Chimica a colori: reazioni redox con i lecca-lecca Teach article

Uso di un lecca-lecca per innescare reazioni redox con cambiamenti cromatici per questa attività, semplice ma accattivante.

L’insegnamento delle reazioni di ossidoriduzione (redox) fa parte del programma di chimica di tutte le scuole secondarie superiori. In questo articolo, descriveremo una dimostrazione dai vividi cambiamenti cromatici per illustrare una catena di reazioni redox, in cui gli elettroni si trasferiscono attraverso diversi composti e ioni. L’attività è idonea per una dimostrazione condotta dall’insegnante, oppure potrebbe essere eseguita dagli studenti più grandi.

Oxidising and reducing agents

Una reazione redox è una qualunque reazione chimica in cui una molecola, un atomo o uno ione perde o acquista elettroni, variando il suo stato di ossidazione. Un agente ossidante acquista elettroni (e si riduce nel corso della reazione) e un agente riducente perde elettroni (e si ossida durante la reazione). In questo esperimento, il glucosio contenuto in un lecca-lecca viene utilizzato come riducente. Quando il glucosio viene aggiunto ad una soluzione che contiene ioni OH^–, ha luogo una varietà di semireazioni, una delle quali implica la donazione di elettroni da parte del gruppo aldeidico presente nel glucosio. Questo dà luogo a gruppi carbossilici sotto forma di carbossilati (a causa del mezzo alcalino):

–CHO     +     3 OH^–     →     –COO^–     +    2 H₂O  +  2 e^–

(gruppo aldeidico)                (gruppo carbossilico, come carbossilato)

Inoltre, anche i gruppi alcolici del glucosio donano elettroni, dando luogo a gruppi carbossilici (nel caso di alcoli primari) e gruppi chetonici (nel caso di alcoli secondari):

–C(H)(OH)–     +     2OH^–     →     –C(=O)–     +     2H₂O + 2e^–

(alcol secondario)                                (gruppo chetonico)

Nel nostro esperimento, il glucosio viene aggiunto ad una soluzione di permanganato e di idrossido di sodio (NaOH), così gli elettroni provenienti dal glucosio (C₆H₁₂O₆) sono in prima istanza donati agli ioni permanganato (MnO₄^–). I prodotti di ossidazione dello zucchero riducente sono principalmente acido glucuronico (C₆H₁₀O₇), e in più dell’acido arabinonico (C₅H₁₀O₆) e dell’acido formico (CH₂O₂). Se il lecca-lecca è a base di fruttosio, che è un isomero del glucosio, il prodotto principale è l’acido fruttonico (anch’esso C₆H₁₀O₇).

In una serie di reazioni redox, gli elettroni vengono continuamente donati dal glucosio ai successivi composti del manganese. Ad ogni passaggio della catena di reazioni, è visibile un cambiamento di colore. Il manganese è l’ideale per questo esperimento, poiché presenta più stati di ossidazione stabili di qualunque altro metallo di transizione (da +2 a +7), ciascuno dei quali ha un colore diverso.

Potreste avere già familiarità con la classica dimostrazione del ‘camaleonte chimico^w1, di cui questo esperimento è un adattamento. Nella versione originale, si parte con una soluzione di permanganato di potassio e glucosio, che cambia colore quando la si mescola con una spatola. Invece, utilizzando un lecca-lecca, il glucosio viene aggiunto più gradualmente alla soluzione, il che rende più facile seguire i cambiamenti di colore. Usando un frullatore elettrico in miniatura il lecca-lecca viene agitato più velocemente che a mano.

Materiali

Occorreranno i seguenti materiali (vedere figura 1):

• Cristalli di permanganato di potassio (KMnO₄)
• Un lecca-lecca sferico contenente glucosio (o un altro zucchero riducente, es. fruttosio)
• 3-4 pastiglie di idrossido di sodio (NaOH) (approssimativamente 0.5 g)
• 200 ml di acqua distillata
• Una beuta o un beaker da 250 ml (in vetro o in plastica)
• Cucchiaio e spatola
• Un frullino elettrico in miniatura, es. un montalatte portatile
• Nastro adesivo

Procedimento

L’attività è adatta per una singola lezione. L’esperimento richiede solo 15 minuti circa, e può essere seguito dalla discussione di una serie questioni.

