En el experimento que sigue proponemos una manera sencilla de visualizar una reacción oscilante para estudiantes de secundaria. Para describir este tipo de reacción química nos apoyamos en conceptos que se imparten en sus cursos de química, tales como: oxidación, reducción, acidez e indicadores. Se incluyen dos juegos educativos para ser dirigidos por los maestros para reforzar este conocimiento y se propone hacer uso de una reacción oscilante que se exhibe en la Sala de Química de Universum, el Museo de las Ciencias de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Introducción

Una reacción oscilante se caracteriza por presentar oscilaciones en concentración de alguna de las sustancias químicas que participan en ella, es decir, la concentración aumenta y disminuye de manera rítmica. Los periodos de sus oscilaciones se mantienen constantes mientras las condiciones externas así se mantengan, por lo que pueden funcionar como verdaderos relojes químicos.

Aunque las reacciones oscilantes son complejas y poco comunes, pueden utilizarse como un buen modelo para estudiar los relojes biológicos que se observan con frecuencia en la biología.

En la Sala de Química de Universum se muestra la reacción de Belousov-Zhabotinsky (que abreviaremos BZ), una reacción oscilante. Al utilizar los indicadores apropiados se aprecian las oscilaciones en concentración de los iones de cerio [Ce(III) y Ce(IV)] por medio de cambios de color durante un periodo definido. A pesar de que el comportamiento químico de una reacción oscilante es muy complejo, los estudiantes de secundaria podrán comprender el origen de los cambios de color que se observan en esta reacción.

La importancia de las reacciones oscilantes se puede discutir con los estudiantes y señalar que posiblemente sean el sustento químico de los fenómenos periódicos que se observan en la biología como los ciclos circadianos y los biorritmos. Incluimos una sección de definiciones para recordar los conceptos que utilizaremos.

Definiciones

. Concentración: masa por unidad de volumen.

. Oxidación: pérdida de electrones.

. Reducción: proceso inverso a la oxidación; es la adquisición de electrones.

. Indicador de reducción y oxidación (o indicador redox): es una sustancia que cambia de color según el estado de oxidación del ión al que se asocia.

. Oscilación: movimiento periódico de vaivén en torno a un punto dado.

. Fenómeno periódico: aquel que se reproduce a intervalos regulares de tiempo.

. Periodo: el tiempo que tarda un fenómeno en cumplir un ciclo.

.Ciclo circadiano: fenómeno biológico con un periodo cercano a las 24 horas.

La reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ) e indicadores redox

La reacción de BZ es la oxidación del ácido malónico por bromatos en un medio ácido. Constituye una mezcla reactiva muy compleja. Dos de las sustancias que intervienen son los dos estados de oxidación usuales del cerio [el Ce(III) y el Ce(IV)], que se encuentra oscilando entre estos dos estados de oxidación, es decir, transita periódicamente de su estado Ce(III) al Ce(IV) y viceversa; sin perder de vista que la suma de Ce(III) y Ce(IV) es una cantidad constante. El problema químico es, entonces, ¿cómo ver al Ce(III) y al Ce(IV)? Este problema se resuelve utilizando un indicador redox (conocido como ferroina), que tiene la capacidad de asociarse con el Ce(III) y el Ce(IV) y tener con cada uno de ellos colores diferentes.

Podemos representar la reacción de oxidación y reducción del cerio en presencia de la ferroina mediante las siguientes ecuaciones:

 

Puesto que el Ce(III) y el Ce(IV) se encuentran oscilando en concentración, nosotros podremos observar esos cambios de concentración por medio de una oscilación de los colores azul y rojo. Supongamos que en un momento dado la concentración del Ce(III) es mayor que la del Ce(IV); en este caso el indicador hará que la solución tenga un color azul predominante. Conforme progresa la reacción química, la concentración del Ce(III) empieza a disminuir y aumenta la del Ce(IV), lo cual hará que el indicador cambie el color de la solución a rojo. A continuación veremos que, progresivamente, pasará de rojo a azul y así alternará de color periódicamente. Durante este proceso también veremos por lapsos más cortos el efecto de la combinación de colores (azul y rojo) y otros colores marginales que se pueden observar debido al efecto de otras sustancias presentes en la mezcla reactiva, pero que nosotros no examinaremos en la escuela secundaria.

Comentarios

1. Aunque para lograr una comprensión completa de la reacción de BZ se requeriría un nivel de licenciatura en química o de posgrado, el alumno de secundaria puede constatar experimentalmente las oscilaciones periódicas del ión cerio, lo cual está a su alcance, puesto que se basa en conceptos que conoce sobre la oxidación, reducción e indicadores redox.

