¡SI TE SACAN LOS COLORES…RESPIRA! Detección de CO2, mediante indicadores ácido base.

Laura Pérez Yrache

IES Saavedra Fajardo (Murcia)

Proponemos en esta práctica, un viaje a través de los colores. De la mano de diferentes indicadores de pH. Disoluciones coloreadas que cambiarán el color cuando el dióxido de carbono aparezca en escena.
El dióxido de carbono, será producido en el laboratorio de tres formas diferentes: mediante la reacción del vinagre y el bicarbonato, combustión de unas cerillas, y al insuflar aire con una pajita. Pero ¿cómo sabremos que el dióxido de carbono ha sido generado? ¿Cómo lo detectaremos?
Presentemos brevemente a nuestro protagonista. El dióxido de carbono, o CO2 a temperatura ambiente y presión atmosférica es un gas inodoro, incoloro, ligeramente ácido y no inflamable. Es más pesado que el aire, presenta buena solubilidad en agua y carácter ligeramente ácido.
Además, hay que comentar que según la teoría de Arrhenius, ácido es toda sustancia que en disolución acuosa, se disocia en sus iones, liberando H+ y base aquella sustancia que en disolución acuosa se disocia en sus iones, liberando OH- .Sabemos que el carácter ácido o básico de una sustancia queda determinado por la concentración de iones H+ en el medio, [H+]. De manera que a mayor [H+] mayor será su carácter ácido y teniendo en cuenta la definición de pH, pH =-log [H+], cuanto menor sea el pH, mayor será su carácter ácido, siendo ácidas aquellas sustancias cuyo pH está por debajo de 7, básicas aquellas que su pH está por encima de 7 y neutras cuando el pH es igual a 7.
Utilizaremos los indicadores de pH, sustancias que tienen distinto color según la acidez o basicidad de una disolución, para determinar el pH de las disoluciones y detectar mediante cambios en el color de estas, los cambios de pH que se producen cuando el CO2 entra en contacto con ellas.

Partimos una disolución básica de hidróxido de sodio, NaOH→ Na+ + OH-, también se ha realizado con una disolución de amoniaco, NH3 +H2O→NH4+ + OH-, base más débil que el hidróxido y más fácilmente neutralizable, a la que añadimos un indicador de pH.
Por otra parte, sabemos que el CO2 generado se disuelve parcialmente en agua, siguiendo el siguiente equilibrio, CO2 +H2O →H2CO3 posteriormente, H2CO3 →HCO3– + H+ (pKa=6.37) HCO3– → CO32– + H+ (pKa=10.25) Cuando el dióxido de carbono se genera en presencia de la disolución de hidróxido de sodio o amoniaco, tiene lugar una reacción de neutralización, se produce la retirada de grupos OH-, lo que conlleva una disminución en el pH de la disolución, y por tanto un cambio en el color del indicador, que pone de manifiesto la presencia del CO2.
Los cambios de color obtenidos por los tres indicadores utilizados en disoluciones de hidróxido de sodio, son los siguientes:
Indicador utilizado Disolución inicial básica Disolución final ácida
Fenolftaleína Fucsia Incoloro
Col lombarda Amarillo verdoso Azul morado
Cúrcuma Marrón rojizo Amarillo

La estimación del pH se ha realizado de forma cualitativa, por lo que es aproximada, los valores exactos de pH y los intervalos de viraje de los indicadores citados se pueden consultar en la bibliografía.

Esta práctica está diseñada para alumnos de 4º de ESO, ya que es en este curso se inicia a los alumnos en el estudio de algunas reacciones de interés, como la neutralización y la combustión, resaltando su importancia tanto a nivel industrial, como a nivel celular.
Se trabajarán los conceptos ácidos, base y pH, y además se llevaran a cabo procesos de obtención y detección de CO2. Se trata de que comprueben de primera mano tanto el mecanismo de actuación de los indicadores ácido base, como la producción de CO2 por diferentes procesos.

Los objetivos que pretendemos conseguir con la realización de esta práctica son los siguientes:
• Utilizar la teoría de Arrhenius para describir el comportamiento químico de ácidos y bases, aproximándonos cualitativamente al concepto de ph como indicador de la acidez de una disolución.
• Familiarizar al alumno con diferentes tipos de indicadores, algunos de origen natural y su modo de actuación e intervalo de viraje.
• Determinar el carácter ácido o básico de diferentes disoluciones
• Plantear las destrezas manipulativas, los procedimientos y el manejo del material de laboratorios necesarios en cualquier investigación experimental.
• Conocer diferentes fuentes de obtención de CO2
• Desarrollar técnicas de detección de CO2

