Experiencias de laboratorio: El reloj de yodo

Escrito por Quimitube el 13 noviembre

En esta entrada hablaremos de una reacción muy conocida y espectacular, que resulta muy interesante para llevar a cabo en clase. Es la práctica del reloj de yodo, descubierta en 1866 por Hans Heinrich Handolt [1]. Se trata de una reacción química de tipo oscilante (se conocen pocas de este tipo) y se puede utilizar para ilustrar conceptos relacionados con la cinética química, como la velocidad de reacción, y determinar cómo afectan a la misma dos aspectos importantes: la temperatura a la que se lleva a cabo la reacción y la concentración inicial de los reactivos.

Hemos dicho que el reloj de yodo es una reacción química de tipo oscilante, pero, ¿qué significa esto? Significa que una vez que finaliza, el sistema vuelve a su estado inicial y comienza de nuevo; los cambios que exhibe son periódicos. Si conocemos cuál es la duración de cada ciclo, su frecuencia, entonces tenemos, efectivamente, un sistema capaz de medir el tiempo mediante el uso de una reacción química, por lo que a veces a estas reacciones se las conoce también como relojes químicos [2]. Así que ya veis, en el hipotético caso de que todos los relojes del mundo dejasen de funcionar, siempre podríamos medir el tiempo de forma aproximada con el reloj de yodo o con otras reacciones oscilantes, si dispusiéramos de todos los reactivos necesarios y conociendo de antemano la frecuencia en base a las condiciones iniciales del experimento.

Lo que ocurre en la reacción del reloj de yodo a grandes rasgos es lo siguiente: dos disoluciones incoloras se mezclan sin que, a simple vista, se produzca ningún cambio que nos muestre que se está llevando a cabo una reacción química. Sin embargo, después de un período de tiempo dado (inferior a un minuto) la mezcla cambia repentinamente a azul muy oscuro, casi negro. Los ciclos se van repitiendo hasta que los reactivos se consumen por completo.

Fuente de la imagen original: Science.wonderhowto.com

Aunque hay algunas variaciones para esta práctica, en esta entrada nos vamos a centrar en una de ellas que se lleva a cabo utilizando hidrogenosulfito y yodato. A continuación indicamos los materiales necesarios para llevar a cabo esta práctica:

Materiales y reactivos requeridos

– Yodato de potasio (KIO₃)

– Hidrogenosulfito de sodio (NaHSO₃)

– Almidón

– Ácido sulfúrico para acidificar ligeramente el medio

– Frasco lavador con agua destilada

– Placa calefactora

– Balanza de laboratorio

– Matraces aforados de 1 litro.

– Vasos de precipitados

– Probeta

– Varilla de vidrio

– Espátula

– Embudo de vidrio

– Recipiente transparente para la reacción (vaso de precipitados o una copa)

Procedimiento experimental

Para llevar a cabo la reacción se deben preparar dos disoluciones, una de yodato de potasio y otra de hidrogenosulfito de sodio con almidón. Podemos proceder del siguiente modo:

Preparación de la Disolución 1:

Yodato de potasio (KIO₃) 0,03 M. Se disuelven 6,4 g de KIO₃ en un vaso de precipitados, se pasa a un matraz aforado de 1 litro y se enrasa con agua destilada.

Preparación de la Disolución 2:

Hidrogenosulfito de sodio (NaHSO₃) 0,03 M con almidón. Se disuelven 3,1 g de NaHSO₃ y 0,6 g de almidón en un vaso de precipitados, se pasan a un matraz aforado de 1 litro y se enrasa con agua destilada. Puesto que el almidón puede ser difícil de disolver, se puede disolver previamente en un poco de agua destilada caliente.

Mezcla de las dos disoluciones

Para que se produzca la reacción, se mezclan cantidades iguales de las dos disoluciones (las tomaremos con una probeta) en un recipiente transparente, que permita ver bien el cambio de color; podemos agregar unas gotitas de ácido sulfúrico para acidificar. Al cabo de unos 20 segundos (con las concentraciones empleadas en este ejemplo) se produce un cambio brusco pasando de incoloro a azul oscuro. Pasado un cierto tiempo, la reacción vuelve nuevamente a transparente y después nuevamente a azul oscuro, de forma oscilante.

Explicación química de la reacción del reloj de yodo

Cuando mezclamos las dos disoluciones, yodato de potasio e hidrogenosulfito de sodio con almidón, comienza la primera etapa de la reacción. En esta primera etapa, los aniones hidrogenosulfato reducen a los iones yodato (que actuarán como oxidante) a yoduro, mientras que el hidrogenosulfato se oxida a sulfato. Así, tenemos:

IO₃^–+ 3 HSO₃⁻ → I⁻ + 3 HSO₄⁻    

Mezcla incolora

Después, en la segunda etapa, el yoduro (I^–) reacciona con el yodato en exceso (IO₃^–) y se produce yodo molecular, I₂, que junto con el almidón es el que da el color azul oscuro a la disolución. En esta reacción, el yodato vuelve a actuar como oxidante y el yoduro actúa como reductor, cediendo electrones. La reacción es tan rápida que en el laboratorio podemos ver cómo cambia repentinamente de incolora a azul intenso (¡más rápido que un parpadeo!). La ecuación química es:

IO₃ˉ + 5I^–+ 6H⁺ → 3I₂ + 3 H₂O

Mezcla color azul intenso

Ahora, en una tercera etapa, el yodo molecular, I₂, puede reaccionar con el hidrogenosulfito en exceso y consumirse. Esto hace que el complejo yodo-almidón desaparezca y que la mezcla de reacción vuelva a ser incolora:

I₂ + HSO₃⁻ + H₂O → 2 I⁻ + HSO₄⁻ + 2 H⁺

Mezcla incolora

En esta reacción se forma yoduro, que puede volver a la etapa 2, siendo oxidado por el yodato, y formar nuevamente el yodo para dar color azul oscuro, en un nuevo ciclo, a la disolución. Este ciclo se producirá mientras queden reactivos en el medio. Cuando el hidrogenosulfito, HSO₃^–, se consuma completamente, no podrá llevar a cabo la etapa 3 y reducir el I₂ a I^–, por lo que en ese caso la disolución permanecerá definitivamente con el color azul oscuro del complejo yodo-almidón.

En el siguiente vídeo de Periodic Table of Videos podéis ver una explicación detallada (en inglés) y cómo se produce el cambio de color en el laboratorio, a velocidad normal y a cámara lenta.

[1] Landolt, H. Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1886, 19, 1317–1365.
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_clock

Q-Blog Laboratorio químico, Reacciones químicas