2. Debe insistirse sobre la periodicidad de esta reacción oscilante (que es un tiempo definido), que la convierte en un verdadero reloj químico. El maestro puede solicitar a sus alumnos que determinen el periodo de esta reacción química midiendo con cronómetro el tiempo de cada ciclo completo azul-rojo, y que verifiquen la constancia del periodo.

3. Finalmente, el maestro puede argumentar que un proceso químico semejante puede ser la explicación de los ritmos biológicos observados en los organismos vivos.

Juegos educativos

A continuación presentamos dos juegos educativos que apoyarán al maestro a introducir el tema. Es importante que al inicio especifique a sus alumnos los conceptos que están en juego. Sugerimos que las explicaciones sobre el tema se aborden después de haber jugado, de esta manera se tendrá a favor la atención e interés de los alumnos. Es conveniente que una vez asimilados los conceptos se realice nuevamente la dinámica.

Juego 1

Conceptos básicos que se trabajan: oxidación y reducción.

Material

Varios paliacates (para la mitad de los participantes).

Descripción

El grupo se divide en dos: el equipo A y el equipo B. Los del equipo A llevan un paliacate colgado en la cintura, en la parte posterior del cuerpo (deben meter la punta del paliacate en el pantalón). Los del grupo B no llevan paliacate. Se explica que los paliacates son electrones (e^-) y el grupo B va a tratar de quitar el paliacate a los del grupo A, quienes deben evitarlo (por tratarse de un juego). Debe quedar claro que "cuando te quitan el paliacate te oxidas" y "cuando ganas un paliacate te reduces".

Los dos grupos se mueven por todo el espacio. Al ganar un paliacate deben colocárselo inmediatamente en la parte ya indicada, con lo cual se convierten en candidatos para ser oxidados.

Juego 2

Conceptos básicos que se trabajan: cambio de color de rojo a azul y viceversa.

Materiales

Paliacates, 12 azules y 13 rojos. Una cuerda de 10 metros.

Descripción

Se organizan dos equipos, uno de 8 [con paliacate azul, que representará al cerio reducido, i.e. al cerio (III)] y otro de 6 [con paliacate rojo, que representará al cerio oxidado, i.e. al cerio (IV)]. El paliacate se coloca en el cuello. Es indistinto en qué orden se coloquen los participantes, pero tienen que quedar los azules de un lado de la cuerda y los rojos del otro lado. En el punto medio de la cuerda, a la derecha y a la izquierda, se deja una reserva de 4 paliacates azules y 7 rojos.

Cada equipo se coloca uno frente al otro en hilera, tomando la cuerda con las manos. El equipo con menor número de participantes (rojos) se mueve avanzando y el otro retrocediendo (no es un duelo de fuerza, como en el juego tradicional).  A medida que avanza el equipo rojo, el otro equipo va perdiendo integrantes de la cola, que se van al lado del equipo de avance, pero antes de hacerlo deben cambiar de color de paliacate, para que no se pierda la distribución de colores, azul de un lado y rojo del otro. Cuando sólo queden dos en los que van retrocediendo (y se termine la reserva de paliacates rojos), realizan la mecánica contraria, es decir, ahora ellos irán avanzando (los azules) y los otros retrocediendo, e irán cediendo participantes al otro extremo, cambiando de nuevo el color de su paliacate antes de colocarse.

Si los integrantes logran una buena coordinación en el juego, podrán observar cierto ritmo en la oscilación de los colores, muy semejante a lo que se manifiesta en una reacción oscilante.

El maestro hará notar a sus alumnos que, como un juego, éste no se apega enteramente a la representación real del sistema reactivo. En particular, en el sistema real, los átomos de cerio (III) y (IV) no están ordenados como en la cuerda; al contrario, cada uno está siguiendo un camino aleatorio.

Por otra parte, sí hay aspectos que se representan bien en el juego. Por ejemplo, debe notarse que verdaderamente hay una oscilación en la cantidad de participantes rojos y azules, que denota justamente una oscilación en concentración.  Además, la suma de los dos estados de oxidación se mantiene constante a lo largo del juego. Es decir, se cumple: cerio (III) + cerio (IV) = constante (puesto que es un número constante de participantes).  Así, en esta oscilación representada, habrá momentos en que predomine el color azul, y en otros el rojo.
(Agradecemos a Leonardo J. Herrera Z. por su apoyo técnico.)

Referencias

AHLGREN,  Andrew y Franz Halberg, Cycles of Nature: An Introduction to Biological Rythms, National Science Teachers Association, 1990. BASSAM Z. y Shakhashiri, Chemical Demostrations: A book for teacher of chemistry, vol. 2, The University of  Wisconsin Press, 1985, p. 232.