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Reacciones más rápidas con catalizadores. Materiales y métodos

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Esta actividad sugiere una serie de enlaces web que pueden ser reemplazados por otras fuentes y material bibliográfico.

Objetivo

La observación de diferentes reacciones químicas, a través de le experiencia. Los alumnos realizarán diversos experimentos empleando distintos métodos y catalizadores.

Descripción de la actividad

El agua oxigenada, que se utiliza para desinfectar heridas y decolorar el pelo –entre otros usos–, se descompone espontáneamente liberando oxígeno en burbujas. Esta reacción, que en condiciones normales ocurre lentamente, puede acelerarse agregando un catalizador, es decir, una sustancia que acelera reacciones químicas. Entre los catalizadores se encuentran compuestos inorgánicos, como el dióxido de manganeso, y biológicos –las enzimas–, como la catalasa que se obtiene de las papas y las manzanas. La actividad de las enzimas depende, entre otras cosas, de la acidez –o el pH– del medio.

Mediante la realización de este experimento se podrá determinar:

  • Si una sustancia actúa como catalizador.
  • Cuál es el pH óptimo para la catalasa de papa.
  • Si existe alguna relación entre el pH de la papa (7,4) y el pH óptimo para la catalasa de la papa.
  • La acción como catalizador del dióxido de manganeso y su relación con el pH.
  • Si el pH óptimo de la catalasa de papa es el mismo que el de la catalasa de manzana.

Propiedades del agua oxigenada

El agua oxigenada (H2O2) es una sustancia inestable, oxidante y muy tóxica. Su acción desinfectante y decolorante se debe a que oxida componentes de los microorganismos y colorantes. En las células se produce agua oxigenada en pequeña cantidad, como un subproducto de las reacciones bioquímicas de la respiración. El organismo se defiende de su toxicidad mediante los antioxidantes naturales que la descomponen en sustancias inocuas.

Espontáneamente, el agua oxigenada se descompone en agua y oxígeno de acuerdo con la siguiente ecuación:

catalizadoor.png

Durante la reacción se liberan burbujas de oxígeno. En condiciones normales esto ocurre muy lentamente.

Velocidad de una reacción

La velocidad de una reacción química es la cantidad de producto que esta genera, o la cantidad de reactivo que consume en una unidad de tiempo. Por lo tanto, la velocidad de descomposición del agua oxigenada puede medirse según la cantidad de oxígeno que se desprende, por ejemplo, en un minuto. Esto se logra midiendo el tiempo y el volumen de gas producido utilizando un tubo graduado.

Catalizadores

En una reacción la energía de los reactivos y productos es siempre la misma, pero la energía de activación puede disminuir si un catalizador proporciona un camino alternativo para que proceda la reacción.

Los catalizadores disminuyen la barrera energética, o energía de activación, que deben superar los reactivos para transformarse en productos. Cuando la energía de activación es grande la reacción ocurre lentamente. Un catalizador aumenta la velocidad porque hace que la reacción ocurra mediante un mecanismo que requiere una energía de activación menor.

Los catalizadores pueden ser inorgánicos u orgánicos. Los catalizadores inorgánicos suelen ser metales de transición, como el platino y el níquel, o compuestos de metales de transición, como el dióxido de manganeso. Estas sustancias pueden combinarse con los reactivos y modificar la densidad electrónica en la unión química que se rompe durante la reacción. De esta manera se reduce la energía de activación y se facilita la reacción. En el caso de la descomposición del agua oxigenada, el catalizador debilita la unión entre los dos átomos de oxígeno (H-O-O-H), que se separan durante el proceso.

Enzimas: catalizadores biológicos

Las enzimas son catalizadores orgánicos de origen biológico y estructura compleja. La catalasa y la mayoría de las enzimas son proteínas, caracterizadas por su estructura molecular tridimensional. La actividad de las enzimas depende de esta estructura, en la cual hay una zona en la que se inserta una molécula del reactivo (o sustrato) de manera ajustada y específica, como puede hacerlo una llave en la cerradura. La unión del sustrato a la enzima desencadena la reacción química, se liberan los productos y el sitio de unión queda libre nuevamente para captar otra molécula de sustrato y continuar la reacción.

