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Química en procesos industriales

Actividades prácticas de enseñanza vinculadas a reacciones de óxido-reducción.

Creado: 04/11/2022 | Actualizado: 18/11/2022

Introducción

Esta guía ofrece orientaciones a las y los docentes de la materia Química de cuarto año en todas las tecnicaturas. De acuerdo a los contenidos del diseño curricular del ciclo superior de la Educación Secundaria Técnica, en lo que respecta a la Formación Científico Tecnológica, sugiere diversas prácticas con el propósito de promover condiciones apropiadas para acompañar procesos de enseñanza que aseguren las mejores trayectorias pedagógicas de las y los estudiantes.

El material presenta, a modo de sugerencia/disparador, actividades que integran prácticas que acercan a las y los estudiantes a contenidos de la materia. Se especifican los recursos necesarios mínimos que deben disponerse para garantizar un aprendizaje significativo, con el fin de establecer las condiciones necesarias y propias de cada entorno. Las propuestas podrán tomarse como referencia y adecuarse a las necesidades de cada grupo de estudiantes.

Contenidos 

En esta guía se aborda el siguiente contenido del diseño curricular:

  • Química en procesos industriales: reacciones de óxido-reducción:
    • Conceptos de oxidación y reducción.
    • Agente oxidante y agente reductor.
    • Semirreacciones de oxidación y de reducción.
    • Método de igualación: ión electrón y número de oxidación. 
    • Potencial estándar de electrodo.
    • Pilas electroquímicas.
    • Electrólisis.
    • Electrodeposición, galvanizado, cromado, etc. 

Sugerencia de prácticas

Durante el proceso formativo de una o un estudiante de tecnicatura, las capacidades que se pretenden desarrollar y los contenidos son transversales y se articulan de distintas maneras. Esto implica distintos grados de complejidad en cuanto a su tratamiento, distinguiéndose por la integración entre la teoría y la práctica, entre la acción y la reflexión, entre la experimentación y la construcción de los conocimientos. 

El objetivo de esta propuesta es realizar diferentes reacciones y experiencias basadas en las reacciones de óxido-reducción. Se sugiere trabajar en el laboratorio aunque, teniendo en cuenta la simplicidad de la técnica y de los reactivos utilizados, algunas experiencias pueden realizarse en el aula.

El objetivo general es reconocer, identificar, caracterizar y representar reacciones de óxido-reducción, como así también aplicar dichas reacciones al proceso de electrólisis y a la fabricación de pilas. Para esto, se sugieren experiencias y/o experimentos que requieren pocos materiales y que permiten evidenciar claramente los cambios ocurridos.

Habilidades y competencias

A partir de las actividades propuestas se espera que las y los estudiantes adquieran las siguientes habilidades y competencias:

  • Utilizar el número de oxidación de cada uno de los elementos que forman las distintas sustancias.
  • Identificar qué especie se oxida, cuál se reduce, qué especie actúa como agente oxidante y qué especie actúa como agente reductor. 
  • Predecir si las diferentes reacciones de óxido-reducción se van a producir de forma espontánea o no. 
  • Analizar todos los fenómenos observados y transformarlos en ecuaciones químicas, tanto globales como semirreacciones de oxidación y de reducción. 
  • Demostrar, explicar y profundizar el concepto de electrólisis y reconocer sus usos y aplicaciones en los procesos industriales.
  • Aplicar reacciones al proceso de electrólisis, al funcionamiento y la fabricación de las pilas.

Desarrollo de las prácticas

Se proponen diferentes experiencias. Cada una tiene un aspecto específico de las reacciones redox, ya sea por los reactivos que utiliza o por la entrega o no de energía para que dicho fenómeno se produzca, etc. 

Bloque de contenidos a desarrollar Alcance Práctica sugerida Entorno formativo sugerido
Reacciones de óxido-reducción entre metales.

Identificar este tipo de reacciones e interpretarlas por medio de ecuaciones químicas.

Justificar la producción o no de las reacciones nombradas.

