Traducción de Elisa López Schiaffino.
Aprende a llevar a cabo experimentos en microescala en clases de química donde se cuida el medio ambiente (y además no hace falta lavar tantas cosas).
en la plaza de los Héroes, en
Budapest (Hungría).
Imagen cortesía de Gerwin
Filius; fuente de la imagen:
Flickr
El año pasado, trabajé con mis estudiantes en un proyecto internacional de Scientixw1, que utilizaba química para analizar objetos de metal hallados en los sitios de patrimonio cultural de la UNESCO, como por ejemplo las estatuas de cobre y bronce de la plaza de los Héroes en Budapest (Hungría). Realizamos experimentos en los que utilizamos compuestos de hierro, cobre, níquel, plata, plomo, mercurio y otros metales pesados, materiales que son peligrosos, tóxicos y contaminantes. Aunque solo habíamos usado uno o dos mililitros de solución en cada tubo de ensayo, cuando toda la clase había terminado cada experimento, se había producido una gran cantidad de residuos tóxicos. Estamos muy interesados en proteger el medio ambiente, así que comenzamos a pensar cómo podíamos reducir la cantidad de productos químicos que usamos durante los experimentos.
Nuestra primera idea fue reemplazar los tubos de ensayo por bandejas con cavidades hechas con cajas plásticas vacías de píldoras o chicle, y utilizar las cavidades de las bandejas como recipientes para las reacciones (figura 1). Este método, que encontramos descripto en un artículo anterior de Science in School (Kalogirou & Nicas, 2010), redujo drásticamente la cantidad de productos químicos que utilizamos. Pero queríamos mejorar aún más.
Nuestra siguiente idea fue usar papel de filtro como recipiente para las reacciones de precipitación, y colocamos en un mismo lugar gotas de los productos químicos que reaccionaban entre sí. En estos experimentos, usamos solo una o dos gotas de cada reactivo, alrededor de una centésima parte de la cantidad usada en los experimentos con tubos de ensayo. Como usamos compuestos coloreados, las reacciones fueron visibles de inmediato y pudimos identificar los productos por su color.
Descubrimos que era buena idea empapar el papel de filtro con uno de los reactivos no tóxicos, secarlo y luego colocar gotas de los otros reactivos sobre el papel. Se pueden llevar a cabo varias reacciones en el mismo papel de filtro si se deja un espacio entre los lugares donde se producen las reacciones.
La figura 2 muestra las reacciones de cloruro de hierro (III): primero, con hidróxido de sodio sobre papel de filtro, lo que produce un precipitado de hidróxido de hierro (III); y luego, con hexacianoferrato de potasio sobre papel de filtro, lo que produce el característico precipitado de azul de Prusia. (Si deseas leer las ecuaciones de estas reacciones, consulta la Actividad 1).
La idea para realizar el método siguiente surgió por pura casualidad, cuando encontramos una caja usada de desodorante ambiental que tenía pequeñas esferas secas de hidrogel en su interior. Los hidrogeles son polímeros superabsorbentes que se encogen cuando se secan y se vuelven a hinchar cuando se los coloca en agua. Estas esferas son fáciles de adquirir, y con frecuencia se las utiliza en adornos florales y desodorantes de ambiente. Al hincharse, conservan su forma esférica y forman una perla acuosa donde pueden producirse reacciones.
Con las esferas de hidrogel, primero realizamos reacciones de precipitación (al igual que con los experimentos con papel de filtro). Los resultados que obtuvimos con este método fueron interesantes y convincentes. Usamos una cantidad mínima de reactivos y además, debido a la forma esférica de los hidrogeles, eran como lentes de aumento y hacían que las reacciones fueran más visibles.
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Por ello, probamos otras reacciones químicas estándares usando las esferas de hidrogel, con resultados diversos. Las reacciones ácido-base no funcionaron bien, porque los colores de los indicadores (universal, tornasol, fenolftaleína y otros) no eran lo suficientemente fuertes y el procedimiento era algo complicado.
Pero las reacciones electroquímicas sí fueron un éxito: por ejemplo, la electrólisis de la solución de nitrato de plata, la de yoduro de cinc, la del agua y otras soluciones funcionaron bien (véase la Actividad 2). Normalmente, en este tipo de experimentos se deposita una capa delgada de metal en la superficie de un electrodo, y a menudo esta capa es poco visible. Sin embargo, en las esferas de hidrogel el metal reducido aparece dentro del gel como una mancha, por lo que es más visible y puede estudiarse con mayor facilidad.
Para introducir los reactivos en las esferas de hidrogel, usamos jeringas y agujas hipodérmicas. Por esta razón, estos experimentos solo son apropiados para estudiantes mayores de 16 años, y se necesita tener mucho cuidado y un buen comportamiento por parte de los alumnos. Para estudiantes más jóvenes (o de peor comportamiento), el experimento puede llevarse a cabo como una demostración del docente a través de una cámara web.
