Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
La mayoría de las reacciones de las sustancias con oxígeno son exotérmicas (hay excepciones, como la combustión del nitrógeno para dar NO). Es fácil comprobarlo en las combustiones, por ejemplo la de la madera. Ahora bien, no todas las reacciones con oxígeno producen llama, ya sea porque son lentas o porque son poco exotérmicas. En el experimento que se propone se podrá comprobar que se está produciendo una oxidación por un efecto energético, el aumento de temperatura, pero no se observarán llamas.
El experimento
Este material se comercializa en forma de haz de fibras de acero y se usa en trabajos de acabado, limpieza y reparación.
El experimento se completa en unos 15 minutos y se puede apreciar que la reacción global es exotérmica con un termómetro. Basta poner un estropajo de lana de acero en un recipiente y remojarlo en vinagre durante un minuto o algo más.
En otro recipiente (cerrado para mantener el calor) se envuelve en estropajo la sonda de un termómetro digital o analógico. Se irá comprobando que la temperatura aumenta gradualmente. El estropajo adquirirá una coloración marrón-rojiza.
Conviene pesar el estropajo antes del experimento y después de él una vez que se haya secado completamente.
Fundamentos
El ácido acético (CH3COOH) contenido en el vinagre elimina una capa protectora con la que se recubre la lana de acero cuando se fabrica. Además, su acidez neutralizará los iones hidroxilo que se van a formar. Y actúa como electrolito, favoreciendo la reacción electroquímica que se va a producir porque las cargas que aporta (las de los iones CH3COO– y H+) ayudan a compensar las cargas que se producen en la reacción, estabilizando el sistema. Todos estos factores facilitan la reacción de oxidación del hierro, que es el proceso que ocurre.
La oxidación del hierro en agua es un fenómeno bastante complejo, pero se ha comprobado que los tres productos más abundantes son óxido de hierro(III) hidratado con proporción variable de agua, Fe2O3·(H2O)n; hidróxido de hierro(III), Fe(OH)3; y oxihidróxido de hierro(III), FeO(OH).
Básicamente, la oxidación consiste en la transferencia de electrones desde el metal al oxígeno. Si el hierro está mojado, el oxígeno que actúa como oxidante es el que está disuelto en agua. Se reduce de esta forma:
O2 + 4 e– + 2 H2O ⟶ 4 OH–
Uno de los efectos del ácido es que se disocia y produce protones que se combinarán con los iones OH–; al desaparecer estos, el equilibrio se desplazará hacia la derecha (principio de Le Châtelier), y eso supondrá el consumo de electrones. Estos electrones, lógicamente, los aporta el hierro, que se oxida de esta manera:
Fe ⟶ Fe 2+ + 2 e–
La oxidación del hierro puede proseguir hasta Fe3+:
4 Fe2+ + O2 ⟶ 4 Fe3+ + 2 O2−
Como el experimento se hace en medio acuoso, tanto el Fe2+ como el Fe3+ pueden producir los hidróxidos correspondientes por hidrólisis:
Fe2+ + 4 H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2 H3O+
Fe3+ + 6 H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3 H3O+
y los hidróxidos formados quedan en equilibrio con distintos tipos de óxidos:
Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2O
Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O
2 FeO(OH) ⇌ Fe2O 3 + H2O
También se ha detectado en las reacciones de oxidación de hierro la formación Fe3O4 (óxido ferroso férrico), oxihidróxidos de estequiometrías complejas (Fe(OH)3−xOx⁄2), etc.
La formación de múltiples productos de oxidación e hidratación justifica los distintos colores que la herrumbre ofrece al microscopio, como se puede ver en la imagen. En general, en las proporciones obtenidas influyen mucho las concentraciones de los reactivos. Así, dependiendo de la concentración de oxígeno se favorecerán los productos de Fe(II) o los de Fe(III). En estado sólido la oxidación es más lenta y la naturaleza de los productos de reacción va cambiando poco a poco con el tiempo.
Seguridad
Se trata de un experimento bastante seguro que se puede hacer en la cocina. No obstante, úsense guantes y gafas de protección.
Referencias
- Rust. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Rust.
- A. M. Helmenstine. How to Create an Exothermic Chemical Reaction. ThoughtCo 2018. https://thoughtco.com/create-an-exothermic-chemical-reaction-602208.
Imagen de cabecera: The Sci Guys en YouTube. Imagen de la lana de acero: Johan (CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1049074). Imagen de la herrumbre:
Laitr Keiows (CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11381670).
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/ .
