Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Las resinas de intercambio iónico tienen muchas aplicaciones, especialmente en la purificación de agua. Así, pueden eliminar de ella iones de calcio y magnesio para reducir su dureza y evitar depósitos; hierro y manganeso, que manchan los tejidos y pueden producir corrosión; iones sodio, cloruro, nitrato, amonio e incluso materia orgánica.
El experimento
El experimento consiste en poner 1 g de la resina de intercambio iónico ácida Amberlyst 15 en un tubo de ensayo y agregar agua hasta la mitad del tubo. Después se añaden unas 20 gotas de disolución alcohólica de azul de timol. El agua se volverá amarillo-anaranjada. (Si se dispone de un pehachímetro podría medirse el pH en este momento, y también en todas las etapas del experimento).
Si se añaden 2 g de cloruro de sodio, la disolución se volverá roja donde esté en contacto con la resina; si se agita suficientemente se volverá roja toda ella.
Agregando posteriormente hidróxido de sodio 0,2 M gota a gota se conseguirá que la disolución se torne intensamente azul en la parte superior. Tratar de hacerlo de modo que quede azul el tercio superior. Se observarán tres zonas de color: una roja en la parte inferior, otra anaranjada en medio y otra azul arriba. Si se agita desaparecerá el color azul.
Al agregar una cantidad adicional de la disolución de hidróxido de sodio gota a gota se recuperarán los tres colores. El proceso se puede repetir varias veces. La intensidad del color rojo donde se encuentra la resina (es decir, en la parte inferior del tubo) disminuirá con cada repetición. Finalmente, la disolución permanecerá azul después de la adición de una pequeña cantidad de base.
Fundamentos
Como le sucede a todo indicador ácido-base, la concentración de protones del medio afecta a la estructura molecular del azul de bromotimol. Su dependencia con el pH se ilustra en el siguiente esquema:
Las tres especies que se muestran en la figura tienen cada una su propio y característico espectro de absorción, lo que en la práctica supone que presentan distintos colores. Concretamente, las disoluciones de este indicador son de color rojo a pH muy ácido, amarillo a pH entre 3 y 8 aproximadamente y azul a pH básico.
Por otra parte, una resina de intercambio catiónico es un polímero orgánico con una matriz cargada negativamente y provista de cationes de elementos metálicos o protones para compensar la carga. Si tiene protones, la resina actúa como un ácido. En disolución estos protones pueden ser liberados parcialmente, como lo hacen los ácidos débiles. Pero para restablecer su estado eléctrico, la resina tenderá a tomar cationes del medio en el que ha liberado protones.
Son resinas de intercambio de este tipo las que poseen grupos funcionales como el carboxílico (–COOH) o el sulfónico (–SO3H). Concretamente, la resina que se propone en este experimento, Amberlyst 15, contiene grupos sulfónicos. Sus protones los puede intercambiar por otros cationes existentes en una la disolución. Si llamamos RH a la resina y consideramos que el catión que se intercambia es Na+, el proceso se puede representar así:
HR + Na+ + H2O ⇌ NaR + H3O+
En el experimento que se propone, como la resina es un sólido insoluble en agua y más denso, queda en el fondo del tubo de ensayo. Cuando se añade NaCl, la resina intercambia protones (H+) por iones Na+. Eso hace que el agua próxima a la resina se vuelva ácida y, por tanto, el indicador azul de timol se muestre de color rojo. Más arriba, donde los protones aún no han llegado, la disolución se verá amarilla, que es el color del indicador a pH intermedio entre el muy acido y el básico. Si la disolución se agita, los protones estarán en toda ella y eso la volverá roja en todas las zonas.
Al agregar hidróxido de sodio en la parte superior, esa zona se volverá alcalina, y por eso se tiñe de azul (el color del azul de timol en medio básico). El resto del experimento consiste en conseguir que distintas zonas de la disolución tengan distintos pH y, por tanto, diferentes colores.
Con 1 g de Amberlyst 15 se pueden agregar unos 24 mL de una disolución de hidróxido de sodio 0,2 M para neutralizar todos los protones que la resina puede proporcionar. Una vez que casi todos los protones hayan sido intercambiados y neutralizados, la disolución permanecerá azul después de la adición de una pequeña cantidad de base.
Seguridad
Aunque en el experimento no se emplean sustancias muy peligrosas, obsérvense las medidas de seguridad habituales, especialmente en el manejo del hidróxido de sodio.
Referencias
- Eilks, Ingo; Gulacar; Ozcan. A Colorful Demonstration to Visualize and Inquire into Essential Elements of Chemical Equilibrium. J. Chem. Educ. 2016, 93, 1904-1907. DOI: 10.1021/acs.jchemed.6b00252.
Imagen de los equilibrios del azul de timol: Yikrazuul (Trabajo propio, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=837234).
Este experimento pertenece al libro:
Denís Paredes Roibás, José M.ª Gavira Vallejo: 125 experimentos de química insólita para la Enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/125eqi/.
