enfoque más pro-fundo o simplemente presentarlacomo una reacción curiosa paradespertar su interés por la química.
Consiste en mezclar cantidadesiguales de dos disoluciones trans-parentes e incoloras en una copade vidrio. Al cabo de unos 20segundos, el contenido de la copase transforma de manera súbitaen un líquido negro (fig. 4).
Influencia del pH. «El arco iris de noche y de día»
La reacción del reloj de yododescrita anteriormente tiene lugaren medio ácido, pero cuando seincrementa el pH hasta medioalcalino, la reacción se puederevertir. Aprovechando esta cir-cunstancia, se puede realizar unaexperiencia que puede resultarllamativa para los alumnos y que
consiste en encadenar las reaccio-nes del reloj de yodo y el arco irisquímico. En este caso presenta-mos la experiencia como una sim-ple curiosidad, debido a queaparecen reacciones que escapanal nivel de los alumnos no univer-sitarios, aunque se puede consul-tar de una manera más profundaen la bibliografía (Aguilar Muñoz yDurán Torres, 2011).
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Figura 4. Experiencia «La reacción del reloj de yodo».
Procedimiento experimental
Se preparan dos disoluciones:– Disolución A: yodato de potasio (KIO3) 0,03 M. Se disuelven 6,42 g
de KIO3 y se añade agua destilada hasta completar 1 L.– Disolución B: hidrogenosulfito de sodio (NaHSO3) 0,03 M con
almidón. Se disuelven 3,1 g de NaHSO3 y 0,6 g de almidón en aguadestilada hasta 1 L. Conviene disolver antes el almidón en un poco deagua caliente. También se pueden utilizar 5,75 mL de disolución deNaHSO3 al 40 % (presentación comercial 5M) en lugar de los 3,1 g de sólido.
Se mezclan cantidades iguales de las dos disoluciones (40 mL, porejemplo) en una copa transparente. Al cabo de unos 20 segundos, seproduce un cambio brusco pasando de incoloro a negro.
La reacción se produce en varias etapas: – Etapa primera: los iones hidrogenosulfito (HSO3
-) reducen losiones yodato (IO3
-) a iones yoduro (I-) según la reacción:
IO3-(aq) + 3 HSO3
-(aq) � I-(aq) +3 SO42-(aq) + 3 H+(aq)
– Etapa segunda: los iones yoduro producidos en la etapa primerareaccionan con los iones yodato en exceso produciendo yodo (I2):
5I-(aq) + IO3-(aq) + 6H+(aq) � 3 I2(aq) + 3 H2O(l)
Esta reacción es muy rápida y el I2 producido reacciona con el almi-dón para producir un complejo almidón-pentayoduro que presenta uncolor azul oscuro casi negro (Aguilar Muñoz y Durán Torres, 2011).
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Consideraciones didácticasSe puede poner de relieve cómo
puede influir el pH en las reaccionesquímicas y cómo algunas reaccionessolo tienen lugar a un pH determina-do, como ocurre muchas veces en lasque tienen lugar en las reaccionesmetabólicas.
Procedimiento experimental
Se preparan tres jarras trans-parentes de 1 L. La primera sellena con una disolución deyodato de potasio 0,03 M (6,42 gde KIO3 en 1 L de agua); lasegunda, con una disolución dehidrogenosulfito de sodio(NaHSO3) 0,03 M con almidón,y la tercera, con hidróxido desodio (NaOH) 0,05 M.
Se colocan siete copas ovasos transparentes de unos200 mL de capacidad en losque se vierten unas gotas decada uno de los indicadoresutilizados en el apartado 1. A continuación se añaden unos 50 mL de la disolución dehidrogenosulfito de sodio yalmidón, que no produciráncoloración al ser el pH inferioral de viraje de los indicadores(fig. 5).
Se presentan a los alumnoslas jarras y los vasos, en losque se pueden observar líqui-dos transparentes e incoloros.A continuación se van añadien-do a cada copa unos 50 mL dela disolución de yodato depotasio 0,03 M (fig. 6). Al cabode unos 20 segundos, el líquidode las copas vira brusca y suce-sivamente a color negro (fig. 7).
Por último, se vierten otros 50 mL de la disolución de hidró-xido de sodio (NaOH) 0,05 M,con lo que va desapareciendoel color negro (fig. 8) y aparecenlos colores correspondientes acada uno de los indicadores(fig. 9).
Figura 5. Copas con unas gotas de cada indicador y 50 mL de la disolución B.