La práctica está planteada para dos sesiones, pero se puede adaptar a una sola, en caso de no disponer del tiempo necesario. Consultar procedimiento.
Versión reducida: una sesión, 55 min
Versión ampliada: dos sesiones, 110 min

Materiales: gradilla con tubos de ensayo, cuentagotas, 2 matraces Erlenmeyer, vaso de precipitados de 200ml, vidrio de reloj, cerillas, manguera de plástico o pajitas, papel absorbente, matraz kitasato, embudo.
Indicadores de pH: cúrcuma, col lombarda, fenolftaleína, papel indicador.
Reactivos: hidróxido de sodio, NaOH, amoníaco NH3, agua destilada y agua del grifo, ácido clorhídrico, HCl, vinagre, bicarbonato NaHCO3

Los alumnos utilizaran, bata, guantes y gafas protectoras. *Nota aclaratoria-1 Del CO2, se conocen sus efectos nocivos y repercusiones medioambientales, aunque es importante aclarar que el dióxido de carbono no se considera nocivo para nuestra salud ni tampoco tóxico, aunque esto no significa que sea beneficioso. *Nota aclaratoria-2 Entendemos que estas experiencias están diseñadas para ser realizadas en un contexto normalizado en el cuál los alumnos puedan asistir al laboratorio sin riesgo de contagios y hacer sus experimentos con normalidad, de no ser así no tendría cabida la propuesta de generación de CO2 a través de inspiraciones, ya que todos los alumnos llevarían puesta su mascarilla y sería incompatible con los protocolos de seguridad.
Corrosivo
Peligro para la salud

Previamente a la realización de la práctica hay que preparar los indicadores naturales de col lombarda y cúrcuma.
Se prepara el indicador de col lombarda, cociendo varias hojas de la col durante unos 10 minutos en agua, se filtra y el líquido obtenido tendrá un color azul oscuro y se dejará enfriar.
El procedimiento a seguir para obtener el indicador del extracto de cúrcuma o curry, llamado curcumina es el siguiente. En primer lugar se agrega una cucharadita de cúrcuma o curry a unos 50 ml de alcohol etílico o isopropílico. Se agita vigorosamente y se deja reposar un par de minutos. Debe repetirse el proceso anterior unas tres veces con el fin de extraer la mayor cantidad posible de extracto. A continuación se emplea un embudo con papel de filtro para separar el líquido obtenido del sólido. El líquido tendrá un intenso color amarillo.
Primera parte
1.-Tomamos tres tubos de ensayo y echamos en cada uno de ellos aproximadamente 1ml de disolución de HCl. Indica la [H+]:………
2.-Identicamente en otros tres tubos de ensayo echamos aproximadamente 1ml de disolución de NaOH. Indica la [OH-]….….
Las disoluciones se les proporcionan ya están preparadas, se puede plantear como ampliación que las preparen ellos.

3.- A continuación añadimos dos gotas de indicador a cada tubo de ensayo y anotamos los colores que resultan en la siguiente tabla:
Disolución Color de fenolftaleína Color lombarda Color cúrcuma Color papel indicador Medio ácido/básico
NaOH Básico
HCL Ácido
4.-Toma tres para cada sustancia, doce en total, y repite el mismo procedimiento que antes, añade1 ml de la sustancia a cada uno de los tres tubos y posteriormente unas gotas de indicador a cada tubo. Esto lo repites con cada una de las cuatro disoluciones que le facilitamos al alumno (vinagre, agua destilada, amoniaco y bicarbonato).
5.-Anota los colores en la tabla e identifica, si las disoluciones de las siguientes sustancias son ácidas o básicas comparando los colores con los resultados de la tabla anterior es obtenidos con los resultado de la tabla del apartado anterior.
Disolución Color de fenolftaleína Color lombarda Color cúrcuma Color papel indicador Medio ácido/básico
Vinagre
Amoniaco
Agua destilada
Bicarbonato

Para la versión reducida, realizaremos solamente una de las tres experiencias propuestas en la segunda parte para la obtención de CO2 .Proponemos por tiempo la tercera experiencia: Generación de CO2 soplando con una pajita.
Segunda parte
Ahora realizamos las experiencias para la obtención de CO2. Asignamos a cada equipo de trabajo, dos o tres personas máximo, un indicador, de los tres que les hemos presentado.
Empezamos con la combustión de las cerillas que es la que más tiempo tarda en producirse.

