QUMICA EN MICROESCALA

Una ilustracin a microescala dela ley de Henry y del principiode Le ChtelierDaniel Bartet P.*

ResumenLa actividad experimental a microescala que se pro-pone permite estudiar la solubilidad del dixido decarbono en agua, su dependencia de la presin y dela temperatura y relacionar la influencia de esosfactores con el proceso de gasificacin o carbonata-cin de bebidas gaseosas.

La facilidad de su ejecucin y costos del materialempleado hacen de esta actividad un experimentocasi casero, que puede ser empleado para ilustrarcontenidos de programas de Qumica de EnseanzaMedia o de primeros cursos universitarios.

IntroduccinA temperatura constante, la solubilidad del dixidode carbono en agua, como la de otros gases pocosolubles, est regida por la ley de Henry (1803). As,a la temperatura de 20C y a 1 atm de presin, susolubilidad en agua es de 0.169 g/100 g de agua, entanto que, a la misma temperatura pero a una presinde 3 10--4 atm (que es aproximadamente la presinparcial del dixido de carbono en el aire), la solubi-lidad baja a 5 10--5 g/100 g de agua (Ceretti y Zalts,2000). Es decir, la solubilidad a esta presin es unas3,400 veces menor, lo que explica el abundanteburbujeo que se produce al destapar una botella debebida gaseosa, o una de champaa, o al abrir unalata de cerveza (Chang, 1992).

Por otra parte, la disolucin del dixido decarbono en agua, como la de otros gases, es unproceso exotrmico (Ceretti y Zalts, 2000), por loque su solubilidad disminuye al elevar la temperatu-ra. Por ejemplo, a la presin de 1 atm y a la tempe-ratura de 0C, la solubilidad del dixido de carbonoes 0.335 g/100 g de agua; en cambio, a la mismapresin y 20C de temperatura, la solubilidad es de

0.169 g/100 g de agua, es decir disminuye aproxima-damente a la mitad. Una experiencia frecuente y quemuestra esta relacin, es el descenso en la tempera-tura que se observa al momento de destapar unabotella de bebida gaseosa. Por lo anterior, la gasifi-cacin de las bebidas gaseosas se realiza haciendofluir la bebida sin gas por cmaras selladas quecontienen dixido de carbono a una presin de entre3 y 4 atm y a una temperatura de unos 4C. En estascondiciones y de acuerdo con la ley de Henry, lacantidad de dixido de carbono disuelto es unas4 veces mayor que si la presin fuese de 1 atm e igualtemperatura (Pascover, 1984).

En esas condiciones de presin y temperatura,el dixido de carbono forma una disolucin satura-da, en la que se establece un estado de equilibrio,descrito por la ecuacin (1):

CO2(g) a CO2(ac) + calor (1)

Por otra parte, al dixido de carbono disueltoreacciona con el agua formando cido carbnico,que se disocia parcialmente principalmente en ionesbicarbonato e iones hidrgeno, procesos reversiblesque dan origen a nuevos estados de equilibrios,descritos por las ecuaciones (2) y (3):

CO2(ac) + H2O(l) a H2CO3(ac) (2)

H2CO3(ac) a HCO3(ac) + H+ (ac) (3)

Las reacciones (2) y (3) son las responsables delligero sabor cido de un agua mineral gasificada,cuyo pH es aproximadamente igual a 4.

La composicin de este complejo sistema deequilibrio se puede alterar variando la presin o latemperatura y los cambios en su composicin sondescritos por el principio de Le Chtelier.

Diseo experimentalEn la siguiente actividad se propone seguir los efec-

H2O

En este apartado aparecenartculos que se destacan porutilizar instrumentos propiosde la microescala. Elencargado de esta seccin esel doctor Jorge G. Ibez.

* Departamento de Qumica, Universidad Metropolitana deCiencias de la Educacin. Santiago, Chile.Correo electrnico: dbartet@umce.clRecibido: 9 de octubre de 2001; aceptado: 14 de mayo de2002.

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tos de variar primero la presin y luego la tempera-tura en una muestra de agua mineral fra, coloreadacon gotas de indicador universal, observando loscambios de color que sufre el indicador al modificarla presin o la temperatura de la muestra de aguamineral. Para ello, se usa una jeringa desechable(plstico) de 60 mL (Mattson, 2001) la que se puedeadquirir en farmacias o en casas comercialesque venden artculos para mdicos. Para sellar lajeringa se puede emplear un tapn de hule (goma)pequeo o uno de acrlico.

En la segunda fase de la actividad se debernexplicar esos cambios de color del indicador queresultan de modificar el estado de equilibrio inicial,aplicando el principio de Le Chtelier, teniendocomo informacin que los colores del indicadoruniversal a distintos pH son:

Un indicador alternativo es el extracto de repo-llo (col) morado, que en los pH seleccionados tomalos siguientes colores:

Otro indicador apropiado es el verde de bro-mocresol, que a valores de pH inferiores a 4 tomauna coloracin amarilla; entre 4 y 5.6 se torna a uncolor verde, y finalmente a azul a pH superior a 5.6.

