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

Author(s): Bob Worley and Adrian Allan
Translator(s): José Luis Cebollada

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

Coloca la hoja en la funda plástica.
Añade gotas de los reactivos en los círculos usando cuentagotas o pipeta
Añade los indicadores correspondientes en cada fila
Anota o fotografía los resultados
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 K_c 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 K_c 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.