Zinc y yodo: cómo hacer que se combinen y cómo hacer para separarlos después

Normalmente vemos las reacciones químicas como transformaciones irreversibles de unas sustancias (los reactivos) en otras completamente diferentes (los productos). Pero a veces es fácil volver a obtener las sustancias originales. Aquí vamos a mostrar un ejemplo: la reacción de síntesis del yoduro de zinc (ZnI₂) a partir de yodo (I₂) y zinc (Zn) y la correspondiente reacción inversa de descomposición del ZnI₂ que nos permitirá recuperar el I₂ y el Zn. La reacción de síntesis desprende energía, lo que supone que para que se prouduza la reacción inversa tendremos que dar energía.

Precauciones

En el experimento se utilizan pequeñas cantidades de reactivos, por lo que no es especialmente peligroso. Es una de las pocas reacciones de los halógenos con un metal que se puede hacer con razonable seguridad. No obstante, conviene recordar las advertencias que se suelen hacer sobre estas sustancias:

• el yodo puede ser nocivo;
• el polvo de zinc puede inflamarse si no se manipula bien;
• el etanol también es inflamable;
• se va a utilizar un ácido fuerte (aunque en concentración media-baja):
• el yoduro de zinc está calificado como irritante.

Si el experimento se realiza en vitrina, mejor, ya que el yodo se volatiliza con facilidad, y más si se somete a una operación de pulverización.

Úsense gafas de protección y guantes, como aconseja la prudencia más elemental.

Reactivos y materiales

• Yodo, alrededor de 0,5 g
• Polvo de zinc, aproximadamente 0,5 g
• Etanol (o alcohol desnaturalizado)
• Agua destilada, unos 20 cm³
• Ácido clorhídrico o ácido sulfúrico, unos 20 cm³

• Gafas y guantes protectores
• Tubos de ensayos, con tapones si es posible y una gradilla para colocarlos.
• Probeta de 10 cm³
• Papel de filtro y embudo pequeño
• Pipeta Pasteur
• Termómetro
• Mortero con su mano
• Espátula
• Vidrio de reloj
• Balanza, pesasustancias
• Vaso de precipitados (100 cm³)
• 2 electrodos de grafito introducidos en una pieza de corcho o goma que se dispondrá como tapa de la cuba electrolítica
• Cables eléctricos y pinzas de cocodrilo
• Fuente de alimentación de corriente continua de 3 a 6 V (puede ser una pila)
• Bombilla pequeña con su portalámparas (sustituible por un galvanómetro)

Procedimiento

1. Reacción de síntesis

1. Si no se dispone de yodo en polvo deben pulverizarse unos 0,5 g o poco más en un mortero en una vitrina de gases (pues se podría volatilizar algo de yodo, de color violeta).
2. Echar unos 5 cm³ de etanol en la probeta y medir su temperatura.
3. Añadir el etanol a 0,5 g de yodo en polvo en un tubo de ensayo. Agitar cuidadosamente; se formará una disoluicón de color marrón oscuro.
4. Cuando todo el yodo se haya disuelto agregar poco a poco los 0,5 g de zinc en polvo con una espátula y remover la mezcla. Esto se puede hacer con el termómetro y servirá para comprobar que la reacción es exotérmica, pues la temperatura aumentará. Cuando termine la reacción, el color del yodo debería haberse desvanecido y quedará el exceso de zinc. Si se observa que queda yodo sin reaccionar, agregar pequeñas cantidades de zinc en polvo hasta que el color marrón desaparezca.
5. Filtrar la disolución en otro tubo de ensayo. Con una pipeta Pasteur tomar unas gotas del filtrado y ponerlas en un vidrio de reloa dejando que el disolvente se evapore. (Esto se puede acelerar colocando el vidrio del reloj sobre un vaso de precipitados que contenga un poco de agua caliente). Aparecerá un sólido blanco que es yoduro de zinc.