I passaggi sono i seguenti:

1. Riempire la beuta o il beaker con 200 ml di acqua distillata.
2. Disciogliervi completamente le pastiglie di NaOH con l’aiuto del cucchiaio.
3. Usando la spatola, aggiungere pochi cristalli di permanganato di potassio (non troppi, altrimenti il colore risulterà troppo scuro per poter vedere i cambiamenti di colore). Quando il permanganato di potassio (KMnO₄) viene aggiunto alla soluzione alcalina di NaOH, si dissocia in ioni potassio (K⁺) e permanganato (MnO₄^–).
4. Scartare il lecca-lecca, e attaccare il bastoncino al mini-frullatore elettrico utilizzando il nastro adesivo (vedere figura 1).
5. Inserire il lecca-lecca nella soluzione e accendere il frullino per iniziare a mescolare.

Non appena il lecca-lecca comincia a disciogliersi nella soluzione, osserverete cambiamenti di colore per ciascuna reazione redox. I primi due cambiamenti avvengono molto rapidamente (3-5 secondi), mentre ulteriori cambiamenti richiedono un po’ più di tempo. Gli studenti possono fare fotografie (ad esempio con i loro smartphones) a vari intervalli di tempo in modo da poter meglio seguire e confrontare i cambiamenti di colore. Un video degli autori in cui viene mostrato l’esperimento è disponibile in Spagnolo^w2.

Cosa succede nel corso dell’esperimento?

Quando il lecca-lecca si scioglie nella soluzione che contiene gli ioni del manganese, si possono distinguere almeno cinque colori diversi (come mostrato nella figura 2), che corrispondono ai diversi stati di ossidazione del manganese.

1. Il primo colore (viola) corrisponde agli ioni permanganato (MnO₄^–). Il manganese ha lo stato di ossidazione +7.
2. Gli ioni permanganato (MnO₄^–) vengono quindi ridotti a ioni manganato (MnO₄^2–). Lo stato di ossidazione del manganese cambia da +7 a +6, ed il colore cambia da viola a verde. MnO₄^–(aq) (viola) + e^– → MnO₄^2–(aq) (verde). Si ha uno stadio intermedio blu tra i passaggi 1 e 2. Una spiegazione di ciò è che la miscela contiene sia gli ioni permanganato (MnO₄^–) viola che gli ioni manganato (MnO₄^2–) verdi, che si combinano producendo una soluzione blu. Un’altra spiegazione è che parte del permanganato viene ridotto a ipomanganato (MnO₄^3–), che ha uno stato di ossidazione +5 e colore blu.MnO₄^–(aq) (viola) + 2e^– → MnO₄^3–(aq) (blu)
3. Gli ioni manganato (MnO₄^2–), che hanno uno stato di ossidazione +6, vengono ulteriormente ridotti a diossido di manganese (MnO₂), con stato di ossidazione +4, determinando un cambiamento di colore da verde a giallo-marrone. MnO₄^2–(aq) (verde) + 2 H₂O(l) + 2e^–    →   MnO₂(s) + 4OH^–(aq) (giallo-marrone)
4. Infine, quando ancora più glucosio viene incorporato nella soluzione il diossido di manganese marrone-nero (MnO₂) forma una sospensione colloidale in soluzione alcalina, che (se abbastanza diluita) può apparire arancione.

Cambiamenti di colore

I coloranti alimentari presenti nei lecca-lecca non hanno un grande impatto sui colori che si possono osservare nel corso dell’esperimento, ma alcuni altri fattori hanno un certo ruolo. Una volta che la reazione parte, ci sono sempre miscele di ioni in soluzione, che sfociano in miscugli di colori che non sono sempre facili da interpretare (vedere figura 3).

Un altro fattore è che il colore degli ioni del manganese in soluzione è in genere diverso da quello dei loro sali solidi corrispondenti. Questo perché gli ioni del manganese formano complessi con l’acqua a causa della capacità dei loro orbitali atomici d di accettare degli elettroni. In più, la tendenza delle molecole ad accettare elettroni varia con il pH e la temperatura, quindi se si cambiano queste variabili o le quantità delle sostanze, il colore cambierà, e le variazioni cromatiche avranno luogo in tempi diversi da un esperimento all’altro.

