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XX Jornadas de IngenierĂ­a Arquitectura y DiseĂąo, FIAD-UABC

DEL RELOJ DE YODO AL ARCOĂ?RIS QUĂ?MICO JosĂŠ RamĂłn LĂłpez MadueĂąo, JesĂşs Miguel Partida MartĂ­nez, Yarithza PĂŠrez Arriola, Ulises Augusto Pont de la Torre, York Alfredo Vara Herrera, Roberto Daniel Verdugo Siqueiros & Dina MarĂ­a GonzĂĄlez-Cota* FACULTAD DE INGENIERĂ?A ARQUITECTURA Y DISEĂ‘O CARRETERA TRANSPENINSULAR ENSENADA-TIJUANA NUMERO 3917, COLONIA PLAYITAS. Ensenada, B.C., C.P. 22860. TelĂŠfono 646-1750744, Fax 646-1744333. E-mal:dina.gonzalez@uabc.edu.mx* Resumen: ArcoĂ­ris quĂ­mico es un proyecto que muestra de manera visual como es que los indicadores reaccionan con diferentes pH, ya sea ĂĄcido o base, cambiando las sustancias de color. Se utilizaron tres indicadores distintos (fenolftaleĂ­na, p-nitrofenol y timolftaleĂ­na) que reaccionan solo en medios alcalinos. Debido a que se emplearon distintas cantidades de ĂŠstos en cada vaso de precipitado, al momento de llevarse a cabo las reacciones quĂ­micas, las sustancias viraron a diferentes colores, resultando un arcoĂ­ris quĂ­mico. Palabras claves: pH, Indicadores, Reacciones ĂĄcido-base.

iones đ??ťđ??ťâ ş. Una base es una sustancia que, cuando se disuelve en agua, aumenta la concentraciĂłn de iones OH- [3]. Una reacciĂłn de neutralizaciĂłn o reacciĂłn ĂĄcidobase es la que ocurre entre un ĂĄcido y una base, formĂĄndoseuna sal y agua [4]. El pH de una disoluciĂłn puede medirse con rapidez y exactitud con un pH metro, ĂŠste consiste en un par de electrodos conectados a un dispositivo capaz de medir pequeĂąos voltajes, del orden de milivolts. Cuando los electrodos se introducen en una disoluciĂłn se genera un voltaje, el cual varĂ­a con el pH. Este voltaje es leĂ­do por el pH metro, el cual estĂĄ calibrado para dar el valor de pH[2]. Aunque son menos precisos, los indicadores ĂĄcido-base tambiĂŠn pueden utilizarse para medir el pH. Un indicador ĂĄcido-base es una sustancia colorida que por sĂ­ misma puede existir en forma de ĂĄcido o base. Cada una posee diferentes colores, entonces, el indicador se torna de un color en un ĂĄcido y de otro color en una base [3]. Los indicadores tienen un intervalo de viraje de aproximadamente 2 unidades de pH. Algunos de los indicadores mĂĄs comunes aparecen en la figura 1. Por ejemplo, el anaranjado de metileno cambia de color en el intervalo de pH 3.1 a 4.4. Por debajo de un pH de 3.1 se encuentra en su forma ĂĄcida, la cual es roja. En el intervalo entre 3.1 y 4.4, gradualmente se convierte en su forma bĂĄsica, la cual tiene un color amarillo [2].

1. IntroducciĂłn. En quĂ­mica existen conceptos que son considerados elementales, uno de estos conceptos es el de pH o potencial de hidrĂłgeno. El pH de una soluciĂłn nos dice la acidez o alcalinidad de ĂŠsta y se define como el logaritmo negativo de la concentraciĂłn del ion de hidrĂłgeno[1]. đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = −đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™[đ??ťđ??ťâ ş] (1)

Donde đ??ťđ??ťâ ş indica la cantidad de iones de hidrĂłgeno presentes en la soluciĂłn. Utilizando la Ec. 1 se puede calcular el pH de una soluciĂłn neutra a 25°C (es decir, una en la que [đ??ťđ??ťâ ş] = 1.0 x 10-7 M) segĂşn la ecuaciĂłn: đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = −đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ (1.0 x 10-7) = -(-7.00) = 7.00(2)

La Ec. 2 indica que el pH de una soluciĂłn neutra es 7.00 a 25°C. Observemos que el pH se denota o informa con 2 cifras decimales. Una disoluciĂłn ĂĄcida es aquella en la que [đ??ťđ??ťâ ş]>1.0 x 10-7 M. Debido al signo negativo de la Ec. 1, el pH disminuye conforme [đ??ťđ??ťâ ş] aumenta [2]. Por ejemplo, el pH de una soluciĂłn ĂĄcida, en la que [đ??ťđ??ťâ ş]= 1.0 x 10-3 M es: đ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = −đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ (1.0 x 10-3) = - (-3.00) = 3.00 (3)indicando que a 25°C el pH de una soluciĂłn ĂĄcida es menor que 7.00 Un ĂĄcido es una sustancia que, cuando se disuelve en agua, aumenta la concentraciĂłn de

