Maravillas en miniatura: experimentos sobre el pH a microescala Teach article

Cambios gota a gota. Vamos a estudiar la química de los indicadores pH y las reacciones de neutralización; obtendremos colores vistosos mediante el uso de la química a microescala que es barata, rápida y fácil de realizar.

Podemos usar los indicadores coloreados como una estrategia para presentar a los estudiantes la química. Este concepto se seguirá usando a lo largo de los estudios. Los indicadores se usan para valoraciones; en la medicina se estudian las variaciones de pH en la orina causadas por infecciones de riñón; en estudios medioambientales se analiza el agua potable; la de las corrientes, ríos, acuarios y también es estudia el pH del suelo. Las actividades que se proponen son adecuadas para estudiantes de 11-16 años.

Actividad 1 Cambios de color en el indicador

Una plantilla para estudiar los colores de los indicadores pH

Trabajar la química a microescala ahorra tiempo en las actividades de laboratorio y en la limpieza al finalizar. Además, los alumnos están sentados, lo que facilita la gestión de las clases prácticas.

Para esta actividad vamos a usar una plantilla similar a la de la derecha que están en el archivo Plantillas  

También hay otro documento, Notas prácticas, que contiene consejos sobre la confección de plantillas e instrucciones para preparar las disoluciones reguladoras.

Nota de seguridad

Se utilizan disoluciones muy poco peligrosas pero hay que utilizar gafas de protección.

Materiales

  • La Hoja de reacciones, plastificada o en una funda de plástico
  • Disolución indicadora de azul de bromotimol
  • Disolución indicadora de naranja de metilo
  • Disolución de fenolftaleína
  • Disolución de tornasol
  • Disolución amortiguadora de pH 7 (se podría usar agua del grifo pero hay que comprobarlo antes; en algunas regiones con agua blanda puede tener pH ácido)
  • Ácido clorhídrico (0.02 M)
  • Hidróxido de sodio (0.02 M)
  • Botes con cuentagotas con las disoluciones anteriores o pipetas de Pasteur y vaso con agua para limpiar las pipetas entre usos

Procedimiento

  1. Coloca la hoja en la funda plástica.
  2. Añade gotas de los reactivos en los círculos usando cuentagotas o pipeta
  3. Añade los indicadores correspondientes en cada fila
  4. Anota o fotografía los resultados
  5. Limpieza: pasa un papel absorbente sobre la superficie plástica y deja el papel en la papelera.

El tornasol y el azul de bromotimol viran a pH 7. Pero los estudiantes tienen que tener claro que no todos los indicadores viran a pH 7, aunque sea una disolución neutra con el mismo número de iones hidronio e hidróxido.

La hoja de ensayos de pH muestra los colores de la solución indicadora a diferentes valores de pH
Resultados de indicadores pH a microescala sobre una hoja plastificada.
Imagen cortesía de Beth Sutherland y Pixie Murray

Variaciones

Podemos adaptar el trabajo a los productos químicos que dispongamos:

  • Ácido acético 0,05-0,1 M (o vinagre blanco en su defecto) en lugar de ácido clorhídrico  0.02 M.
  • Carbonato de sodio 0.1 M en lugar de hidróxido de sodio 0,02 M.

Se pueden usar otros indicadores de síntesis como timolftaleína o azul de bromofenol.

Ampliación: ejemplo de reacción reversible

Podemos repetir las reacciones para centrarnos en diferentes aspectos químicos. Los cambios de color son muy atractivos para los estudiantes más jóvenes pero este cambio puede usarse para explicar las reacciones reversibles, un concepto muy difícil.

Plantilla para realizar reacciones reversibles

Los indicadores son ácidos débiles en los que el color de la forma ácida (HIn(aq)) es diferente del de su base conjugada (In(aq)).

\[\color{red}{\text{HIn}\text{(aq)}}⇄\text{H}^+{ }\text{(aq)}+\color{blue}{\text{In}^{-}{ }\text{(aq)}}\]

Este método permite alternar entre las dos formas del indicador por adiciones sucesivas de ácido y de base.

Esto significa que podemos explicar el cambio mediante el principio de Le Chatelier. Sin embargo, es preferible explicar estos comportamientos utilizando la ecuación de la constante de equilibrio, valor que es constante si no varía la temperatura:

\[K_c = {[\text{H}^+ ]_\text{eq}\color{blue}{[\text{In}^- ]_\text{eq}}\over\color{red}{\text{[HIn]}_\text{eq }}}\]

Si aumentamos la concentración de iones hidrógeno, para que Kc permanezca constante, tiene que aumentar el valor de [HIn]eq. Si añadimos iones hidróxido, disminuye [H+]eq por lo tanto [In]eq tiene que aumentar para que Kc siga siendo constante.

