En esta experiencia, estudiaremos la composición de oxígeno en el aire a partir de la reacción de oxidación del hierro, contenido como componente mayoritario en la lana de acero.

Es importante tener en cuenta que la duración completa de la microsecuencia es de una semana. Sin embargo, sólo necesitaremos una sesión para montar el experimento y otra para analizar los resultados. El tiempo restante es tiempo que le concedemos a la naturaleza para que haga su trabajo.

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Cesta de materiales

Presiona en los puntos interactivos de la imagen.

Manos a la obra

Paso 1

 

• Se llena el cristalizador con agua del grifo hasta superar la mitad de su volumen.

 Paso 2

 

• Se añade al agua una gota de colorante alimentario.

Paso 3

 

• Se coloca un trozo de lana de acero en el fondo de la probeta, apelmazándola para que no se desprenda al voltearla. Puede ser de utilidad, en este punto, emplear una varilla de vidrio o unas pinzas, con el fin de fijar bien la lana de acero a la base de la probeta.

Paso 4

 

• Se sujeta, con la ayuda de la pinza y del soporte, la probeta, y se voltea, de manera que quede invertida.

Paso 5

 

• Se sumerge la probeta en el cristalizador con agua tanto como sea posible sin que toque en el fondo del recipiente.

Paso 6

 

• Se mueve ligeramente la probeta para que el agua ascienda por ella hasta alcanzar el nivel del líquido fuera del cristalizador.
• Se marca el nivel inicial del agua, o se registra mediante una foto.

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Paso 7

 

• Se deja el sistema en reposo, al menos, una semana.
• Pasado ese tiempo, se marca el nivel del líquido en la probeta y se analizan los resultados.

 

Tips docentes

INTRODUCCIÓN TEÓRICA

Una reacción química es un proceso en el que unas sustancias (reactivos) se transforman en otras distintas (productos). Las reacciones químicas se representan empleando una notación característica llamada ecuación química, en la que los reactivos se colocan a la izquierda de una flecha, que indica el sentido de la transformación, y los productos se sitúan a la derecha.

Reactivos  →  Productos

Además, es importante indicar el estado físico en el que se encuentran todas las sustancias que intervienen en el proceso. La manera de indicarlo en la ecuación química es colocando la letra que corresponda (s: sólido; l: líquido; g: gas; aq: disolución acuosa) entre paréntesis y en formato subíndice a la derecha de la especie química a la que hace referencia.

En presencia del oxígeno del aire, muchas sustancias, especialmente los metales, experimentan un proceso de oxidación, produciendo el correspondiente óxido. En el caso del hierro, el proceso es el siguiente:

Fe _(s) + O_2 (g)  →  Fe₂O_3 (s)

Como en una reacción química la masa no se crea ni se destruye, tendremos que tener, en toda ecuación química, el mismo número y el mismo tipo de átomos en los reactivos y en los productos. Cuando esto ocurre, se dice que la reacción química está ajustada. Para ajustar una reacción química, se modifica el número de átomos o moléculas que participan en el proceso, pero no su fórmula química. Así, en nuestro ejemplo:

4 Fe _(s) + 3 O_2 (g)  →  2 Fe₂O_3 (s)

En el proceso se consume, por tanto, oxígeno. Así, si encerramos una determinada masa de hierro en un recipiente cerrado, en presencia de un cierto volumen de aire, cabe esperar que el hierro se oxide hasta que el oxígeno del aire se agote (en este caso, el oxígeno sería el reactivo limitante de la reacción, y el hierro el reactivo en exceso, pues es lo que sobra al finalizar el proceso). Esto hace que disminuya la presión ejercida por el gas en el interior del recipiente, pues también disminuye el número de partículas de gas (es decir, su masa).

En este trabajo se empleará la reacción de oxidación del hierro para determinar la composición volumétrica de oxígeno en el aire.

CONSEJOS METODOLÓGICOS Y TÉCNICOS

En este caso, se tendrán en cuenta los siguientes aspectos:

a) Si no se dispone de un soporte y una pinza, se puede realizar igualmente el experimento, dejando que la probeta (o, en su defecto, un tubo transparente cualquiera, tapado por uno de los extremos) descanse sobre la pared del cristalizador o del recipiente que se emplee.

b) Es importante que, al inicio del experimento, el agua ascienda por la probeta hasta igualar el nivel del líquido del cristalizador. En caso contrario, la tensión superficial del agua puede provocar que los resultados del experimento no sean concluyentes.

c) Se puede monitorizar la reacción y estudiar su velocidad, midiendo el incremento en el nivel del agua día a día. Con estos datos, se puede representar la cantidad de oxígeno consumido respecto al tiempo. De este modo, el alumnado puede comenzar a familiarizarse con las representaciones gráficas propias de la cinética química, y deducir, a partir de ellas, cómo influye la cantidad de reactivo en la velocidad de un determinado proceso:

O₂ consumido (mL):   

Tiempo (h):

d) A medida que transcurre el experimento, se le pueden plantear algunas cuestiones al alumnado como las siguientes: ¿por qué a medida que se consume el oxígeno el agua va ascendiendo por la probeta? Si observamos que, durante unos días, el nivel del agua en la probeta no varía, ¿qué podemos concluir? Si pesamos la lana de acero antes y después de realizar el experimento, ¿cuándo pesaría más?

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

Con respecto a los resultados obtenidos, se observa lo siguiente:

a) Más allá de la primera semana no se suelen observar cambios significativos en el nivel del agua por más tiempo que se mantenga el experimento. Esto implica que la reacción concluyó. Sin embargo, se puede monitorizar la reacción y dejarla durante más tiempo para estudiar si esto es efectivamente así.

b) El incremento del volumen de agua en la probeta coincide con el oxígeno que había en el aire al inicio del experimento, que se consumió por completo, pues el hierro está en exceso. De este modo, conociendo el volumen total de aire que había inicialmente en la probeta y el volumen final, se puede determinar la concentración volumétrica de oxígeno en el aire.

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La composición, en volumen, de oxígeno en el aire, deberá de dar un resultado de alrededor del 20%, empleando la fórmula:

% O₂ en el aire = (volumen inicial de aire - volumen final de aire / volumen inicial de aire) ^. 100

 

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