– Primera experiencia: Generación de CO2 por combustión.
1.-En un vaso de precipitados de 250ml introduce 50ml aproximadamente de una disolución de NaOH y añade unas gotitas de indicador, solo de uno de ellos, el que hayamos asignado.( Cúrcuma, Col lombarda, Fenolftaleina). Anota el color que adquiere la disolución inicial……………

2.-Toma varias cerillas, las unes en un montoncito y las pegas a la parte superior del vaso de precipitados, con ayuda de celo.
3.- Prendes las cerillas, y tapas el vaso con cuidado con un vidrio de reloj. Como producto de la combustión se obtiene el CO2 Cualitativamente podemos escribir la reacción:
Madera + O2(g)+→ CO2(g)+H2O(I)+ subproductos de la combustión
La reacción que tiene lugar en el vaso de precipitados es:
2NaOH (aq)+CO2(g)→ Na2CO3(aq)+H2O(l)
4. Observa y anota el color de la disolución final ……………..Explica que ha sucedido.

– Segunda experiencia: Generación de CO2 mediante la reacción del vinagre y el bicarbonato.
Se recomienda llevar a cabo la experiencia dentro de una bandeja de plástico, para evitar que los posibles escapes de producto, que podría mancharlo todo.
1.-En un matraz Erlenmeyer de 250ml, introduce 50ml aproximadamente de una disolución de NaOH y añade unas gotitas de indicador.
2.- A continuación, añade unos 200ml de la disolución de bicarbonato de concentración C=10g/0,250L=40g/L, a un matraz kitasato, coloca un embudo en la parte superior y un trozo de manguera de plástico en la tubuladura. La parte de la manguera que queda libre, debe quedar dentro del matraz con la disolución. Como muestra la fotografía.
3.-Añde poco a poco, para que el líquido no salga del matraz, los 200ml de vinagre, mientras tu compañero sujeta el matraz Erlenmeyer con la disolución, tapando la boca de este con papel absorbente o una servilleta. La reacción que tiene lugar en el matraz kitasato es una reacción de neutralización entre un ácido débil, el ácido acético, CH3-COOH, procedente del vinagre y una base débil, el bicarbonato de sodio, NaHCO3(aq), que transcurre mediante la siguiente reacción:
CH3-COOH (aq) + NaHCO3 (aq) → CH3-COONa 3(aq)+ H2CO3(g) →
CH3-COONa 3(aq) + CO2 (g) + H2O(l)
La reacción que tiene lugar en el matraz Erlenmeyer es:
2NaOH (aq) +CO2 (g) → Na2CO3(aq)+H2O(l)
4.- Observa y anota el color de la disolución final ……………..Explica que ha sucedido.

-Segunda experiencia Generación de CO2 soplando con una pajita o trozo de manguera.
1.-En un matraz Erlenmeyer de 250ml, introduce 50ml aproximadamente de una disolución de NaOH y añade unas gotitas de indicador.

2.- Introduce el trozo de manguera y tapa la boca del matraz con papel absorbente o una servilleta, para evitar salpicaduras. Sopla en el interior de la disolución, haciendo que el CO2 que expulsamos al respirar entre en contacto con la disolución hasta que aprecies un cambio en color de esta.
La reacción que tiene lugar en nuestro organismo es la siguiente:
C6H12O6 (aq) + O2(g) → CO2(g) + +H2O(l)+ ENERGÍA
La reacción que tiene lugar en el matraz Erlenmeyer es:
2NaOH (aq) +CO2(g) → Na2CO3(aq)+H2O(l)
4.- Observa y anota el color de la disolución final ……………..Explica que ha sucedido.
Para terminar completa la siguiente tabla con los resultados obtenidos de las experiencias que han realizado los compañeros con otros indicadores.
Indicador utilizado Disolución inicial pH > 7 Disolución final pH<7
Fenolftaleína
Col lombarda
Cúrcuma

Opcional,
Se pueden medir el tiempo que tarda en producirse el cambio de color en cada uno de los experimento y hacer algunas reflexiones, acerca de la velocidad de reacción y las diferentes concentraciones de CO2 obtenidas en los distintos procesos.

No se generan residuos que sean necesarios gestionar.

Santiago Heredia Avalos. EXPERIENCIAS SORPRENDENTES DE QUÍMICA CON INDICADORES DE pH CASEROS Departamento de Física, Universidad de Murcia, Apartado 4021, 30080 Murcia.

Jiménez Liso, M. R.; Manuel Torres, E. de; González García, F.; Salinas López, F. (2000). «La utilización del concepto de pH en la publicidad y su relación con las ideas que manejan los alumnos: Aplicaciones en el aula». Enseñanza de las Ciencias, 18(3):451-461.

http://www.prtr-es.es/CO2-Dioxido-de-carbono,15590,11,2007.html
http://www.naweb.iaea.org/napc/ih/documents/LIBROISOTOPOS/PDFIsotopos-I/Seccion9.pdf

Imágenes de la práctica

Vídeo de la práctica

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