Utilizar indicadores muy diluidos y naturales para ilustrar las reacciones reversibles es un ejemplo de química ‘verde’. Muchas veces se cita en los textos como ejemplo de reacciones reversibles el equilibrio cromato/dicromato que sucede al variar la acidez. Sin embargo, los compuestos de cromo (VI) son muy peligroso y hay que sustituirlos por otros ‘verdes’ para bien de los estudiantes y del medio ambiente.

Gotas de disolución indicadora que cambia de color al variar el pH y muestra que la reacción es reversible.
Reacciones reversibles de ácidos y bases en microescala.
Imagen cortesía de Beth Sutherland y Pixie Murray

Actividad 2: investigar los indicadores pH

Plantilla para hacer indicador universal.

El naranja de metilo, un indicador sintético, cambia de color muy rápidamente en un estrecho intervalo de pH.

El indicador universal muestra un cambio de color gradual en un intervalo amplio de pH. Se fabrica mezclando diferentes indicadores, así se producen sucesivos cambios en el color. La mezcla comercial está basada en rojo de metilo, azul de timol, azul de bromotimol y fenolftaleína. Los estudiantes pueden hacer una versión con naranja de metilo usando la plantilla adjunta. Los colores, que atraen inmediatamente la atención de los estudiantes, pueden ser el punto de partida para investigar sobre los indicadores naturales.

Esta actividad, realizada a la manera tradicional, necesitaría 20 tubos de ensayo. Con este enfoque los estudiantes pueden trabajar solos. Todas las instrucciones de la actividad se pueden visualizar de un vistazo, lo que reduce la carga de memoria a corto plazo y ayuda a que se retenga información en la memoria a largo plazo.

Notas de seguridad

Las disoluciones presentan muy poco peligro pero se deben usar gafas de protección.

Materiales

  • Hoja de reacciones plastificada o en funda de plástico
  • Azul de bromotimol en disolución
  • Naranja de metilo en disolución
  • Fenolftaleína en disolución
  • Ácido clorhídrico (0.1 M)
  • Hidróxido de sodio (0.1 M)
  • Disoluciones reguladoras de pH 4 y 9 (ver Notas prácticas)
  • Botellas con dosificados o pipetas de Pasteur y vaso de precipitado para limpiar las pipetas

Procedimiento

  1. Añade 4 gotas de ácido clorhídrico 0.1 M en el círculo A1 para crear una gota grande. Haz lo mismo para los círculos B1 al D1.
  2. Utiliza las disoluciones indicadas en la parte superior de las otras columnas en lugar del ácido 0,1M y repite el paso 1para las filas A2-D2, A3-D3, A4-D4 y A5-D5.
  3. Añade una gota de azul de bromotimol en cada círculo A1-A5; una de naranja de metilo en B1-B5 y una de fenolftaleína en C1-C5.
  4. Mezcla los indicadores (en vial de vidrio o en una microplaca) siguiendo las instrucciones del recuadro verde de la hoja de trabajo.
  5. Coloca una gota de tu indicador en cada una de las disoluciones de los círculos D1-D5. Anota tus observaciones (mejor una foto).

Discusión

Cuestiones para discutir con los estudiantes:

  • ¿Qué cambios de color se observan al añadir diferentes disoluciones a los indicadores?
  • ¿A qué pH vira cada indicador?
  • ¿Qué observamos si mezclamos tres indicadores? ¿A qué otro indicador que ya has visto se parece esta mezcla?

Explicación

En esta actividad los estudiantes observarán los siguientes cambios de color:

Si hacemos bien la mezcla para el indicador universal se observará un amplio rango de colores
Fabricando indicador universal
Imagen cortesía de Beth Sutherland y Pixie Murray

El azul de bromotimol, el naranja de metilo y la fenolftaleína viran con un salto de una o dos unidades de pH y a veces, con un claro cambio de color, lo que les hace idóneos para valoraciones.

Los cambios de color son debidos a que las moléculas muestran diferentes colores en función del pH de la disolución. El rango de pH para el cambio de color puede variar de unos indicadores a otros:

IndicadorRango de pH para el cambio de color
Azul de bromotimol6.0–7.6
Narnaja de metilo3.2–4.4
Fenolftaleína8.3–10.0

Si mezclamos los indicadores obtendremos diferentes colores al variar el pH. Este es el fundamento de los indicadores universales, que sirven para determinar el pH de una sustancia.

Como actividad de ampliación los estudiantes pueden usar indicadores de origen vegetal.

Actividad 3 Las coloridas burbujas de los charcos

Cuando se añade indicador a una gota de agua en el plástico sucede una preciosa reacción química. El ácido cítrico y el carbonato de sodio se añaden uno por cada lado. Inmediatamente aparecen colores diferentes perro cuando se juntan los colores comienza la aparición de burbujas de dióxido de carbono.