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XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseùo, FIAD-UABC destilada. Solución B: 20 L de bisulfito de sodio (NaHSO3). Se disuelven 31gr de (NaHSO3) y 6g de almidón en 20L de agua destilada. Solución C: 20 L de hidróxido de sodio (NaOH). Se disuelven 20gr de (NaOH) en 20L de agua destilada. Preparación de los indicadores: • Se disolvió 1 g de fenolftaleína en 60 mL de alcohol de 96º y 40 mL de agua destilada.

Figura 1. Algunos indicadores ĂĄcido-base comunes. La mayorĂ­a de los indicadores tienen un intervalo Ăştil de aproximadamente 2 unidades de pH.

•Se disolvió 0.1 g de timolftaleína en 60 mL de alcohol de 96º y 40 mL de agua destilada. • Se disolvió 2 g de p-nitrofenol en 60mL de alcohol de 96º y 40 mL de agua destilada.

Otro tipo de reacciĂłn quĂ­mica es la reacciĂłn redox. Se considera como una reacciĂłn de transferencia de electrones entre los reactivos. A la pĂŠrdida de electrones que experimenta una sustancia, se le llama oxidaciĂłn, mientras que a la ganancia de electrones que experimenta una sustancia, le llamamos reducciĂłn [3].

Se agrega a cada vaso de precipitado la soluciĂłn B y la cantidad requerida de indicador segĂşn el color deseado. Se aĂąade la soluciĂłn A en misma proporciĂłn que la soluciĂłn B, debido a que ambas soluciones aĂąadidas son soluciones ĂĄcidas, los indicadores no viran.

2. Materiales y MĂŠtodos. Al momento de agregar la soluciĂłn A, la soluciĂłn se comienza a oxidar como se observa en la figura 3 y la reacciĂłn estĂĄ dada por la Ec. 4:

Materiales: -Vasos de precipitado de 250 mL (7) -Jarras de vidrio (3)

đ??źđ??ź3−(đ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Ž ) + đ??ťđ??ťđ??ťđ??ťđ??ťđ??ť3−(đ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Ž ) + đ??ťđ??ť2 đ?‘‚đ?‘‚(đ?‘™đ?‘™) →

Reactivos:

2− − + 3đ??źđ??ź(đ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Ž ) + đ?‘†đ?‘†đ?‘‚đ?‘‚4 đ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Ž + 3đ??ťđ??ť(đ?‘Žđ?‘Žđ?‘Žđ?‘Ž ) (4).

-FenolftaleĂ­na -P-nitrofenol -TimolftaleĂ­na -Yodato potĂĄsico al 0.03M - Bisulfito de sodio al 0.03 M - HidrĂłxido de sodio al 0.05 M - AlmidĂłn - Agua destilada

La anterior ecuaciĂłn nos muestra cĂłmo los aniones de yodato y sulfito forman yoduro ysulfato. El aniĂłn yoduro formado, reacciona con el aniĂłn yodato no consumido con el sulfito y catalizado por el medio ĂĄcido que proporciona el ĂĄcido sulfĂşrico; se forma yodo, el cual -con el almidĂłn- forma un color oscuro en las soluciones.

MĂŠtodo: Se preparan 3 diferentes soluciones: SoluciĂłn A:20 L de yodato potĂĄsico (KIO3). Se disuelve 64.2gr de (KIO3) en 20L de agua

Una vez oxidada la soluciĂłn, se agrega a 54


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cada vaso de precipitado la solución C, que al ser una solución alcalina hace que los indicadores viren cambiando el color de las soluciones de cada vaso de precipitado, como lo muestra en la figura 3.

3I2 (aq) + 6OH ˉ (aq) → 5I ˉ(aq) + IO3ˉ(aq) + 3H2O(l) (5)

La Ec. 5. Muestra la reacción correspondiente a lo que sucede en medio alcalino.

3. Parte Experimental. Se vertieron 50mL de la solución B (solución ácida) en cada uno de los 7 vasos de precipitado. Para la obtención de colores se agregaron los indicadores (fenolftaleína, pnitrofenol y timolftaleína) de la manera en que se muestra en la tabla 1.