La enzima posee un sitio activo donde se une el sustrato. De esta manera facilita la reacción.

Una característica de las proteínas –y de las enzimas– es que su estructura tridimensional puede modificarse según la acidez del medio. La estructura que presentan se forma por el plegamiento de la cadena de aminoácidos de la proteína sobre sí misma. Estos plegamientos se forman por interacciones de tipo eléctrico que permiten la unión de aminoácidos, alejados entre sí en la secuencia lineal de la cadena. Las variaciones de la concentración de iones hidrógeno –o el pH–de la solución alteran la carga eléctrica de algunos grupos funcionales de los aminoácidos y afectan las interacciones que estos mantienen en la estructura tridimensional. Por este motivo, la actividad catalítica de una enzima, que requiere una estructura determinada, puede variar con el pH.

Actividad

Materiales y métodos

El oxígeno que se desprende a partir de la descomposición del agua oxigenada empuja la columna de líquido coloreado. El cronómetro se acciona cuando el líquido se encuentra en la marca 0 cm y se detiene cuando llega a 10 cm. En ese momento, la apertura de la válvula de seguridad permite que la columna de líquido descienda a la posición inicial.

Materiales

  • 2-5 tubos de ensayo, 2 pipetas de 5 cm3, vaso de precipitado, soporte metálico y agarradera
  • Válvula de escape: tubo de vidrio (3 mm de diámetro y 5 cm de longitud, aproximadamente), calzado a un trozo de tubo de goma flexible, cerrado por la presión de una pinza de Mohr (o un broche), según se muestra en la figura
  • Manómetro: tubo con dos codos (3 mm de diámetro y 30 cm de longitud total, aproximadamente), según se muestra en la figura
  • Tapón de goma para tubo de ensayo con dos perforaciones (por las que deben pasar los tubos de vidrio del manómetro y de la válvula de escape)
  • Marcador indeleble, regla
  • Cronómetro o reloj con segundero
  • Papa, manzana
  • Espátula, cuchillo afilado, sacabocados (o tubos de bronce de 3 y 10 mm de diámetro), pinza de disección o similar
  • Agua oxigenada de 40 volúmenes (aproximadamente 100 cm3) y de 10 volúmenes (aproximadamente 50 cm3, se puede preparar por dilución de la anterior con agua destilada o desionizada), dióxido de manganeso (aproximadamente 2 gramos), arena (aproximadamente 2 gramos).
  • Fluido coloreado, por ejemplo una solución de permanganato de potasio o de colorantes vegetales de cocina (aproximadamente 10 cm3)
  • Soluciones de fosfato monohidrógeno de sodio (Na2HPO4) 0,2 mol/dm3 (aproximadamente 500 cm3) y de ácido cítrico 0,1 mol/dm3 (aproximadamente 300 cm3); para preparar 100 cm3 de solución fosfato / ácido cítrico de distintos pH de acuerdo con las cantidades que se indican en la siguiente tabla.

Soluciones reguladoras de pH

pH

Na2 HPO4 (cm3)

Ácido cítrico (cm3)

3,0

20,6

79,5

4,0

38,6

61,5

5,0

51,5

48,5

6,0

63,2

36,9

7,0

82,4

17,7

8,0

97,3

2,8

Armado del aparato

  1. Fijar, con la agarradera, un tubo de ensayo al soporte, según se muestra en la figura.
  2. Insertar el manómetro y la válvula de escape en las dos perforaciones del tapón.
  3. Introducir el tapón en el tubo de ensayo.
  4. Introducir una pequeña cantidad de líquido coloreado en el tubo del manómetro, de manera que alcance un nivel de 2-3 cm de altura en cada lado del codo inferior.
  5. Con un marcador, trazar el nivel del fluido coloreado en el brazo derecho del tubo (nivel cero). Hacer una segunda marca 10 cm más arriba.

