Oxidación del ioduro por el hierro(III): Una reacción de reloj

Conceptos

Como en tantas reacciones de reloj, dos disoluciones incoloras se mezclan. En esta ocasión la mezcla se vuelve púrpura de inmediato. Al cabo de un tiempo del orden de 10 s, la mezcla se decolora totalmente. Entonces, bruscamente, la mezcla se colorea de azul oscuro. En el experimento que se describe aquí, una disolución incolora de nitrato de hierro (III) se mezcla con otra disolución incolora que contiene iones tiosulfato, ioduro y almidón.

Cinética Química y modelo de la reacción

La mezcla se vuelve púrpura porque se forma un complejo coloreado entre los iones Fe3+ y los iones tiosulfato, S2O3

2- , 

[Fe(H2O )(6)]3+(aq)  +   S2O3

2-(aq)  [Fe(H2O )(6) ( S2O3)]+

(aq)  + H2O(l)(1)

 La serie de reacciones que explica el fenómeno, además de la etapa púrpura descrita por la reacción (1), es:

2Fe3+(aq) +  3 I-

(aq)     2Fe2+(aq) +  I3

-(aq)

(2)

I3-(aq)  +  S2O3

2-(aq)    3 I-

(aq)  +  S4O62-

(aq)(3)

 2 I3-(aq) + almidón  [complejo azul de almidón- I5

-] + I-(aq)

(4)

La reacción (2) es bien conocida y puede probarse por separado: al mezlcar una disolución de iones hierro(III) con otra de ioduros, la mezcla inmediatamente se vuelve rojo-naranja, por la presencia de iodo molecular.

El ión hierro(III) oxida lentamente los iones ioduro hasta iones triioduro, reacción (2). Tan rápido como se producen los iones triioduro, los iones tiosulfato los consumen, y ellos mismos desaparecen, con lo que la mezcla se decolora hasta hacerse incolora, ya que al haber menos iones tiosulfato, el equilibrio de (1) se desplaza hacia la izquierda y la concentración del complejo gradualmente decrece. 

Cuando han desaparecido todos los iones tiosulfato, los iones trioduro ya pueden entrar en el equilibrio (4), y se forma el complejo azul oscuro del iodo y el almidón.

El período del reloj, es decir el tiempo de aparición del complejo azul oscuro, depende de las concentraciones iniciales de tiosulfato (también valdría bisulfito), hierro(III), y de ioduro. El período es directamente proporcional a la concentración inicial de iones tiosulfato,  S2O3

2- , es decir, que si se duplica la concentración de tiosulfato, se duplica el período del reloj. Por tanto, estos tres son los reactivos limitantes. La disminución de la concentración de ioduro o de hierro(III) también aumentará el período del reloj, que resulta ser proporcional al inverso del cuadrado de la

concentración inicial de ioduro. La dependencia con la concentración de hierro(III) no es simple.

Preparación de las disoluciones

Foto 1. Como indicador para el iodo se usará una disolución stock al 1% de almidón. Además, se usarán ioduro de potasio, ácido nitrico, nitrato de hierro(III) nonahidratado y tiosulfato de sodio pentahidratado.

Almidón, (C6H10O5)n 1 % ; 10 mL. Para preparar 1L de disolución, se hierven 500 mL de agua destilada en un vaso de precipitados de 1L. En un vaso de precipitados de 50 mL se hace un engrudo con 10 de almidón soluble (un polímero de la glucosa) en 20 mL de agua destilada. Se vierte el engrudo en el agua hirviendo y se mantiene la ebullición durante 5 minutos. En otro vaso de precipitados se preparan 450 mL de agua muy fria, que se añaden lentamente a la mezcla caliente. Se agita, se disuelve y luego se diluye el total hasta 1 L. Al cabo de unos meses la disolución puede enmohecerse. Para evitarlo, se pueden añadir unas gotas de timol (entre otras propiedades, el timol es un fungicida) al 2% en etanol (1 g de timol en 60 mL de etanol al 95%). De esta disolución, se toman 10 mL:

Ácido nítrico,  HNO3  16M, 10 mL. Del ácido nítrico stock al 70% y densidad 1.42 g/mL, se toman 10 mL.. 

Tiosulfato de sodio pentahidrato, Na2S2O3 . 5H2O , 0.2M, 4mL . Para preparar 1 L de la disolución 0.2 M, se disuelven 49.6 g de Na2S2O3 . 5H2O  en 600 mL de agua destilada, se agita  y se diluye con agua destilada hasta 1L. De esta disolución se toman 4 mL.

nitrato de hierro(III) nonahidrato, Fe(NO3)3.9H2O, 2.5 g . 

Ioduro de potasio, KI, 1.8 g

Se vierten 500 mL de agua destilada en un vaso de precipitados de 1L, y se añaden 10 mL del  HNO3 concentrado. Se agita la mezca con una varilla de vidrio. Esta disolución es 0.3 M en  HNO3  .

De esa disolución 0.3M de ácido nítrico, se toman 150 mL y se ponen en un vaso de precipitados de 250 mL. Se añaden a esta disolución 2.5 g de Fe(NO3)3.9H2O  y se agita hasta que el sólido se disuelva. Esta disolución se transfiere a un matraz aforado de 250 mL. Del resto de disolución de  HNO3 0.3M que está en el vaso de 1L, se vierte la cantidad necesaria para enrasar el matraz aforado a 250 mL. Esta disolución es 0.025M en  Fe(NO3)3, y 0.3M en HNO3 . Esta disolución se vierte en el vaso de 400 mL. Se enjuaga bien con agua destilada el matraz aforado de 250 mL

Se lava bien con agua destilada el vaso de precipitados de 250 mL-o se toma otro limpio y seco. En él se vierten 150 mL de agua destilada. En ese agua se disuelven 1.8 g de KI. Se añaden 10 mL de disolución de almidón al 1%, y  4 mL de Na2S2O3 . 5H2O , 0.2M, y toda la mezcla se transfiere al matraz aforado de 250 mL (puede usarse otro limpio y seco). Se diluye con agua destilada hasta los 250 mL del aforo. Esta disolución es 0.043M en KI, 0.0032M en Na2S2O3 y 0.04 % en almidón. Este es el punto de partida del experimento que se describe abajo. Siga el proceso real efectuado en el Laboratorio mediante las fotografías y las explicaciones del

texto. Haga clic en el icono del Instructor    para oír explicaciones adicionales dadas por Demóstenes, el instructor digital del Laboratorio de Química. Haga clic sobre las imágenes para ver una ampliación de la foto.

El experimento

Hecho el 13 de febrero de 2008. 

1) El matraz aforado contiene la disolución de ioduro de potasio, tiosulfato y almidón. Se vierte en el vaso de 600 mL.

2) Se prepara el reloj junto a las dos disoluciones incoloras.

3 )Se activa el cronómetro y se vierte rápidamente el contenido del vaso de 400 mL en el vaso de 600 mL. Inmediatamente a disolución se vuelve púrpura, por la formación del complejo de hierro(III) y tiosulfato, según la reacción (1).

4) La disolución se decolora hasta hacerse incolora. Brúscamente, la disolución se vuelve de color azul oscuro, al formarse el complejo del triioduro y el almidón.

5)  Pulse la imagen para ver una película avi de 50s en la que se muestra todo el proceso.