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Experimento de la botella azul

Vídeo de la reacción de la botella azul

El experimento de la botella azul es una reacción química redox que cambia de color . Se prepara una solución acuosa que contiene glucosa , hidróxido de sodio y azul de metileno en una botella cerrada que contiene algo de aire. Al reposar, cambia espontáneamente de azul a incoloro debido a la reducción del azul de metileno por la solución de glucosa alcalina. Sin embargo, al agitar la botella, el azul de metileno se oxida y vuelve a su forma azul. Si se agita más, este ciclo de cambio de color se puede repetir muchas veces. [1] Este experimento es una demostración clásica de química que se puede utilizar en cursos de laboratorio como un experimento de química general para estudiar la cinética química y el mecanismo de reacción . [2] La reacción también funciona con otros agentes reductores además de la glucosa [3] y otros colorantes indicadores redox además del azul de metileno. [4]

Reacciones

Historia y concepto general

Esquema de reacción de la botella azul [5] [6]

El mecanismo del experimento de la botella azul requiere una comprensión de las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas complejas que interactúan. En las reacciones químicas complejas, las subreacciones individuales pueden ocurrir simultáneamente pero a velocidades significativamente diferentes. Estas, a su vez, pueden verse afectadas por la concentración de reactivos y la temperatura . En la mayoría de los casos, la velocidad de reacción general está determinada por la reacción de un solo componente más rápida. Sin embargo, cuando algunos procesos forman moléculas intermedias que luego reaccionan en otros procesos para formar el producto final, la velocidad de la reacción general está determinada por la velocidad de la reacción más lenta. En tales circunstancias, los productos intermedios suelen estar en un estado estable a bajas concentraciones porque son altamente reactivos. [7] El estado de equilibrio requiere que todos los mecanismos de reacción hacia adelante y hacia atrás ocurran a la misma velocidad. [8] Por lo tanto, la reacción neta general está determinada por la suma de todos los pasos del mecanismo donde la velocidad depende de la concentración y la temperatura. El experimento de la botella azul ilustra este principio de reacciones interactivas con diferentes velocidades. [4]

El experimento de la botella azul requiere solo tres reactivos: solución de hidróxido de potasio , solución de dextrosa y solución de azul de metileno diluido . Estos reactivos se agregan a un matraz, se mezclan y se tapa el matraz. El color inicial de la solución es azul, pero al reposar durante un breve intervalo se desvanece espontáneamente a incoloro, ya que la solución de dextrosa alcalina reduce el azul de metileno a azul de leuco-metileno incoloro. Agitar el matraz hace que el oxígeno presente en el aire del espacio de cabeza se disuelva en la solución y oxide el azul de leuco-metileno nuevamente a su forma coloreada. [9] Otra variación utiliza azul de metileno en agua, glucosa y soda cáustica ( NaOH ). [10] Hay muchas versiones del experimento, sin embargo, a diferencia de la versión clásica donde es necesario usar un tinte como catalizador para la reacción, las versiones verde y rápida experimentan autooxidación incluso en ausencia del tinte. [11]

En el pasado, se pensaba que la reacción se producía por la oxidación de un grupo aldehído a un ácido carboxílico en condiciones alcalinas . Por ejemplo, la glucosa se oxidaría a gluconato por el oxígeno . [12] Sin embargo, el experimento también funciona con compuestos como la vitamina C y la benzoína , que no contienen un grupo aldehído. [ 4] Por lo tanto, la reacción es en realidad la oxidación de una aciloína o un grupo α - hidroxicarbonilo relacionado , que es una característica estructural de la glucosa, a una 1,2-dicetona . [13] El colorante redox reducido (estado incoloro) se forma a partir del colorante redox oxidado (azul). El cambio de color que se produce en el experimento de la botella azul tiene características de una reacción de reloj , en la que se produce de repente un cambio visible en la concentración de uno o más reactivos tras el agotamiento de un reactivo limitante. Por ejemplo, el reactivo limitante, el oxígeno, es consumido por otro reactivo, la benzoína, con la ayuda de la safranina como catalizador. Una vez que se ha agotado la cantidad limitada de oxígeno, el catalizador no puede cambiar de forma y, como resultado, la solución cambia de color.

Botella azul en diferentes time-lapses de temperatura. De la más fría (izquierda) a la más cálida (derecha)
Vídeo de la botella azul con manómetro
Botella azul con manómetro

Versión clásica

La solución acuosa en la reacción clásica contiene glucosa , hidróxido de sodio y azul de metileno . [14] En el primer paso se forma una aciloína de glucosa. El siguiente paso es una reacción redox de la aciloína con azul de metileno en la que la glucosa se oxida a dicetona en solución alcalina [6] y el azul de metileno se reduce a azul de leucoetileno incoloro. Si hay suficiente oxígeno disponible (es decir, después de agitar la botella), el azul de leucoetileno se reoxida inmediatamente a azul de metileno y el color azul de la solución persiste. Sin embargo, cuando la solución se deja reposar, el oxígeno disuelto se consume gradualmente de manera irreversible [11] y, en el punto en el que se ha agotado por completo, la reducción de glucosa del azul de metileno continúa sin oposición y el color de la solución desaparece rápidamente. [15] La reacción es de primer orden en glucosa, azul de metileno e ion hidróxido y de orden cero en oxígeno. El proceso puede describirse como una reacción pseudo de primer orden y puede utilizarse para ilustrar las concentraciones cambiantes de los reactivos a lo largo de la reacción a medida que la solución cambia de azul a incolora. [1]

