Traducción de Marisa Prolongo y Gabriel Pinto.
Usa un chupachup para activar reacciones redox que cambian de color en esta actividad sencilla pero llamativa.
La enseñanza de las reacciones de oxidación y reducción (redox) forma parte de todos los planes de estudios de química en educación secundaria. En este artículo, exponemos una demostración con vistosos cambios de color para ilustrar una cadena de reacciones redox, en la que los electrones se transfieren entre diferentes compuestos e iones. La actividad es adecuada como demostración del profesor, o para que los estudiantes (según su edad y etapa educativa) la realicen ellos mismos.
Una reacción redox es cualquier reacción química en la que una molécula, átomo o ion pierde o gana electrones, modificando su estado de oxidación. Un agente oxidante gana electrones (y se reduce en la reacción) y un agente reductor pierde electrones (y se oxida en la reacción). En este experimento, la glucosa del chupachup se utiliza como agente reductor. Cuando la glucosa se añade a la disolución que contiene iones OH– hay una variedad de semirreacciones. Entre otras, la principal es que el grupo aldehído de la glucosa cede electrones, dando lugar a grupo carboxílico (en forma de carboxilato por tratarse de medio básico):
–CHO + 3 OH- → –COO- + 2 H2O + 2 e-
(grupo aldehído) (grupo carboxílico, como carboxilato)
También, los grupos alcohol de la glucosa ceden electrones, formando grupo carboxílico (en el caso del alcohol primario) y grupos cetona (en el caso de alcoholes secundarios):
–C(H)(OH)– + 2OH– → –C(=O)– + 2H2O + 2e–
(alcohol secundario) (grupo cetona)
En nuestro experimento, la glucosa se añade a una disolución de permanganato de potasio junto con hidróxido de sodio (NaOH), de forma que electrones de la glucosa (C6H12O6) se traspasan inicialmente a iones permanganato (MnO4–). Los productos de la oxidación del azúcar reductor son principalmente ácido glucurónico (C6H10O7), además de algo de ácidos arabinónico (C5H10O6) y fórmico (CH2O2). Si el chupachup está hecho de fructosa, que es un isómero de la glucosa, el producto principal es el ácido fructónico (también C6H10O7 y con nº CAS 669-90-9).
En una serie de reacciones redox, los electrones se traspasan continuamente de la glucosa a compuestos sucesivos de manganeso. En cada paso de la cadena, se ve un cambio de color. El manganeso es ideal para este experimento, ya que tiene más estados de oxidación estables que cualquier otro metal de transición (de +2 a +7), cada uno con diferente color.
Puede que estés familiarizado con la demostración clásica del "camaleón químico"w1,de la que este experimento es una adaptación. En la versión original, comienzas con una disolución de permanganato de potasio y glucosa, que cambia de color al mezclarla con una espátula. Al usar el chupachup, la glucosa se agrega más gradualmente a la disolución, lo que hace que sea más fácil seguir los cambios de color. El uso de un pequeño agitador eléctrico favorece que el chupachup se agite más rápido que con la mano.
Necesitarás los siguientes materiales (ver figura 1):
Se debe usar bata de laboratorio, guantes y gafas de seguridad. Los profesores deben seguir las normas de prevención de riesgos y seguridad adecuadas a su entorno, en particular con respecto al uso de permanganato de potasio y la eliminación de la disolución resultante. Ver también la nota de seguridad general.
La actividad es adecuada para realizar en una sesión de clase. El experimento dura solo unos 15 minutos y puede ser seguido de preguntas y discusión.
Los pasos son los siguientes:
A medida que el chupachup se disuelva en la disolución, observarás cambios de color para cada reacción redox. Los dos primeros suceden muy rápidamente (3-5 segundos), mientras que los cambios siguientes tardan un poco más. Los estudiantes pueden hacer fotos (por ejemplo, con la cámara de su teléfono móvil) en varios momentos para comparar y seguir mejor los cambios de color. Un vídeo de los autores donde se muestra el experimento está disponible en español w2.