2. Reacción de descomposición electrolítica

1. Verter el resto de la disolución que contiene el yoduro de zinc en un vaso de precipitados de 100 cm³. Añadir unos 20 cm³ de agua destilada y remover.
2. Intruducir los electrodos de grafito en una pieza de corcho o goma que se colocará sobre el vaso de precipitados como se muestra en la imagen sobre estas líneas. La parte inferior de los electrodos ha de quedar sumergida lo más posible en la disolución.
3. Con los cables y las pinzas de cocodrilo conectar los electrodos de grafito a la fuente de alimentación. Es útil insertar una pequeña bombilla en el ciruito para comprobar que pasa corriente. (Un galvanómetro también serviría).
4. Si la corriente pasa debería estar electrolizándose el yoduro de zinc. Dejar que el proceso transcurra durante unos minutos. Debe desarrollarse un color marrón (debido al yodo) en la disolución alrededor del electrodo positivo. Puede haber algo de efervescencia en el electrodo negativo.
5. Desconectar la fuente de alimentación. Sacar los electrodos de la solución. Lavarlos en el grifo. La parte inferior del electrodo negativo se debería haber cubierto con una capa gris plateada de zinc metálico.
6. El depósito de zinc se puede eliminar sumergiendo el electrodo en un poco de ácido diluido. El Zn reacciona con el ácido y se disuelve, desprendiéndose hidrógeno.

Explicación

La primera reacción, la de síntesis, es muy sencilla:

Zn + I₂ → ZnI₂

Gracias a la diferencia de electronegatividad entre el Zn y el I₂ la reacción se produce de forma espontánea y se crea un compuesto iónico soluble en etanol por ser bastante polar este disolvente (se forman iones Zn²⁺ e I^– rodeados de moléculas de disolvente). La qreacción es exotérmica y de ahí el aumento de temperatura que se observa durante el transcurso de la reacción (también contribuirá la energía de solvatación).

Como la reacción directa desprende energía, para que se produzca la rección inversa hay que proporcionar energía. Esta energía puede ser eléctrica, y por eso un método adecuado paa llevarla a cabo puede ser la electrolisis.

Una electrolisis consiste básicamente en dos reacciones electroquímicas. En el cátodo (polo negativo) los iones de zinc que se encuentran en disolución (Zn²⁺) toman electrones provenientes de la fuente de alimentación para reducirse a Zn metálico que queda depositado sobre el electrodo.

Zn²⁺(aq) + 2 e^– ⟶ Zn(s)

Y en el ánodo (polo positivo) los iones yoduro se oxidan a yodo elemental devolviendo al circuito los electrones consumidos por el Zn²⁺:

2 I^–(aq) ⟶ I₂(s) + + 2 e^–

Al terminar la reacción, si se quiere retirar el Zn metálico adherido al electrodo de grafito conviene utilizar un ácido como el HCl o el H₂SO₄, diluidos, ya que atacan fácilmente al Zn de este modo:

Zn(s) + 2 HCl(aq) ⟶ Zn²⁺(aq) + Cl^–(aq) + H₂(g)
Zn(s) + H₂SO₄(aq) ⟶ Zn²⁺(aq) + SO₄^2–(aq) + H₂(g)

Ambos son ejemplos de la clásica reacción:

Metal + Ácido ⟶ Sal + H₂

Detalles

Conviene tener en cuenta dos detalles interesantes:

• En una electrolisis, en prinicipio en el cátodo podrían reducirse todos los cationes presentes en disolución cuyo potencial de reducción no sea demasiado alto (habría que tener en cuenta un fenómeno conocido como sobrepotencial). En este caso, los iones H₃O⁺ del agua se reducirán a H₂ (2 H₃O⁺ + 2 e^– ⟶ 2 H₂O + H₂) y esa será la causa del burbujeo que podría observarse en el cátodo. (En el ánodo podría suceder algo análogo si el voltaje de la fuente de alimentación fuera muy alto; los OH^– producirían O₂; es decir, estaríamos electrolizando el agua al mismo tiempo que el yoduro de zinc).
• El yodo elemental (I₂) es apolar y por tanto muy poco soluble en agua, aunque sí algo en etanol, por ser menos polar que el agua (la disolución de yodo en etanol se llama tintura de yodo y ha sido utilizada desde antiguo como antiséptico). Sin embargo, cuando el yodo elemental está en presencia de iones yoduro en disolución acuosa se forma el ion triyoduro (I₃^–), que es bastante más soluble en agua, dando una disolución de color marrón oscuro. Cuando acabe la electrolisis se habrá consumido todo el yoduro y el yodo existente estará en forma elemental.
• El yodo se tritura porque de ese modo se solubilizará más rápidamente en el etanol. El Zn se usa pulverizado porque así tendrá más superficie específica para entrar en contacto con el yodo y la reacción será más rápida.

Referencia

Reacción redox exotérmica de zinc con yodo | Experimento | Educación RSC