Los productos finales de oxidación de glucosa además del gluconato de sodio se han identificado como D -arabino-hexos-2-ulosa ( glucosona ), el anión de D -arabinonato después de la separación de un anión formato y ácido arabinónico. [13]

Versión verde

Wellman y Noble propusieron una nueva formulación para el experimento de la Botella Azul en la que la vitamina C sirve como agente reductor en lugar de la glucosa; todavía se utilizan el azul de metileno y el oxígeno. [16] Se añade cobre como catalizador para la reoxidación del azul de leucoetileno a azul de metileno . Estas modificaciones dan lugar a un experimento que genera una menor cantidad de residuos que son menos corrosivos y más fáciles de neutralizar, y por tanto es un ejemplo de modificación de la química verde . [17]

Versión rápida

El experimento de autooxidación de benjuí de Chen [18] fue similar al de las versiones clásica y verde. Se descubrió que los experimentos del semáforo y del San Valentín que desaparece pueden tener éxito independientemente de si se agrega azúcar. Una variación es más rápida, ya que el número de ciclos de cambio de color no dura tanto como en las versiones clásica y verde porque los reactivos están presentes en cantidades más pequeñas; además, el agente reductor para este experimento es benjuí, que se agrega para ayudar a aumentar el número de ciclos en la solución. Además, el período de uso en este experimento es bastante corto. Aunque el experimento se prepara durante la noche, el agente reductor se puede agregar en cualquier momento para poder observar más la solución. [19]

Versión enzimática

Zhang, Tsitkov y Hess de la Universidad de Columbia [20] propusieron una versión enzimática del "experimento de la botella azul". Lo llamaron "experimento de la botella verde", ya que el sistema es de color verde y los reactivos son más seguros que los enfoques clásicos. El experimento se realiza en un vial de vidrio transparente que contiene dos enzimas comunes ( glucosa oxidasa y peroxidasa de rábano picante ), glucosa y ácido 2,2'-azino-bis(3-etilbenzotiazolina-6-sulfónico) (abreviado como ABTS) en tampón PBS. Se utiliza una fina capa de aceite para bloquear la solución del aire. La solución inicialmente se vuelve verde y luego se vuelve incolora con el agotamiento del oxígeno disuelto. Al agitar la solución se introduce oxígeno fresco y la solución vuelve a teñirse de verde hasta que se consume el oxígeno.

Esta versión se basa en tres reacciones enzimáticas. En primer lugar, la glucosa oxidasa cataliza la oxidación de la glucosa en presencia de oxígeno y produce peróxido de hidrógeno. En segundo lugar, la peroxidasa de rábano picante utiliza el peróxido de hidrógeno para oxidar el ABTS a su forma catiónica radical, ABTS +• . A medida que el oxígeno disuelto se consume en la solución, se produce la tercera reacción: la glucosa oxidasa cataliza la reducción del ABTS +• de nuevo a ABTS en presencia de glucosa. Este sistema también puede formar hermosos patrones que surgen de la convección de Rayleigh-Bénard impulsada por la reacción. [21]

Variación de tintes

Las reacciones químicas y el mecanismo del experimento de la botella azul se basan en la oxidación de un azúcar con la ayuda del aire y un colorante redox en una solución básica. Se han descrito otras variaciones de esta reacción que utilizan cuatro familias de colorantes redox : tiazinas , oxazinas , azinas y carmín índigo , que se han descrito como eficaces con glucosa y soda cáustica . [19]

Experimento del semáforo químico

El semáforo químico es una reacción redox que cambia de color y está relacionada con el experimento de la botella azul . Una de las primeras fórmulas consiste en glucosa , hidróxido de sodio , carmín índigo (colorante) y agua . Otra fórmula consiste en carmín índigo , ácido ascórbico ( vitamina C ), bicarbonato de sodio , cloruro de sodio , sulfato de cobre (II) , hidróxido de sodio y agua . [17] Al hacerlo, se reducen los desechos químicos y el nivel de productos químicos corrosivos . La cantidad de productos químicos sólidos disueltos en el experimento podría reducirse de 60 gramos a 6 gramos. Y el pH podría reducirse de 13 a 3, lo que es más fácil de neutralizar el pH a 7 agregando bicarbonato de sodio antes de la eliminación. [16] Además, es más seguro y las reacciones también ocurren más rápido y son más fáciles de realizar.

Al principio, se suman todos los productos químicos y el color aparece amarillo. Después de agitar, el color se torna verde y luego cambia a rojo si no se toca. Al observarlo más detenidamente, el color vuelve a ser amarillo, por lo que la solución se denomina semáforo químico. Esta reacción se puede repetir muchas veces, pero necesita más oxígeno o carmín índigo .