En esta actividad, se necesitan aproximadamente 10 minutos para cada experimento de precipitación, aunque las esferas de hidrogel deben remojarse con anticipación. Dado que se usa tan poco reactivo en cada esfera de hidrogel, las jeringas hipodérmicas pueden volver a usarse en la siguiente clase de química.
Este experimento es apropiado solo para estudiantes mayores de 16 años, que deberán estar bajo supervisión docente en todo momento. El docente debe contar las agujas hipodérmicas al repartirlas y cuando se las devuelven, para asegurarse de que no falte ninguna. Se deben doblar las agujas hipodérmicas usadas y luego desecharlas en un recipiente para objetos punzocortantes. Es necesario usar anteojos de seguridad y guantes descartables durante toda la actividad.
Se deben tomar precauciones adicionales si se usa algún reactivo tóxico (por ejemplo, compuestos de mercurio o plomo), y se deben colocar las esferas de hidrogel que contienen estos compuestos en un recipiente para residuos peligrosos.
Consulta también la nota de seguridad general página web de Science in School.
Necesitarás los siguientes materiales para cada estudiante o grupo:
Reagents:
El método también puede usarse para otras reacciones de precipitación, por lo que la lista de materiales aquí detallada se puede ampliar o adaptar.
Primero, lava las esferas de hidrogel varias veces en agua destilada, luego déjalas que se hinchen en más agua destilada durante al menos 2 horas. Se necesitan alrededor de 500 ml de agua destilada para remojar 30 esferas de hidrogel.
Para cada reacción:
Las ecuaciones y los cambios de color para estas reacciones son:
Para llevar a cabo una discusión con toda la clase, se pueden plantear preguntas como las siguientes:
En estos experimentos, en lugar de introducir las soluciones electrolíticas en las esferas de hidrogel hinchadas, colocamos las esferas sobre papel de filtro remojado con el electrolito y luego insertamos electrodos en las esferas (figura 4). Los iones de electrolitos migran del papel de filtro a las esferas, donde se forma el depósito. Para los electrodos en miniatura, usamos minas de grafito de un lápiz mecánico. En el experimento de la electrólisis del agua, el desprendimiento de las burbujas de gas (hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo) era muy visibles (figura 5).
A diferencia de las reacciones de precipitación, este experimento no emplea agujas hipodérmicas, por lo que es apropiado para estudiantes mayores de 14 años. El tiempo que se necesita para la actividad es alrededor de 10 minutos para cada una de las reacciones, si se usan esferas de hidrogel que ya están hinchadas; si no, se necesitan 2 horas más para remojarlas.
Necesitarás lo siguiente para cada estudiante o grupo:
Soluciones electrolíticas:
Las ecuaciones de las reacciones de electrólisis son:
Cátodo (electrodo negativo):2Ag+(aq) + 2e- → 2Ag(s)
Ánodo (electrodo positivo): H2O(l) → ½ O2(g) + 2H+(aq) + 2e-
Cátodo (electrodo negativo): Zn2+(aq) + 2e- → Zn(s)
Ánodo (electrodo positivo):: 2I-(aq) → I2(s) + 2e-
Cátodo (electrodo negativo): 4H2O(l) + 4e- → 2H2(g) + 4OH-(aq)
Ánodo (electrodo positivo): 2H2O(l) → O2(g) + 4 H+(aq) + 4e-
Todos estos experimentos pueden realizarse de forma económica y ayudan a que los estudiantes tengan en cuenta el cuidado del medio ambiente. Además, encontramos una ventaja más de no usar tubos de ensayo y otros materiales de laboratorio de vidrio: evitamos tener que lavarlos al finalizar los experimentos, lo que ahorra tiempo, agua y esfuerzo.
Los hidrogeles son polímeros superabsorbentes; usualmente están hechos con polímeros de polimetacrilato. Estos polímeros son xerogeles, lo que significa que cuando se los coloca en agua, se hinchan y aumentan de tamaño en forma significativa. Se emplean en la agroquímica para que las plantas crezcan mediante la hidrocultura, y se utilizan en pañales descartables, popurrís, desodorantes de ambientes, etc.
Químicamente, los xerogeles son compuestos iónicos. Cuando se los coloca en agua o en una solución de sal diluida, los iones se hidratan cuando atraen a las moléculas polares de agua, lo que hace que las esferas de hidrogel aumenten de tamaño. En agua destilada, un hidrogel puede absorber 300 veces su peso, pero en solución de cloruro de sodio (a una concentración isotónica con la sangre humana), la absorción es de 50 veces su peso. El hidrogel conserva su forma original gracias a los enlaces cruzados de los polímeros.
La autora agradece al Doctoral School of Humanities de la Universidad de Debrecen (Hungría) por el apoyo a su trabajo.