Figura 6. Se añaden 50 mL de la disolución A a cada copa.
Figura 7. Va apareciendo el complejo azul-negro sucesivamente.
Figura 8. Al añadir la disolución C, desaparece el color negro…
Figura 9. ... y aparece el arco iris químico.
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Reacciones catalizadas Un aspecto muy importante en lasreacciones químicas es la veloci-dad con que transcurren, es decir,la cinética de la reacción. Algunassustancias modifican la velocidadde las reacciones sin participardirectamente en ellas y sin versemodificadas. Son los catalizadores ynormalmente las aceleran; sinembargo, otras sustancias lasretardan y, en este caso, reciben elnombre de inhibidores.
Las reacciones catalizadas sonaquellas donde intervienen loscatalizadores. Este concepto sueleaparecer con cierta frecuencia enla vida cotidiana (por ejemplo, loscatalizadores de los tubos deescape de los coches). Incluso sehabla de «personas catalizadoras»como de aquellas que con su pre-sencia o intervención son capacesde desencadenar algo. Por tanto, anuestros alumnos el término no lesresulta demasiado lejano, pero ¿tie-nen ellos claro qué son los cataliza-dores científicamente hablando?
Hay ejemplos muy asequiblespara que el alumnado comprendacuál es la misión de un catalizador,como los aditivos que se añaden alos alimentos para prolongar suduración; en este caso actúan deinhibidores, pues retrasan los pro-cesos de oxidación o de descompo-sición. También dentro de nuestrocuerpo tenemos una gran cantidadde catalizadores (biocatalizadores):los más importantes se llamanenzimas, que son proteínas y sonademás muy específicas, pues algu-nas de ellas actúan solo sobre unamolécula concreta y en una deter-minada reacción. Son tan impor-tantes que algunas enfermedadesse deben en última instancia a laausencia o la alteración de unadeterminada enzima. Además,algunas son útiles para preservar elmedio ambiente, como los cataliza-dores de los coches, que permitenreducir la emisión de gases conta-minantes como óxidos de nitrógeno(NO, NO2), CO o hidrocarburos no
quemados al acelerar procesos dereducción de los óxidos o de oxida-ción del CO y de los hidrocarburose impedir que se produzcan com-bustiones incompletas.
Las experiencias que se descri-ben a continuación se basan en lareacción de descomposición cata-lítica del peróxido de hidrógeno oagua oxigenada. La molécula delagua oxigenada es relativamenteestable a temperatura ambiente,pero se descompone con facilidaden oxígeno y agua por calenta-miento y por exposición a la luzsolar. Además, numerosas sustan-cias actúan como catalizadoras desu descomposición, entre otras:metales de transición, álcalis yóxidos metálicos.
H2O2(ac) � H2O(l) + 1/2 O2 (g)ΔH0 = -196,4 kJ mol-1
Vamos a realizar esta reacciónen dos experiencias distintas enlas que se utilizarán dos cataliza-dores diferentes.
«La superespuma».Descomposición del agua oxigenada utilizando yoduro de potasio como catalizador En esta experiencia se mezclan, enuna probeta, una disolución deagua oxigenada comercial de 110volúmenes (30 % en masa) y unpoco de lavavajillas. Al añadiryoduro de potasio, este actúa comocatalizador: la reacción de descom-posición se acelera y aparece unagran cantidad de espuma debido aloxígeno desprendido. Al ser la reac-ción fuertemente exotérmica, partedel agua formada está en fase devapor (fig. 10).
Por otra parte, algunos anionesyoduro (I-) se oxidan a yodo mole-cular (I2), que reacciona con losaniones yoduro presentes paraformar el anión triyoduro (I3
-),produciendo una coloraciónmarrón, según la reacción:
I- + I2 � I3-
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Figura 10. En la probeta se encuentrala disolución de peróxido de hidrógenocon un poco de lavavajillas (a). Alañadir la disolución de yoduro depotasio (b), aparecen el color marrónpor la formación del anión triyoduro(I3
-) y una gran cantidad de espuma(c y d), pues el yoduro de potasioactúa también de catalizador en ladescomposición del peróxido.
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«El genio de la botella».Descomposición del agua oxigenada utilizando el óxido demanganeso (IV) como catalizador
Para realizar este experimento,se utiliza como catalizador elóxido de manganeso (IV) fina-mente dividido. Se dejan caer 0,5 g de este óxido envueltos enun papel fino en forma de«paquetito» en el interior de unrecipiente resistente a altas tem-peraturas que contiene 30 mL deagua oxigenada de 110 volúmenes.
