Química - 3º B.D.
Sugerencias didácticas
Sugerimos la lectura de los siguientes artículos:
- Bases Químico-físicas de la catálisis. Introducción. Las páginas 8 a la 16 abordan varios conceptos relacionados con el tema del módulo.
- Química recreativa con agua oxigenada. El artículo incluye el análisis de tres experiencias relacionadas con la descomposición del peróxido de hidrógeno, incluidos la "superespuma", "el genio de la botella" y la quimioluminiscencia.
"El genio de la botella":
A partir del minuto 1:50 se muestra la experiencia utilizando permanganato de potasio.
Actividad práctica 1: Nitrato de hierro (III) como catalizador en la descomposición del peróxido de hidrógeno
Consigna para el estudiante:
- Colocar en un vaso de Bohemia pequeño entre 15 y 25 mL de peróxido de hidrógeno al 30 %.
- Agregar 20 gotas de una solución de nitrato de hierro (III) 0,1 mol/L con la ayuda de un cuentagotas.
- Registrar las observaciones.
- Agregar luego 20 gotas de una solución de fosfato de sodio 0,1 mol/L con la ayuda de un cuentagotas.
- Registrar nuevamente las observaciones.
¿A qué se debe el cambio de color observado al agregar la solución de nitrato de hierro (III)? ¿Cuál es la función del mismo?
¿Qué ocurre al agregar la solución de fosfato de sodio? ¿Cuál es la función del mismo?
Escribe el mecanismo de la reacción.
Escribe una ecuación que represente el agregado del fosfato de sodio.
Recomendaciones para el docente:
El siguiente enlace lleva al protocolo de la actividad (se encuentra en inglés).
Se puede observar la actividad en el siguiente video que también se encuentra en inglés:
En esta demostración el nitrato de hierro (III) actúa como un catalizador que aumenta la rapidez de descomposición del peróxido de hidrógeno:
2 H2O2 + Fe (NO3)3 → 2 H2O + O2 + Fe3+ + 3 NO3–
Mientras que el fosfato de sodio actúa como inhibidor de la reacción catalítica:
Fe3+ + PO43– → FePO4 (s)
Un mecanismo para la descomposición del peróxido de hidrógeno debido a los cationes hierro (III) aceptado para la mayoría de los autores es el siguiente:
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HO2 • + H+
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + • OH + OH-
Fe2+ + • OH → Fe3+ + OH-
H2O2 + • OH → HO2 • + H2O
Fe2+ + HO2 • + H+ → Fe3+ + H2O2
Fe3+ + HO2
• → Fe2+ + O2 + H+
La vía de reacción aceptada por la mayoría de los autores procede a la formación de radicales hidroxilo (• OH) e hidroperoxilo (HO2 •). Para simplificar, las moléculas de agua coordinadas en la esfera de coordenadas no se presentan en las fórmulas químicas.
Actividad práctica 2: Mecanismo de reacción para la descomposición del peróxido de hidrógeno
Consigna 1 para el estudiante:
- Colocar en una caja de Petri una solución de dicromato de potasio.
- Colocar tres gotas de peróxido de hidrógeno al 30 %.
- Observar la coloración resultante.
- Mezclar con la ayuda de una varilla.
- Aguardar de 10 a 15 minutos e ir registrando los cambios ocurridos.
¿Qué cambios están ocurriendo?
Escribe ecuaciones que los representen.
¿Cuál es la estructura del compuesto de coloreado que se observa?
Propone un mecanismo de reacción que represente los cambios observados.
Recomendaciones para el docente:
Mecanismo de reacción propuesto:
Paso 1: K2Cr2O7 + 2 H2O2 → K2Cr2O9 + 2 H2O
Paso 2: K2Cr2O9 → K2Cr2O7 + O2
_________________________________________________
Reacción global: 2 H2O2 → 2 H2O + O2
La especie K2Cr2O9 actúa como intermediario.
Consigna 2 para el estudiante:
- Colocar en una caja de Petri una solución de dicromato de potasio.
- Agregar con mucho cuidado tres gotas de ácido sulfúrico concentrado.
- Colocar tres gotas de peróxido de hidrógeno al 30 %.
- Observar la coloración resultante.
- Mezclar con la ayuda de una varilla.
- Aguardar de 10 a 15 minutos e ir registrando los cambios ocurridos.
¿Qué cambios están ocurriendo?
Escribe ecuaciones que los representen.
¿Cuál es la estructura del compuesto de color azul oscuro observado?
Propone un mecanismo de reacción que represente los cambios observados.
Recomendaciones para el docente:
Se puede observar la actividad en el siguiente video:
En medio ácido el cromo (VI) perteneciente al anión dicromato (Cr2O72-) se reduce a cromo (III) observándose una coloración verde en la solución:
Cr2O72- + 8 H+ + 3 H2O2 → 2 Cr3+ + 7 H2O + 3 O2
La reacción se puede dividir en los siguientes pasos:
Paso 1: K2Cr2O7 + H2SO4 + 4 H2O2 → 2 CrO5 + K2SO4 + 5 H2O
Paso 2: 2 CrO5 + 7 H2O2 + 3 H2SO4 → Cr2(SO4)3 +10 H2O + 7 O2
La especie CrO5 actúa como intermediario, es una especie de color azul y presenta mayor solubilidad en éter dietílico o en cloroformo, como se puede apreciar en el próximo video (que se encuentra en inglés):
Actividad práctica 3: Oxidabilidad al permanganato
El ácido oxálico (C2O4H2) reduce los iones permanganato intensamente coloreados (MnO4-) a iones Mn2+ prácticamente incoloros en solución ácida. La reacción está catalizada por iones manganeso (II) (Mn2+) presentes, la reacción ocurre muy lentamente, y los iones MnO4- se reducen a dióxido de manganeso (MnO2) sólido marrón. Cuando valoramos el ácido oxálico con permanganato de potasio (KMnO4), debemos añadirle siempre las primeras gotas de solución de KMnO4 muy lentamente para producir algunos iones Mn2+ que puedan catalizar entonces la reacción deseada.
El siguiente protocolo indica cómo determinar la oxidabilidad al permanganato de una muestra de agua para determinar la concentración de materia orgánica realizando una permanganimetría. Se debe valorar previamente la solución de permanganato de potasio con un patrón primario como el ácido oxálico. Luego se lleva a cabo una retrovaloración empleando la muestra de agua.