Esta reacción ocurre por oxidación y reducción de la solución donde la solución de glucosa alcalina actúa como agente reductor . La solución de glucosa se agrega a la solución que contiene el indicador (colorante índigo carmín) y se producen cambios de color. Esta reacción también se conoce como experimento del reloj químico porque las concentraciones de los productos y reactivos cambiaron durante el período específico. [22] Cuando se agita la solución, el oxígeno se disuelve en la solución y oxida el índigo carmín. La solución se vuelve roja si se disuelve una pequeña cantidad de oxígeno y verde si se oxida todo el índigo carmín. [23] La solución volverá a su color amarillo original cuando baje la concentración del nivel de oxígeno. [24]

Experimento de desaparición del San Valentín

El experimento del San Valentín que desaparece es otra reacción química relacionada con el experimento de la botella azul . Esta reacción ocurre cuando se mezcla agua, glucosa , hidróxido de sodio y resazurina en un matraz. Cuando se agita la solución, pasa de un color azul claro a un color rojizo. La solución vuelve a tomar un color azul claro después de dejarla reposar durante un tiempo. Esta reacción se puede repetir varias veces. [25]

Después de mezclar todos los componentes, agite el frasco y el color cambiará a rojo o rosa según la cantidad de resazurina en la solución. Cuanto más resazurina haya en la solución, más tiempo necesitará la solución para volver a su color y la intensidad del color rojo.

Ecuación de la desaparición de San Valentín

La reacción química estimula la glucosa para reducir la resazurina a resorufina, que luego se reduciría nuevamente a un compuesto incoloro llamado dihidroresorufina. Cuando se agita la dihidroresorufina, se oxida nuevamente a resorufina. Esto se debe a que al agitarla, el oxígeno en la botella oxida la dihidroresorufina y la convierte nuevamente en resorufina. [26]

Otros

Gatorade

Se descubrió que la erioglaucina , un colorante alimentario y un tinte redox, era un sustituto eficaz del azul de metileno en el experimento de la botella azul. Dado que algunos dulces y bebidas como Gatorade contienen el colorante y un azúcar reductor, solo se necesita agregar hidróxido de sodio para convertir estos productos alimenticios en una solución de botella azul. [27]

Matraz morado

La tionina se puede utilizar en la versión verde del experimento en combinación con un catalizador de cobre/hierro para crear el matraz morado. [28]

Formación de patrones

La formación de patrones se produce cuando se vierte una solución que contiene NaOH, glucosa y colorante en una placa de Petri abierta a la atmósfera. [29] Esto hará que la solución cambie su estructura con el paso del tiempo. Las estructuras surgen del transporte molecular a través de la difusión y la cinética química . Los patrones formados en la placa de Petri se pueden describir como un patrón de mosaico: una espiral dinámica en forma de red, ramificada y con líneas que se conectan entre sí. [30]

Los cambios en la formación de patrones no son homogéneos y pueden verse afectados por varios factores. Diferentes tipos de tinte en solución darán el mismo patrón debido a la formación del enlace y la dinámica sigue siendo la misma, esto se debe a que la solución tiene el mismo color que el tinte. Diferentes cantidades de tinte pueden resultar en un cambio de densidad en la solución y esto resulta en un cambio del movimiento convectivo. Diferentes cantidades de tinte pueden generar diferentes cantidades de celdas de convención que también se forman por diferentes cantidades de glucosa y producto oxidado. Esto puede resultar en un fenómeno espacial interesante. El tiempo también puede afectar la formación de patrones. A medida que pasaba el tiempo, un patrón se desvanecía gradualmente. Las espirales y las ramas comenzaron a desaparecer y finalmente desaparecieron por completo. Estos hechos indican que el oxígeno afecta la reacción química y esto juega un papel fundamental en la formación de patrones. La formación de patrones también puede formarse a partir de una inestabilidad convectiva impulsada químicamente. Esto significa que la materia se intercambia a través de la interfaz de la mezcla de reacción del aire, debido a las fluctuaciones en la naturaleza molecular de los sistemas químicos. [31] La temperatura puede afectar la formación de patrones. [6] La temperatura más fría formó un patrón más claro que la temperatura caliente. La forma de la placa de Petri también contribuyó a la formación del patrón. [6]

Un grupo de investigadores de la Universidad de Glasgow, Pons, Batiste y Bees, llegó a una pequeña conclusión sobre la formación de patrones en el sistema azul de metileno-glucosa. Llegaron a la conclusión de que se puede formar un patrón similar en un recipiente con oxígeno accesible. Este efecto de tensión superficial resultante no es necesario para producir la inestabilidad. También se encontraron pequeños agujeros en la tapa del recipiente a los que el oxígeno no puede acceder, lo que da como resultado una cantidad delgada, azul y menor de oxígeno. La longitud del patrón y la escala de tiempo se habían explorado en uno de sus experimentos debido a la variación en la viscosidad y la profundidad del fluido. El experimento revela que la longitud de onda se forma a medida que un patrón comienza a formarse rápidamente. Luego, la longitud de onda o el patrón pueden mantenerse u oscilar durante un tiempo. [32]

Referencias

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