Se produce un espectacularchorro de vapor de agua debido ala descomposición catalítica delagua oxigenada, que es fuerte-mente exotérmica (fig. 11c).
Esta experiencia se puede reali-zar también utilizando permanga-nato de potasio (KMnO4) en lugarde dióxido de manganeso (IV),pero el permanganato no actuaríaen este caso como catalizador,sino que reaccionaría oxidando elperóxido según la reacción:
2 MnO4-(ac) + 3 H2O2(ac) �
2 MnO2(s) + 2 H2O(l) + 3 O2 (g) + 2 OH- (ac)
En este caso, se libera más oxí-geno que en la reacción de des-composición catalizada del aguaoxigenada, por lo que la reacciónes más violenta.
Recomendaciones didácticasEstas experiencias son de bajo
coste y fáciles de reproducir en elaula o en el laboratorio. Es reco-mendable que las realice el pro-fesor, ya que la disolución deagua oxigenada que se emplea escorrosiva, irritante a los ojos y ala piel.
Se pueden utilizar para introdu-cir y explicar diferentes conceptosquímicos y biológicos relacionadoscon la velocidad de reacción, lacatálisis, las enzimas, el poder oxi-dante o la termoquímica.
La gran velocidad de produc-ción de oxígeno da lugar a la for-
mación de espuma y hace queesta experiencia se pueda emple-ar para medir el tiempo quetarda la espuma en alcanzar elborde de una probeta en funciónde la concentración de peróxidoempleada.
Este mismo experimento sepuede realizar usando otros cata-lizadores, como las enzimas pero-xidasas que existen en el hígadoo en una patata, el hierro conte-nido en la hemoglobina de lasangre u óxidos metálicos comoel de manganeso (IV), el de plomo(IV) o el de hierro (III). Se puedecomprobar la distinta eficacia delcatalizador según su superficiede contacto utilizando el óxido demanganeso (IV) más o menospulverizado. La velocidad de for-mación de la espuma variarásegún la eficacia del catalizador.Se recomienda el uso de gafas de seguridad y guantes (RoyalSociety of Chemistry, 1994).
Quimioluminiscencia: «Luz fríacon luminol»
La luminiscencia, tambiénconocida como luz fría, es unfenómeno que ha llamado laatención del hombre a lo largo dela historia (los chinos ya la cono-cían desde la antigüedad y la lla-maban «el fuego frío» que emitía«la mosca del fuego») y siguesiendo igual de atractiva para losestudiantes de cualquier niveleducativo.
Un proceso luminiscente seproduce cuando un átomo esexcitado, los electrones pasan aniveles de energía superior (sinque sea por acción de la radia-ción térmica) y retornan poste-riormente al nivel fundamentalcon emisión de luz.
Según el tiempo en que tardeen emitirse la luz después de laexcitación, la luminiscencia seclasifica en fluorescencia, si elfenómeno es prácticamente ins-
Figura 11. En la botella se encuentra la disolución de agua oxigenada. Al desta-
parla y dejar caer sobre ella el catalizador [dióxido de manganeso (IV)], aparece
un chorro de microgotas de agua por la rápida formación de una gran cantidad de
vapor de agua.
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tantáneo, o en fosforescencia, si esmás duradero. Las sustanciasfluorescentes (como la quinina ola fluoresceína) necesitan serirradiadas para mostrar luminis-cencia (fotoluminiscencia). Estassustancias absorben una radia-ción de longitud de onda menor ala que emiten, normalmenteabsorben luz ultravioleta y emi-ten luz visible. Cuando se apagael foco emisor de radiación, lasustancia deja de emitir luz.
Según la forma de excitar elelectrón, la luminiscencia recibedistintos nombres:
– Fotoluminiscencia, si es poracción de la luz.
– Triboluminiscencia, si es porfricción.
– Electroluminiscencia, si es porimpacto con partículas cargadas.
– Quimioluminiscencia, si es porefecto de una reacción química.
La quimioluminiscencia es unfenómeno que nuestros alumnosreconocen fácilmente en algunosanimales, como las luciérnagas,o también en las llamadas barrasde luz que se utilizan en lasacampadas o las que usan lospescadores.
Una de las sustancias másempleadas para realizar reaccio-nes luminiscentes es el luminol,descubierto por Albrecht en 1928.El luminol (3-aminoftalhidracida),para exhibir su luminiscencia,debe ser excitado mediante unagente oxidante.