Ensayo control sin catalizadores

  1. Sacar el tapón y agregar con la pipeta 5 cm3 de agua oxigenada de 40 volúmenes en el tubo de ensayo. Armar el aparato, según se muestra en la figura.
  2. Observar durante un minuto si se forman burbujas y si el fluido coloreado en el tubo del manómetro se desplaza.
  3. Sacar el tapón.
  4. Para determinar el efecto de un sólido que no sea catalizador, agregar una punta de espátula de arena.
  5. Tapar inmediatamente y tomar el tiempo. Asegurarse de que no haya pérdidas de gas.
  6. Agitar suavemente el tubo de ensayo. Observar si la reacción ocurre en presencia de la arena.
  7. En el caso de que se observe que se desprenden burbujas, el oxígeno desprendido desplazará el líquido del tubo del manómetro y el nivel del fluido de la rama derecha del manómetro comenzará a subir. Registrar el tiempo que demora en alcanzar la marca de los 10 cm.
  8. Si luego de 1 minuto el líquido no alcanzó la marca, destapar el tubo. El nivel del líquido volverá a la posición inicial (nivel cero).
  9. Describir si se observa desprendimiento de oxígeno en ausencia de catalizadores. Justificar la observación.

Ensayo del efecto catalizador del dióxido de manganeso

  1. Colocar en el aparato, según se muestra en la figura, un tubo de ensayo con 5 cm3 de agua oxigenada de 10 volúmenes.
  2. Agregar una punta de espátula de dióxido de manganeso. Tapar el tubo.
  3. El desprendimiento de gas hará subir el líquido en el manómetro. Abrir la válvula de escape para permitir que el líquido vuelva a la marca inferior.
  4. Cerrar la válvula y comenzar a tomar el tiempo.
  5. Registrar el tiempo que tarda el líquido coloreado en alcanzar la marca de los 10 cm y calcular la velocidad de reacción en unidades arbitrarias.
  6. Destapar el tubo y repetir el experimento en otro tubo limpio con 5 cm3 de agua oxigenada y 5 cm3 de solución de pH 7.
  7. Repetir el experimento pero utilizando 5 cm3 de solución de pH 8.
  8. Repetir el experimento pero utilizando 5 cm3 de solución de pH 3.
  9. Tabular y comparar las velocidades de reacción obtenidas.

Ensayo con catalasa de papa

  1. Con el sacabocados, cortar cilindros de papa de aproximadamente 1 cm de diámetro y 6 cm de largo. Cortar los cilindros en discos de 1 mm de espesor y conservarlos sumergidos en agua dentro de un vaso de precipitado. Preparar por lo menos 60 discos.
  2. Colocar en el tubo de ensayo 10 discos de papa y 5 cm3 de solución de pH 3. Agregar 5 cm3 de agua oxigenada, tapar rápidamente y tomar el tiempo en el que el líquido coloreado alcanza la marca de los 10 cm.

    Calcular la velocidad de reacción.

  3. Enjuagar bien el tubo de ensayo. Repetir la determinación de la velocidad de reacción con cada una de las soluciones de pH conocido preparadas (pH 4, pH 5, pH 6, pH 7 y pH 8). Utilizar en cada determinación una pipeta limpia y discos sin usar.
  4. Representar los resultados en una tabla y en un gráfico de velocidad de reacción en función del pH.
  5. Describir la variación de la velocidad de reacción según el pH. Estimar cuál es el pH óptimo para la reacción catalizada por la catalasa de papa.

Ensayo con catalasa de manzana

  1. Con el sacabocados, cortar cilindros de manzana de aproximadamente 1 cm de diámetro. Cortar los cilindros en discos de 1 mm de espesor y conservarlos sumergidos en agua dentro de un vaso de precipitado. Preparar por lo menos 60 discos.
  2. Colocar en el tubo de ensayo 10 discos de manzana y 5 cm3 de solución de pH 3. Agregar 5 cm3 de agua oxigenada, tapar rápidamente y tomar el tiempo en el que el líquido coloreado alcanza la marca de los 10 cm.
  3. Calcular la velocidad de reacción.
  4. Enjuagar bien el tubo de ensayo. Repetir la determinación de la velocidad de reacción con cada una de las soluciones de pH conocido preparadas (pH 4, pH 5, pH 6, pH 7 y pH 8). Utilizar en cada determinación una pipeta limpia y discos sin usar.
  5. Representar los resultados en una tabla y en un gráfico de velocidad de reacción en función del pH.
  6. Describir la variación de la velocidad de reacción según el pH. Estimar cuál es el pH óptimo para la reacción catalizada por catalasa de manzana.