Notas de seguridad

Las disoluciones  y los sólidos presentan muy poco peligro pero se deben usar gafas de protección.

Materiales

  • Hoja de reacciones plastificada o en funda de plástico
  • Ácido cítrico
  • Carbonato de sodio
  • Disolución de indicador universal
  • Agua
  • Espátula
  • Palillos de dientes o depresores
  • Botellas con cuentagotas o pipetas de Pasteur

Procedimiento

  1. Añade 10 gotas de agua sobre el círculo grande en el centro de la hoja.
  2. Pon una gota de disolución de indicador universal sobre la gota grande.
  3. Usa la espátula para colocar unos cristales de ácido cítrico a la izquierda de la gota de agua.
  4. Usa la espátula para colocar unos cristales de carbonato de sodio a la derecha de la gota de agua.
  5. Empuja con con cuidado usando un palillo los cristales de ácido cítrico de la izquierda hacia la gota de agua.
  6. Empuja con con cuidado usando un palillo los cristales de carbonato de sodio de la derecha hacia la gota de agua.
  7. Observa qué sucede los siguientes minutos en la gota de agua.

Discusión

Comenta con tus estudiantes las siguientes cuestiones:

  • ¿Qué cambios ocurren cuando se añade carbonato de sodio o ácido cítrico al agua?
  • ¿Qué información aportan los cambios de color del ácido cítrico y el carbonato de sodio sobre el tipo de sustancias que son?
  • ¿Por qué hace falta agua para que reaccionen el ácido cítrico con el carbonato de sodio?
  • ¿De qué son las burbujas de gas?
  • ¿Qué otros productos además del gas se generan cuando reacciona el ácido cítrico con el carbonato de sodio?

Explicación

Los estudiantes tienen que observar los siguientes cambios de colores:

Al añadir dos sólidos a ambos lados de la gota una mitad se vuelve naranja y la otra, morada y se forma una línea amarilla con desprendimiento de burbujas donde se encuentran los dos colores.
Neutralización de ácido cítrico con carbonato de sodio a microescala Imagen cortesía de Adrian Allan.

Esta es una reacción de neutralización en la que el ácido cítrico reacciona con un carbonato metálico básico -en este caso carbonato de sodio. Se necesita agua para que se produzca la reacción porque tiene que romper las redes iónicas de los reactivos al introducirlos desde ambos lados de la gota cuando comienzan a disolverse. Esto permite que los iones se difundan y suceda la neutralización. Los productos des esta reacción son una sal (citrato de sodio) además de agua y dióxido de carbono.

Hay que hacer notar a los estudiantes que las burbujas de dióxido de carbono aparecen en la zona verde amarillenta, neutra, que es donde sucede la neutralización.

Muéstranos qué haces en tu aula

Muchos profesores son reacios a practicar estos métodos. Está bien hablar y escribir sobre estas técnicas de manera teórica pero lo realmente importante es probarlas en el aula. Adrian y yo hemos comprobado que la publicación de fotos y vídeos en las redes sociales como Twitter o grupos de Facebook aumenta el interés por esta técnica.

¿Tienes alguna foto de esta actividad para compartir con nosotros? Etiquétanos en tu red social (Twitter, Facebook, or Instagram), y crearemos una colección en nuestras páginas de Facebook e Instagram.

Agradecimientos

Los autores quieren agradecer a Beth Sutherland y Pixie Murray su trabajo para probar estos métodos y documentar sus resultados con fotos y también a Howard Tolliday por proporcionarnos plantas que probamos en la Dornoch Academy, Scotland, UK.


Resources

Author(s)

El Dr. Adrian Allan es profesor de química en la Dornoch Academy, UK. Representó al Reino Unido en las reuniones de Science on Stage de 2017 y 2019. Ha presentado webinars sobre química a microescala en Science on Stage y usa la magia para enseñar ciencia.

Bob Worley, FRSC, está parcialmente jubilado pero trabaja como asesor de química en CLEAPSS en el Reino Unido. Ha impartido clases de química durante 20 años y en 1991 se unió a CLEAPSS que asesora sobre contenidos científicos y temas de seguridad en los experimentos en el aula. Debido a sus intereses profesionales aumentó su preocupación por miniaturizar experimentos para mejorar la seguridad y la facilidad para realizarlos.


Review

La química a microescala es muy barata y permite realizar más actividades prácticas en el aula. Los autores describen actividades  de reacciones ácido-base muy atractivas sobre ‘bandejas de reacciones químicas’ fabricadas por vosotros, bandejas que combinan el guión de prácticas con un lugar donde hacer investigaciones químicas sobre él.

Ingo Eilks es profesor de didáctica de la química en la Universidad de Bremen, Alemania.

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