En la experiencia que aquí sedescribe, el luminol es oxidado enmedio básico por el oxígeno (libe-rado en la descomposición delperóxido de hidrógeno) a ión ami-noftalato, que se forma en unestado excitado, es decir, de mayorenergía, el cual se desactiva emi-tiendo luz y produciéndose laluminiscencia (Shakhashiri, 1983).
Esta reacción necesita ser cata-lizada para que se produzca laluminiscencia (véase el apartadoanterior).
Procedimiento experimentalSe pueden emplear diferentescatalizadores, como sales de Cu(II) o de Co (II). En este caso, utili-zaremos como catalizador el iónhierro (III) (Fe3+) contenido en elhexacianoferrato (III) de potasio(K3Fe(CN)6), conocido tambiéncomo ferricianuro de potasio.
Para ello, se prepararan lassiguientes disoluciones:
– Disolución A: se disuelven 4 gde hidróxido de sodio (NaOH) y0,4 g de luminol en 1 L de aguadestilada.
– Disolución B: se disuelven 4 gde ferricianuro de potasio en 1 L de agua destilada.
Se preparan tubos de ensayo (uotros recipientes) como se mues-tra en la fig. 5a, cada uno con:
1. 30-40 mL de la disolución A.Opcionalmente se pueden añadirunas gotas de disolución de colo-rante cromóforo (unos 0,5 mL).
2. El mismo volumen de la diso-lución B y unas gotas (unos 0,5 mL)de la disolución de agua oxigena-da al 30 % (110 volúmenes).
Para poder observar la luminis-cencia, se oscurece la habitacióny se añade poco a poco el conte-nido del tubo 2 sobre el 1. Apare-cerá un destello luminoso azul (lalongitud de onda de la luz emiti-da es de 425 nm) por la quimiolu-miniscencia del luminol.
Si se han añadido además dife-rentes cromóforos, aparecerándistintos colores para la luz emi-tida: amarillento, si se añadefluoresceína; rojo rosáceo, si seañade rodamina B; rojo violáceo,
con rodamina 6G, y naranja, si eseosina (mezclando fluoresceína yrodamina B en proporción 3:1aparece rosa pálido). Las disolu-ciones de cromóforos se preparanal 0,5 % en agua, excepto la derodamina 6G, que es una disolu-ción al 0,5 % en alcohol.
En esta experiencia se han uti-lizado como colorantes cromófo-ros: rodamina 6G, fluoresceínacon timolftaleína (indicador depH), fluoresceína y timolftaleína(fig. 12a), dando lugar a luz decolor azul, amarillo, verde y viole-ta, respectivamente (fig. 12b).
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luminol (3-aminoftalhidracida) + H2O2/Fe3+ � Ión aminoftalato * +N2 + H2O
Figura 12. Las probetas contienen luminol enmedio básico con diferentes colorantes cromó-foros. Al añadir la disolución de ferricianurode potasio y agua oxigenada, se produce laluminiscencia.
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Recomendaciones didácticasSi no se dispone de luminol, que
es un reactivo caro, se pueden com-prar las «barras de luz» (se puedenadquirir en tiendas de equipos paraaire libre), que contienen otra sus-tancia luminiscente (un éster de unfeniloxalato) junto con una basefluorescente dentro de un tubo decristal que se encuentra dentro deotro de plástico que contiene ladisolución de agua oxigenada.Cuando dicho tubo se dobla, serompe el de cristal y ambas disolu-ciones se mezclan produciéndose lareacción. En este caso no se podrí-an realizar los experimentos ante-riores tal como están descritos.
Se puede hacer un estudiocualitativo sobre cómo influye latemperatura en la velocidad dereacción calentando o enfriandoestas «barras de luz», o bien lassoluciones antes descritas. Cuan-to mayor sea la temperatura, másintensa será la luz emitida, peromenos duradera.
Habría que resaltar que estareacción del luminol tiene diver-sas aplicaciones en distintos cam-pos de la vida, como, por ejemplo,para encontrar la presencia deagua oxigenada en el agua. Lapolicía científica la utiliza paradetectar rastros de sangre y enmedicina general se usa parainvestigar la presencia de óxidonítrico en los gases exhalados deenfermos asmáticos (Martín Sán-chez y Martín Sánchez, 2001).
Reacciones redox: «Botes de colores»
Todos hemos comprobado algu-na vez la oxidación de una man-zana mordida que hemos dejadoa la intemperie. Las reacciones deoxidación-reducción (redox) for-man una parte importante denuestra vida, desde la combus-tión de los combustibles fósileshasta la acción de la mayoría delos blanqueadores domésticos.