Los indicadores tienen un intervalo de viraje de aproximadamente 2 unidades de pH, por ejemplo: la timolftaleínaes un indicador ácidobase. Por debajo de este pH, es incoloro, por encima de este pH, es azul. cambia a un color azul en un intervalo de pH de 9.3 a 10.5, el pnitrofenol (4-nitrofenol (también llamado pnitrofenol o 4-hidroxinitrobenceno) es un compuesto fenólico que tiene un grupo nitro en la posición opuesta del grupo hidroxilo en el anillo de benceno. Cambia a un color amarillo en un intervalo de pH de 5.0 a 7.0, y la fenolftaleína cambia a color violeta en un intervalo de pH de 8.3 a 10.0. La Fenolftaleína con fórmula C20H14O4 permanece incolora en soluciones ácidas, pero en presencia de bases toma un color rosado con un punto de viraje entre pH=8,0 Incoloro a pH=9,8 Magenta o rosado [5-6].

Tabla 1. Colores creados con diferentes cantidades (gotas) de indicador In1.fenolftaleína In2.=P-nitrofenol In3.=Timolftaleina. Color Rojo naranja amarillo verde Azul añil violeta

In.1 5 1 0 0 0 1 2

In.2 2 5 2 3 0 0 0

In.3 0 0 0 2 2 1 0

Es un compuesto químico orgánico que se obtiene por reacción del fenol (C6H5OH) y el anhídrido ftálico (C8H4O3) en presencia de ácido sulfúrico.)

Para el color rojo: se vertieron 5 gotas de fenolftaleína y 2 gotas de p-nitrofenol. Para el color naranja: 5 gotas de p-nitrofenol y una gota de fenolftaleína. Para el color amarillo: 2 gotas de p-nitrofenol. Para el color verde: 3 gotas de p-nitrofenol y 2 gotas de timolftaleína. Para el color azul: 2 gotas de timolftaleína. Para el color añil: una gota de fenolftaleína y una gota de timolfateleía y para el color violeta: 2 gotas de fenolftaleína.

4. Resultados Al agregar la solución A, se produjo una reacción redox, se podía observar la oxidación de la sustancia al paso de aproximadamente 5 minutos como se muestra en la figura 2.

Una vez agregados los indicadores a cada vaso de precipitado, se agregaron 50 mL de la solución A. Se llevo a cabo una reacción redox, como se muestra en la Ec. 4. Finalmente se agregaron 50 mL de hidróxido de sodio (NaOH) a cada vaso de precipitado, la reacción está dada por la Ec. 5: 55


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XX Jornadas de Ingeniería Arquitectura y Diseño, FIAD-UABC la disolución de la misma. La reacción de nuestros indicadores fue inmediata, por lo que se pudo observar que al entrar en contacto nuestra última sustancia (NaOH) con la contenida en los vasos de precipitado, se llevaba a cabo un cambio de pH, ocurriendo un viraje y obteniendo así nuestro “Arcoíris Químico”; demostrando así, de manera visual y agradable al público, la forma en que trabaja un indicador de pH, en este caso de sustancias alcalinas. Los indicadores de pH son de gran utilidad y deben estar a nuestro alcance especialmente mientras trabajemos con sustancias químicas, ya que si llegara a ocurrir algún derrame de sustancias éstos nos ayudarán a identificar el pH que tiene dicha sustancia y así podremos determinar qué proceso debe utilizarse para neutralizar lo ocurrido,dependiendo si se trata de un ácido o una base.

Figura2. Reloj de yodo producido por una reacción redox mostrada en la Ec. 4. Una vez agregada la solución C, los indicadores produjeron el viraje de la sustancia instantáneamente como se puede apreciar en la figura 3.

6. Bibliografía. [1].- Chang Raymond. Química, séptima edición. Editorial: McGraw-Hill Interamericana, México (2002). [2].Brown, Lemay, Bursten y Murphy.Química la ciencia central, décimo primera edición.Editorial: Pearson (2009) [3].- Chang Raymond, Goldsby Kenneth A.Química, undécima edición. Editorial:McGraw-Hill Interamericana, México (2011). [4].- Kotz, Treichel, Weaver,Química y reactividad quimica. Sexta ediciónEditorial: CENGAGE Learning (2005). [5].- Himmel, D.; Goll, S. K.; Leito, I.; Krossing, I. "A Unified pH Scale for all Phases" Angew. Chem. Int. Ed. 49, 6885–6888, (2010). [6].- Feldman, Isaac "Use and Abuse of pH measurements". Analytical Chemistry 28 (12): 1859(1956).

Figura 3. “Arcoíris químico” se pueden apreciar los 7 colores obtenidos con nuestros indicadores. 5. Conclusiones. En este experimento observamos el viraje de cada uno de los 3 indicadores de pH alcalino empleados en cada vaso de precipitado, los cuales tienen un color característico. Para lograr obtener los colores restantes del arcoíris, se añadieron diferentes cantidades de cierto indicador dependiendo el color deseado. Al agregar el KIO3 notamos que la oxidación de la sustancia tuvo una variación en el tiempo esperado y que tomaba aproximadamente 5 minutos en llevarse a cabo, debido al factor de la concentración de

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14 del reloj de yodo al arcoíris químico  
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