Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Los metales de transición suelen ser buenos catalizadores por su capacidad de cambiar de estado de oxidación fácilmente. El metal, que se halla en un estado de oxidación determinado, pasa a otro estado de oxidación por reacción con un reactivo, pero después vuelve al estado de oxidación original reaccionando con otro reactivo.
El experimento
Se disuelven aproximadamente 0,25 g de cloruro de cobalto(II) en 5 mL de agua destilada en un tubo de ensayo y se reservan. Se disuelve 1 g de tartrato de sodio y potasio (sal de Rochelle) en aproximadamente 50 mL de agua en un vaso de precipitados. Se calienta esta disolución a aproximadamente 70 oC. Se agrega una disolución de peróxido de hidrógeno al 6 % (unos 20 mL) y se vuelva a calentar a 70 oC.
Se agrega la disolución de cloruro de cobalto a la mezcla de reacción caliente. (Si la reacción se calienta demasiado o los reactivos están demasiado concentrados, una efervescencia debida a CO2 puede hacer que la mezcla se derrame fuera del vaso de precipitados).
Habrá un período de inducción antes de que la reacción se inicie. Tan pronto como la disolución aparezca de color verde oscuro, transferir rápidamente una pequeña porción con una pipeta Pasteur a un tubo de ensayo colocado en un baño de hielo con sal para enfriar el contenido del tubo. Esto se hace así porque la característica interesante de esta reacción es el cambio de color que se produce a medida que avanza. El color inicial es rosado, que cambia a verde oscuro y luego vuelve a ser rosado. Cuando se vea el color intermedio se puede intentar estabilizar el verde enfriando la mezcla rápidamente.
Como variantes, se puede realizar la reacción a más bajas temperaturas para observar los efectos sobre su velocidad o termodinámica. También se pueden modificar las cantidades de catalizador (incluida una prueba sin catalizador).
Explicación
En este experimento, el anión tartrato (2,3-dihidroxibutanodioato, C4H4O62–) se oxida con peróxido de hidrógeno en presencia de iones cobalto(II).
C4H4O62– + 3 H2O2 ⟶ 2 CO2 + 2 HCO2– + 4 H2O
El color inicial de la reacción es rosado debido al Co(II), pero cambia a verde oscuro por la formación de un intermedio de reacción de Co(III); después vuelve a ser rosado porque se recupera el Co(II). El intermedio se puede intentar estabilizar enfriando la mezcla rápidamente.
La reacción descrita es de oxidación-reducción. Las dos semirreacciones que deben considerarse (escritas ambas como reducciones) son estas:
2 HCO2– + 2 CO2 + 6 H+ + 6 e– ⟶ C4H4O 62– + 2 H2O Eo = +0,20 V
H2O2 + 2 H+ + 2 e– ⟶ 2 H2O Eo = +1,77 V
El potencial del sistema es la diferencia entre el de la reacción catódica y la anódica, diferencia que es igual a +1,57 V. Al ser un valor relativamente algo, la reacción de oxidación del tartrato es bastante favorable termodinámicamente. Pero, como se sabe, eso no significa que tenga que ser cinéticamente rápida; de hecho, es una reacción relativamente lenta incluso en caliente debido a que la energía de activación es alta.
La función del catalizador, en este caso, es adquirir un estado de oxidación más alto por reacción con uno de los reactivos para después reaccionar con el otro reactivo, el cual da lugar a los productos, recuperando al mismo tiempo el catalizador su estado de oxidación original (precisamente por eso se comporta como un catalizador). Las reacciones se pueden escribir simplificadamente del siguiente modo (sin tener en cuenta que el Co3+ forma complejo con H2O):
H2O2 + 2 H+ + 2 Co2+ ⟶ 2 H2O + 2 Co3+
C4H4O62– + 2 H2O + 6 Co3+ ⟶ 2 HCO2– + 2 CO2 + 6 H+ + 6 Co2+
La reacción se ve favorecida por el hecho de que los iones de cobalto pueden formar complejos con los iones 2,3-dihidroxibutanodioato (tartrato), que es un ligando bidentado.
Hay que tener en cuenta que el Co(II) también puede catalizar la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno, reacción secundaria que no se ha tenido en cuenta.
Precauciones
Utilizar guantes. Las sales de cobalto son tóxicas. El peróxido de hidrógeno es corrosivo.
Bibliografía
- C. Baker. Traffic lights. Education in Chemistry, 2005. https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/traffic-lights/2020080.article.
Imagen de cabecera: Tefuxily en Youtube.
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/ .