En este tipo de reacciones existeuna transferencia de electrones
Procedimiento experimental
Se preparan las siguientes disoluciones:– Disolución A: se disuelven 20 g de NaOH en 1 L de agua.– Disolución B: se disuelven 40 g de glucosa en 1 L de agua.– Disolución C: se disuelve 1 g de azul de metileno en 100 mL de agua.
Nota: se puede utilizar agua del grifo. Estas soluciones pueden conservarsedurante bastante tiempo en botes bien cerrados.
En una botella o matraz, se añaden 100 mL de las disoluciones A y B,unas dos o tres gotas de la disolución C y se tapa. Esta disolución pre-senta un color azul intenso, pero tras unos segundos el color va desapa-reciendo y queda totalmente incolora. Cuando se agita el frasco,recupera el color azul, pero tras unos segundos vuelve a quedarse inco-lora y así se produce sucesivamente un ciclo de oxidaciones y reduccio-nes.
desde una especie denominada reductora (porque «reduce» a la otracediendo electrones) a otra especie que los acepta, llamada oxidante. Laoxidación es un proceso que implica una pérdida de electrones, mientrasque la reducción implica ganancia.
Las reacciones redox tienen una gran importancia tanto desde unpunto de vista industrial como desde un punto de vista biológico. En losseres vivos forman parte de los procesos más importantes para la vida,como la respiración y la fotosíntesis, donde se producen secuencias dereacciones redox sucesivas.
En esta experiencia se observa cómo funcionan dos reacciones redox aco-pladas, es decir, de forma consecutiva y cíclica. Este es un ejemplo simplede cómo se transfieren los electrones al oxígeno del aire desde un azúcar(como el que se ha tomado en la comida). Se utilizan reactivos que se pue-den encontrar fácilmente en los laboratorios de secundaria o bien se pue-den adquirir en droguerías.
Como azúcar se utiliza la glucosa, que en medio alcalino se oxida fácilmente yreacciona con el oxígeno del aire para formar ácido glucónico, según la reacción:
Glucosa + oxígeno � ácido glucónico + OH-
Para observar esta reacción, utilizamos un indicador redox, el azul demetileno, que se presenta en dos formas diferentes: en presencia de oxíge-no, está en su forma oxidada y tiene color azul, siendo incoloro en suforma reducida.
Mientras hay oxígeno disuelto en la disolución, el azul de metileno estáen su forma oxidada de color azul. Pero este oxígeno reacciona con la glu-cosa, que se oxida hasta ácido glucónico. Cuando se consume el oxígeno, laglucosa reacciona con el azul de metileno reduciéndolo hasta su formareducida, que es incolora. Al agitar el frasco, el oxígeno del aire que hay enél se incorpora a la disolución y oxida el azul de metileno, dando lugar a suforma oxidada de color azul. Al mismo tiempo, esta forma oxidada lenta-mente oxida la glucosa, mientras que ella se reduce, volviendo a dar suforma incolora inicial reducida (fig. 13).
Así transcurre de forma encadenada este ciclo de reacciones redox,que se puede describir en el siguiente esquema:– Etapa 1: anaeróbica (sin aire).Azul de metileno (oxid.) + glucosa � Azul de metileno (red.) + ácido glucónico
azul incoloro
– Etapa 2: aeróbica (al agitar la botella, participa el oxígeno del aire).Azul de metileno (red.) +O2(g)+2 H2O � Azul de metileno (oxid.) + 4OH–(ac)
incoloro azul
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Recomendaciones didácticas• Los colores del paso de azul � incoloro conseguidos con la reduc-
ción-oxidación del azul de metileno se pueden cambiar utilizando indi-cadores de pH, puesto que este ciclo de reacciones transcurre en medioalcalino. Para ello se preparan dos matraces con la misma mezcla quese describió anteriormente y, además, se añade:
– Matraz A: unas gotas de una disolución de 4-nitrofenol(véase exp. 2.1) (fig. 13a).
– Matraz B: unas gotas de una disolución de fenolftaleína (véase exp. 2.1).
Tras unos segundos:– Matraz A: pasará de verde a amarillo, y así sucesivamente (fig. 13b).– Matraz B: pasará de morado a rosa, y así sucesivamente.
