Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
El ion cloruro (Cl–) y la molécula de amoniaco (NH3) forman con el ion Cu2+ sendos compuestos de coordinación (o complejos) de estructura similar, aunque de colores bien diferentes. Cuando tanto el Cl– como el NH3 están presentes en una disolución de Cu2+, el Cl– compiten con el NH3 por formar el complejo, de forma que prevalece un complejo u otro en función de las concentraciones de estos ligandos. Ambos complejos son interconvertibles reversiblemente.
El experimento
Se necesita un erlenmeyer de 2 L, 100 mL de disolución 0,2 M de sulfato de cobre, 250 mL de disolución concentrada de amoniaco y 250 mL de ácido clorhídrico concentrado. Basta verter la disolución de sulfato de cobre, de color azul pálido, en el erlenmeyer y agregar lentamente ácido por la pared del matraz, agitando después vigorosamente. La disolución se volverá amarillo-verdosa. A continuación se agrega cuidadosamente amoniaco de la misma manera. El color de la disolución se volverá azul oscuro. Al añadir de nuevo HCl retornará el color amarillo-verdoso y así sucesivamente.
Hay que permitir que escape un humo blanco que se formará en cada adición de reactivo para que no enmascare los cambios de color, y agitar el matraz cuando sea necesario para producir una mezcla homogénea. Si se hace con mucho cuidado, es posible producir una disolución amarillo-verdosa en la parte inferior y azul oscuro en la parte superior y un precipitado lechoso de color celeste en la interfaz de las dos capas.
Se generará bastante calor.
Fundamentos
Cuando una sal de cobre (como el sulfato) se disuelve en agua, las moléculas de agua actúan como ligandos produciendo el ion complejo [Cu(H2O)6]2+, de color azul.
Al añadir ácido clorhídrico concentrado a una disolución muy diluida de sulfato de cobre, la disolución de color azul pálido se vuelve lentamente amarillo-verdosa debido a la formación del complejo de cobre [CuCl4]2–:
[Cu(H2O)6]2+ + Cl– ⇌ [CuCl4]2– + 6 H2O
La configuración electrónica del cobre es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Para formar un ion Cu2+, un átomo de cobre pierde el electrón 4s y uno de los electrones 3d, quedando con esta estructura electrónica: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d9. Por su parte, la configuración electrónica del cloro es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 y la del cloruro es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6; es decir, el cloruro tiene en su última capa 4 pares de electrones. Los orbitales 4s y 4p vacíos los usa el Cu2+ para aceptar un par de electrones solitarios de cada uno de cuatro iones cloruro. Como se ve, al pasar de [Cu(H2O)6]2+ a [CuCl4]2– no solo se intercambian los ligandos, sino que el número de coordinación del cobre cambia de seis a cuatro. Eso significa que la coordinación del ion Cu2+ pasa de ser octaédrica a plano-cuadrada.
El amoniaco también tiende a formar con el Cu2+ un complejo estable de simetría plano-cuadrada, el [Cu(NH3)4]2+, de color azul oscuro. (En este caso, los pares de electrones los aporta el N del :NH3). Por eso, si tenemos una disolución de [CuCl4]2– y añadimos amoniaco concentrado, las moléculas de NH3 competirán con los iones Cl– y se establecerá este equilibrio:
[CuCl4]2– + 4 NH3 ⇌ [Cu(NH3)4]2+ + 4 Cl–
Si la concentración de amoniaco es suficientemente alta, el equilibrio estará desplazado hacia la derecha (por el principio de Le Châtelier) y la disolución se verá de color azul oscuro, que es el color del complejo [Cu(NH3)4]2+.
Pero el equilibrio se puede desplazar hacia la izquierda agregando más ácido clorhídrico, es decir, más iones Cl–.
Hay que tener en cuenta que el equilibrio explicado es el principal, pero existirán otros, ya que el Cu2+ tiene tendencia a formar muy variados complejos. Por ejemplo, como se dijo antes, cuando está en agua pura forma el complejo [Cu(H2O)6]2+, pero, si se va agregando poco a poco otro ligando apropiado, sus moléculas irán reemplazando poco a poco a las moléculas del H2O. Así, el NH3 llega a reemplazar fácilmente a cuatro moléculas de agua para formar [Cu(NH3)4(H2O)2]2+. El quinto NH3 entraría con mucha dificultad y el sexto solo en amoniaco líquido.
Por otro lado, el precipitado que podría verse entre las capas en las que predominan los complejos [Cu(NH3)4]2+ [CuCl4]2– es de hidróxido de cobre, Cu(OH)2, o, más exactamente, del complejo [Cu(H2O)4(OH)2]. Este se forma en disoluciones básicas; la basicidad en este caso la crea el NH3, pero el hidróxido solo aparece en la zona en la que la concentración de NH3 es baja, insuficiente como para formar el complejo [Cu(NH3)4]2+.
Queda por explicar la naturaleza del humo blanco que se observa en las distintas adiciones de NH3 y HCl concentrados. Son partículas muy finas de cloruro de amonio, consecuencia de la neutralización del ácido y la base. La reacción es muy exotérmica, lo que se podrá comprobar fácilmente por el calentamiento del matraz.
Seguridad
El experimento debe hacerse en vitrina porque al agregar el ácido al amoniaco se producen grandes cantidades de humo de cloruro de amonio que se extienden rápidamente.
Hay que usar gafas y guantes. El amoniaco es corrosivo; sus disoluciones concentradas emiten mucho gas NH3, que es tóxico. El ácido clorhídrico es también muy corrosivo y tóxico por inhalación.
Tanto el amoniaco como el ácido clorhídrico deben diluirse antes de echarlos al desagüe. Para deshacerse del sulfato de cobre hay que seguir las normativas vigentes. Tener en cuenta antes de hacerlo si se puede reutilizar en otro experimento.
Bibliografía
- C. Baker. A spectacular reversible reaction. Education in Chemistry, 2006. https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/a-spectacular-reversible-reaction/2020036.article.
- Letters – September 2006. Education in Chemistry, 2006. https://edu.rsc.org/feedback/letters-september-2006/2020302.article.
- Complex metal ions – Stability constants. https://www.chemguide.co.uk/inorganic/complexions/stabconst.html.
Imágenes: cabecera: Scott Milam en YouTube; interior: https://edu.rsc.org/feedback/letters-september-2006/2020302.article.
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/ .