A medida que el chupachup se disuelve en la disolución que contiene iones de manganeso, se pueden distinguir al menos cinco colores diferentes (como se muestra en la figura 2), que corresponden a diferentes estados de oxidación de este metal.
MnO4–(aq) (púrpura) + e– → MnO42–(aq) (verde)
Se produce una etapa azul intermedia entre los pasos 1 y 2. Una explicación es que la mezcla contiene tanto iones de permanganato (MnO4–) púrpura como de manganato (MnO42–) verde, que se combinan para dar una disolución azul. Otra explicación es que parte del permanganato se reduce a anión MnO43–, que tiene un estado de oxidación +5 para el manganeso y color azul.
MnO4–(aq) (púrpura) + 2e– → MnO43–(aq) (azul)
MnO42–(aq) (verde) + 2 H2O(l) + 2e– → MnO2(s) + 4OH–(aq) (amarillo-marrón)
Los colorantes alimentarios utilizados en los chupachups no tienen gran impacto en los colores que se ven en este experimento, pero hay otros factores que sí juegan un papel relevante. Una vez que se inician las reacciones, siempre hay coexistencia de iones en la disolución, lo que provoca unas mezclas de colores que no siempre son fáciles de interpretar (ver figura 3).
Otro factor es que el color de los iones de manganeso en disolución no siempre es el mismo que el de sus correspondientes sales sólidas. Esto se debe a que los iones de manganeso forman complejos con el agua debido a la capacidad de aceptación de electrones de sus orbitales atómicos d. Además, la tendencia de las especies químicas a aceptar electrones varía con el pH y la temperatura, por lo que si cambias estas variables o las cantidades de los productos químicos, los colores variarán, y los cambios de color se producirán en diferentes momentos de los experimentos.
Los electrones están dispuestos en niveles de energía que se denominan capas electrónicas. Cada capa se divide en subcapas, que están formadas por orbitales. Los metales de transición suelen tener uno o más electrones en su orbital d más externo. La diferencia de energía entre los electrones de orbitales d individuales es relativamente pequeña, por lo que los cationes de metales de transición tienen una variedad de formas de establecer enlaces químicos que implican diferentes números de electrones en orbitales d. Esta es la razón por la que los metales de transición tienen varios estados de oxidación.
Cuando los electrones absorben ciertas frecuencias de radiación electromagnética, saltan a un nivel de energía más alto. En muchos metales de transición, la diferencia de energía entre los orbitales d corresponde a la energía de la radiación del espectro de luz visible. Por ejemplo, los electrones de orbitales d de los iones de permanganato absorben radiación electromagnética de la parte amarilla del espectro visible, pero lo que vemos como el color de una disolución con iones permanganato es el complementario, es decir, púrpura. Vemos el color de las longitudes de onda restantes que no fueron absorbidas (figura 4).
Para relacionar esta demostración realizada con chupachups con la química de las reacciones redox, puedes preguntar a tus alumnos algunas de las siguientes cuestiones:
Este experimento se puede realizar de varias maneras diferentes. Por ejemplo, en lugar de usar un chupachup, se podría usar un chicle que contenga azúcar como agente reductor; o en lugar de agregar la glucosa en un matraz erlenmeyer, puedes añadirla a una botella de plástico y agitarla para observar los cambios de color (ver figura 5). Tus alumnos podrían desarrollar su creatividad para pensar en experimentos alternativos.
Este artículo está basado en una presentación realizada en el festival de Ciencia en Acción (sección española del programa Science on Stage) en 2014. El trabajo se llevó a cabo inicialmente por alumnos del I.E.S. Manuel Romero (Málaga). Agradecemos la ayuda prestada por la Universidad Politécnica de Madrid (proyectos “Promoción del aprendizaje experiencial de la química” y “Chem-Innova”) y por la Real Sociedad Española de Química (RSEQ).