Configurazione elettronica e metalli di transizione

Gli elettroni sono collocati in livelli energetici chiamati gusci. Ogni guscio è suddiviso in sottolivelli, che sono costituiti da orbitali. I metalli di transizione hanno uno o più elettroni nel loro orbitale d più esterno. La differenza di energia tra i singoli elettroni negli orbitali d è relativamente piccola, quindi tutti i cationi dei metalli di transizione hanno una varietà di modi per formare legami chimici che coinvolgono numeri differenti di elettroni degli orbitali d. Per questo motivo i metalli di transizione presentano più stati di ossidazione.

Quando gli elettroni assorbono determinate frequenze della radiazione elettromagnetica, essi saltano ad un livello ad energia maggiore. In molti metalli di transizione, la differenza di energia tra gli orbitali d corrisponde all’energia della radiazione dello spettro della luce visibile. Per esempio, gli elettroni dell’orbitale d dello ione permanganato assorbono la radiazione elettromagnetica della parte gialla dello spettro del visibile, ma quello che noi vediamo come colore degli ioni permanganato è il colore complementare al giallo – cioè il viola. Noi vediamo il colore delle lunghezze d’onda rimanenti, in quanto non sono state assorbite (figura 4).

Discussione

Per collegare l’esperimento svolto con i lecca-lecca alla chimica delle reazioni redox, ponete ai vostri studenti alcune delle seguenti domande:

• Nell’esperimento, qual è l’agente riducente che dona gli elettroni nel corso dell’ossidoriduzione?
  Questo dipende dallo zucchero riducente impiegato, ma nel nostro esperimento, l’agente riducente è il glucosio (C₆H₁₂O₆).
• Qual è l’agente ossidante che acquista gli elettroni?
  Il primo agente ossidante nella reazione sono gli ioni permanganato. In seguito, gli elettroni vengono donati agli ioni manganato.
• Il manganato di potassio in soluzione assorbe la parte della luce visibile corrispondente al colore che vediamo (verde) o al suo colore complementare (rosso)?
  Il manganato di potassio assorbe la radiazione elettromagnetica della parte rossa dello spettro visibile, ma quello che vediamo come colore degli ioni manganato è il colore complementare, il verde.
• Conoscete altri elementi chimici che mostrano colorazioni diverse nei loro differenti stati di ossidazione?
  Gli esempi riguardano: il cromo (Cr₂O₇^2–, arancione; CrO₄^2–, giallo) e il vanadio (V²⁺, violetto; V³⁺, verde; VO²⁺, blu; VO₄^3–, giallo)
• Quali sono i principali impieghi del manganese, per esempio in biologia o nell’industria?
  I composti del manganese vengono utilizzati nella produzione degli acciai inossidabili e delle batterie, e come additivi per carburanti o pigmenti. Il manganese è anche un cofattore essenziale per molti enzimi, come il fotosistema II nei cloroplasti. Tuttavia, in grandi quantità risulta tossico per l’uomo.

Varianti dell’esperimento

Questo esperimento può essere eseguito in un certo numero di modi differenti. Per esempio, invece di usare un lecca-lecca, si potrebbe utilizzare come agente riducente un chewing gum che contiene zuccheri; oppure, invece di aggiungere il glucosio all’interno di una beuta, si potrebbe aggiungerlo ad una bottiglia di plastica e agitarla per osservare i cambiamenti di colore (vedere figura 5). I vostri studenti potrebbero usare la loro creatività per pensare ad esperimenti alternativi.

Ringraziamenti

Questo articolo è basato su una presentazione fatta al festival Science on Stage spagnolo (Ciencia en Acción) nel 2014. Questo lavoro è stato svolto per la prima volta dagli studenti dell’Istituto Superiore IES Manuel Romero di Málaga, Spagna. Ringraziamo per il supporto offerto il Politecnico di Madrid (Universidad Politécnica de Madrid) per i progetti ‘Promotion of experimental learning of chemistry’ (Promozione dell’apprendimento sperimentale della Chimica) e ‘Chem-Innova’, e la Società Chimica Reale Spagnola (Real Sociedad Española de Química, RSEQ).

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