Parte experimentalMateriales Reactivos2 jeringas con Una botella de agua tapa de 60 mL. mineral.1 vaso de precipitado de 100 mL. Solucin de indicador1 vaso de precipitado universal o repollo de 250 mL. (col) morado o verde1 gotario (gotero).1 mechero, trpode Solucin de bromocresol y rejilla. Hielo

ProcedimientoEnfriar la botella con agua mineral en un bao dehielo y agua. A continuacin se vierten en el vaso

de precipitados de 100 mL unos 50 mL de aguamineral, se agregan unas 10 gotas de indicador uni-versal y con la jeringa se succionan 20 mL de aguamineral ya coloreada con el indicador. Se debecuidar que el mbolo de la jeringa quede en contactodirecto con la solucin. Se coloca la tapa en la puntade la jeringa y se procede a experimentar comosigue:

a) Efecto de los cambios de presin. Para estudiarel efecto de variar la presin en el sistema sesepara el mbolo de la mezcla hasta ubicarlo enla divisin de 40 mL. Manteniendo el mboloen esa ubicacin se agita suavemente la jeringay se observa el burbujeo de la solucin y elcambio de color del indicador. A continuacin,se apoya la jeringa sobre la mesa y se empujafuertemente el mbolo para reducir el volumendel gas. Se agita la mezcla y se vuelven a obser-var los cambios de color del indicador.

b) Efectos de los cambios de temperatura. Paraestudiar el efecto de variar la temperatura, sellena la segunda jeringa con 20 mL de aguamineral fra con el indicador, como se describien el prrafo anterior y luego se la introduce enun bao de agua hirviente. Ahora se observa queel agua mineral comienza a burbujear, despla-zando el mbolo y que el indicador cambia decolor. Enseguida, la jeringa se introduce en unbao de agua/hielo y se mantiene all hasta quese alcance el equilibrio trmico. En esta nuevafase del experimento se debe observar que elmbolo comienza a bajar y que el indicadorvuelve a cambiar de color.

Resultados y discusina) Efectos de los cambios de presin. Cuando el

mbolo de la jeringa es desplazado hacia fueray se agita el agua mineral, se observa:

i) un abundante burbujeo, que al cabo de untiempo se detiene, y

ii) que el indicador universal cambia de colorrojo hasta amarillo.

Tanto el burbujeo como los cambios de color delindicador son evidencias de modificaciones en lacomposicin del sistema en equilibrio. Al desplazarel mbolo hacia fuera, se genera un vaco y laconsiguiente salida de dixido de carbono de la so-lucin, hasta que se restablece el equilibrio descrito

pH 4 5 6 7 8

Color rojo naranja amarillo verde azul

pH 4 5 6 7 8

Color rosado prpura azul azul verde

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por la ecuacin (1), segn lo describe el principio deLe Chtelier y la ley de Henry. En este nuevo estadode equilibrio, la concentracin de dixido de carbo-no en la solucin es menor y tambin lo es la delcido carbnico, por lo que el pH del agua mineralsube y cambia el color del indicador.

Por el contrario, cuando se presiona el mbolo,el dixido de carbono liberado vuelve a disolverseen el agua, se restituye la concentracin de ioneshidrgeno y el color del indicador vuelve al inicial.Este hecho es indicativo de un desplazamiento delequilibrio en sentido inverso al anterior, pues alempujar el mbolo hacia adentro se comprimeel gas, aumenta su presin y, siguiendo la ley deHenry, aumenta su concentracin en la disolucin.

b) Efectos de los cambios de temperatura.Al sumergir la jeringa en el agua hirviente, seobserva:

i) un burbujeo que hace desplazarse el mbo-lo hacia afuera, y

ii) un cambio de color del indicador, del rojopasa a amarillo.

Siendo la disolucin del dixido de carbono enagua un proceso exotrmico, al elevar la temperatu-ra del agua mineral gasificada pierde el dixido decarbono disuelto, disminuyendo su concentracinen la solucin. Por este cambio, se genera una solu-cin menos cida, con un pH ms elevado que hacevirar el color del indicador.

Al enfriar la solucin, el color del indicador pasadel amarillo al naranja e incluso puede llegar al rojo.

Estos cambios en la coloracin indican un aumentode la acidez del agua mineral, producto de la rediso-lucin del dixido de carbono en el agua. Si se presionael mbolo aumenta la cantidad de dixido de carbonoredisuelto en el agua mineral.

Finalmente, los cambios de color observados enel indicador durante las distintas etapas de la expe-rimentacin muestran que los desplazamientos delestado de equilibrio no ocurren en el mismo sentidosi se eleva la presin o la temperatura del aguagasificada o si se baja la presin o la temperatura.

ConclusinLa actividad propuesta es de fcil ejecucin y susrequerimientos de materiales y reactivos son de bajocosto. Adems, vincula contenidos tericos como laley de Henry, principio de Le Chtelier, y conceptoscido-base con situaciones cotidianas. .AgradecimientosEste trabajo fue realizado con el apoyo del ProyectoDIUMCE Cdigo 1/05/2002.

ReferenciasChang, R., Qumica, McGraw Hill, Mxico, 1992.Ceretti, H., Zalts A., Experimentos en contexto. Qumica

Manual de Laboratorio. Prentice Hall, Buenos Ai-res, 2000.

Mattson, B., Microscale Gas Chemistry, 2nd Edition.Educational Innovations, Norwalk, Connecti-cut, 2001.

Pascover, G., Whats that fizz?, ChemMatters, Feb.1984, 4-5.

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