• Además del azul de metileno, pueden utilizarse otros indicadoresredox, como, por ejemplo, la resazurina, que produce el siguiente cam-bio de color:
azul claro (forma reducida) ⇄ rosa púrpura (forma oxidada)(sin agitar) (con agitación)
Con fenosafranina:
incolora (forma reducida) ⇄ rojo rosáceo (forma oxidada)(sin agitar) (con agitación)
La reacción con índigo carmín es incluso más espectacular, con uncambio de color amarillo a rojo con agitación suave y a verde conagitación fuerte.
• La temperatura afecta en la velocidad de reacción, por lo que endías fríos habría que calentar la disolución entre 25 y 50 ºC.
• Se puede comprobar que el oxígeno es el responsable del color delos indicadores redox, eliminando el oxígeno mediante burbujeo connitrógeno en el matraz. Al agitar el bote, no hay cambio de color.
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Figura 13a. Los matraces contienen lamezcla de las disoluciones A, B y Cantes descritas. El matraz de la dere-cha contiene además unas gotas deuna disolución de 4-nitrofenol.
Figura 13b. Tras un tiempo, el azul demetileno se reduce, por lo que quedaincolora la disolución y el que contenía4-nitrofenol aparece amarillo.
RecomendacionesAunque las experiencias que se
describen aquí no utilizan mate-riales especialmente peligrosos onocivos, conviene observar lasnormas elementales de seguridadde los laboratorios químicos yemplear los elementos de protec-ción adecuados, como el uso degafas protectoras, guantes y batas.
Se pueden consultar normas deseguridad en esta dirección web:http://www.quimicaweb.net/ciencia/paginas/laboratorio/normas.htm.
Conclusiones La realización de experimentos
con los alumnos hace queaumente su interés por saber loque hay detrás de ellos. Nos sue-len preguntar por el «truco» ydónde se pueden conseguir lassustancias para que ellos lospuedan repetir por su cuenta. Enrealidad, lo que nos están pidien-do sin darse cuenta son las reac-ciones químicas que tienen lugaren las experiencias. Ello nosmuestra que tras ver las sesionesde demostraciones de químicacambia la visión que tienen de laasignatura.
Muchos profesores tambiénnos piden el procedimiento pararealizarlas y poder llevarlas alaula con sus alumnos, lo que nosindica que también sirve demotivación para la enseñanza dela química. En definitiva, la quí-mica y, en general, las cienciasexperimentales necesitan unabase teórica, pero, como indicasu nombre, necesitan tambiénexperimentar.
La química y, en general,las cienciasexperimentales necesitanuna base teórica, pero,como indica su nombre,necesitan tambiénexperimentar
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Referencias bibliográficas AGUILAR MUÑOZ, M.; DURÁN TORRES,
C. (2011). «Reacciones encadena-das: Del reloj de yodo al arco irisquímico». Revista Eureka sobreEnseñanza y Divulgación de las Cien-cias, 8(1): 105-110. [También en:http://hdl.handle.net/10498/10209]
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MARTÍN SÁNCHEZ, Mª T.; MARTÍN
SÁNCHEZ, M. (2001). «Luz fría:Trabajos experimentales senci-llos». Anales de la Real SociedadEspañola de Química, 4: 37-42.
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Páginas webCAÑAMERO, A. (2007). «Los colores
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Marisa Aguilar Muñozes profesora de física y química en el
IES Costa del Sol de Torremolinos
(Málaga). Licenciada en Ciencias Quí-
micas por la Universidad de Málaga.
Ha impartido numerosos cursos de
formación del profesorado y de divul-
gación científica. Ha escrito varios
artículos sobre didáctica de la quími-
ca y experiencias prácticas. Actual-
mente es profesora en el Centro de
Ciencia Principia de Málaga.
C. e.: [email protected].
Manuel Fernández Tapiaes profesor de física y química en el
IES Arroyo de la Miel de Benalmáde-
na (Málaga). Licenciado en Física por
la Universidad Complutense de
Madrid. Ha impartido cursos de for-
mación del profesorado y de divulga-
ción científica. Actualmente es
profesor en el Centro de Ciencia Prin-
cipia de Málaga.
C. e.: [email protected].
Carlos Durán Torreses profesor de física y química en el
IES Nuestra Señora de la Victoria de
Málaga. Licenciado en Ciencias Quí-
micas por la Universidad de Málaga.
Ha impartido cursos de formación
del profesorado y de divulgación
científica. Ha escrito varios artículos
sobre didáctica de la química y expe-
riencias prácticas. Actualmente es
profesor en el Centro de Ciencia Prin-
cipia de Málaga.
C. e.: [email protected].
Figura 14. Museo Principia, Málaga. Web: http://www.principia-malaga.com.
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