Cálculo de la velocidad de reacción

Cuando el agua oxigenada se descompone se desprende oxígeno, que desplaza el líquido en el manómetro. La velocidad de la reacción puede expresarse como el volumen de oxígeno desprendido por unidad de tiempo:

Velocidad = volumen / tiempo

El volumen del gas desprendido, en el tiempo en que el líquido del manómetro llega desde la marca inicial a la de 10 cm, es igual al volumen del interior del tubo del manómetro entre las dos marcas.

Como el volumen que se mide es siempre el mismo en todo el experimento, se puede expresar la velocidad de reacción en unidades arbitrarias, reemplazando este volumen por un número cualquiera, por ejemplo 1.000 (así se obtienen números suficientemente grandes). Si el tiempo que tarda el líquido en alcanzar la marca superior se mide en segundos, entonces:

Velocidad (en unidades arbitrarias) = 1.000 / tiempo (en segundos)

Representación de la velocidad de reacción en función del pH

Tabla

pH

Tiempo (segundos)

Velocidad (unidades arbitrarias)

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

Gráfico

catalizador4.png

Elaboración del informe de laboratorio

Con los resultados obtenidos escribir un informe que contenga las siguientes partes.

  • Introducción: breve explicación de los principios involucrados en el experimento y los objetivos del mismo.
  • Metodología experimental: enumeración de los materiales y los métodos empleados.
  • Resultados: descripción de las observaciones realizadas y presentación de las tablas y gráficos con las determinaciones efectuadas.
  • Discusión: análisis de los resultados obtenidos, incluyendo la respuesta a las preguntas: ¿Cómo se determina si una sustancia actúa como catalizador? ¿Cuál es el pH óptimo para la catalasa de papa? ¿Existe alguna relación entre el pH de la papa (7,4) y el pH óptimo para la catalasa de papa? La actividad como catalizador del dióxido de manganeso, ¿depende del pH? Si en lugar de la catalasa de la papa se utilizara la de la manzana, ¿el pH óptimo sería el mismo? ¿Cuáles son las posibles causas de variaciones y errores en las mediciones realizadas? Proponer mejoras en las condiciones experimentales para minimizarlos.

Durante la realización de estas pruebas, proponoles a los alumnos que saquen fotos o filmen los distintos ensayos y luego editen un video con Movie Maker (programa de edición de videos instalado en los equipos). Si no cuentan con una cámara filmadora o de fotos, podrán utilizar las webcams que incluyen los equipos o un celular con cámara de fotos. Los alumnos deberán organizarse en grupos y distribuir los roles y tareas para realizar un trabajo colaborativo. Podrán compartir los archivos y documentos y organizar una biblioteca multimedia de ciencias y alojarla en la red de la escuela o en alguna de las máquinas.

En los dispositivos de los alumnos y en las notebooks de los docentes hay una serie de softwares educativos y quizás resulte oportuno utilizar el programa ACD/ChemSketch Freeware 12.0.

Glosario

  • Aminoácido
  • Catalasa
  • Grupo funcional
  • pH
  • Proteína
  • Volúmenes (como medida de la concentración de soluciones de agua oxigenada): número de veces que entra el volumen de la solución en el volumen de oxígeno (medido a 20 °C y 1 atm de presión) que puede liberarse de la misma por descomposición completa del agua oxigenada que contiene. Por ejemplo, una solución de 10 volúmenes tiene agua oxigenada suficiente para que 1 cm3 de esta solución pueda desprender 10 cm3 de oxígeno (2 cm3 de solución desprenderán 20 cm3 de oxígeno, etc.). Esta solución contiene, aproximadamente, 30 g de agua oxigenada en un litro de solución (3% p/v).