Reacción entre el zinc y el sulfato de cobre. Laboratorio escolar o espacio acondicionado para tal fin.
Reacción entre el cobre y el nitrato de plata.
Reacción entre el cobre y el sulfato de zinc.
Reacción de óxido-reducción por descomposición. Observar este tipo de reacción e identificar los productos obtenidos. Descomposición térmica del clorato de Potasio. Laboratorio escolar o espacio acondicionado para tal fin. Utilizar gafas de seguridad, guardapolvo y tener el cabello recogido.
Electrólisis. Aplicar el concepto de reacciones de óxido-reducción a los procesos de electrólisis. Electrólisis del agua corriente en medio ácido. Laboratorio escolar o espacio acondicionado para tal fin. Utilizar gafas de seguridad y guardapolvo.
Electrólisis de una solución concentrada de cloruro de cúprico.
Pila electroquímica. Aplicar el concepto de reacciones de óxido-reducción al proceso de fabricación de una pila. Construcción de la pila de Daniell. Laboratorio escolar o espacio acondicionado para tal fin.

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Recomendaciones de seguridad

  • Recogerse el cabello.
  • Utilizar guardapolvo.
  • Utilizar gafas de seguridad.
  • Bajo ningún concepto utilizar guantes en la experiencia de descomposición.

Actividad N° 1: Entre metales I: ZINC CON SULFATO CÚPRICO

Objetivo: Que las y los estudiantes puedan identificar una reacción de óxido-reducción producida entre metales.

Materiales: Tubo de ensayo, granalla de zinc (Zn), solución de sulfato cúprico - CuSO4 (funciona casi con cualquier concentración).

Procedimiento: 

  • Colocar una granalla de zinc sobre el vidrio de un reloj y anotar sus propiedades, luego introducirla en un tubo de ensayo.
  • Observar la solución de sulfato cúprico, anotar sus propiedades y colocar 10 cm³ de la misma en un tubo de ensayo.
  • Anotar las observaciones al cabo de unos minutos.
Material Estado inicial Color inicial Estado final Color final
CuSO4        
Zn        


Se sugiere anotar las observaciones de la reacción en las carpetas.

Imágenes Archivo DGCyE.

Análisis de resultados y conclusiones: analizar los resultados obtenidos por las y los estudiantes y redactar las conclusiones.

  • Representar la ecuación de la reacción química observada.
  • ¿Qué tipo de reacción ocurre entre ambas sustancias? ¿Por qué?
  • Escribir las semirreacciones de óxido-reducción.
  • Indicar qué especie se oxida y qué especie se reduce, como también agentes oxidante y reductor.

Actividad N° 2: Reacción entre metales II: COBRE CON NITRATO DE PLATA

Objetivo: Que las y los estudiantes puedan identificar una reacción de óxido-reducción producida entre metales.

Materiales: Tubo de ensayo, alambre de cobre (Cu), solución de nitrato de plata - AgNO3 0,15 M.

Procedimiento: 

  • Enroscar un alambre de cobre en una lapicera para hacer un espiral, dejándole un gancho para colocarlo luego dentro del tubo de ensayo.
  • Colocar en el tubo de ensayo la solución de nitrato de plata, hasta ¾ partes de su capacidad. (¡CUIDADO! NO TOCAR LA SOLUCIÓN DE AgNO3 CON LAS MANOS PORQUE MANCHA).
  • Anotar los cambios ocurridos luego de algunos minutos.
Material Estado inicial Color inicial Estado final Color final
Cu        
AgNO3        


Se sugiere anotar las observaciones de la reacción en las carpetas. 

Imágenes Archivo DGCyE.

Análisis de resultados y conclusiones:

  • Representar la ecuación de la reacción química observada.
  • ¿Qué tipo de reacción ocurre entre ambas sustancias? ¿Por qué?
  • Escribir las semirreacciones de óxido-reducción.
  • Indicar qué especie se oxida y qué especie se reduce, como también agentes oxidante y reductor.
  • Igualar la ecuación química por el método del ión-electrón.

Actividad N° 3: Reacción entre metales III: COBRE CON SULFATO DE ZINC

Objetivo: Que las y los estudiantes puedan identificar la ausencia de reacción de óxido-reducción al combinar las sustancias propuestas.

Materiales: Tubo de ensayo, granalla de cobre (trocito de cable hecho una bolita), solución de sulfato de zinc - ZnSO4.

Procedimiento: 

  • Colocar una granalla de cobre en un tubo de ensayo  y describir sus propiedades.
  • Medir 10 cm³ de solución de sulfato de zinc∗, anotar sus propiedades y colocarla en el tubo de ensayo.
  • Registrar lo observado al cabo de unos minutos.

*Se puede utilizar de cualquier concentración de zinc o simplemente utilizar agua, ya que aquí se busca que no se produzcan cambios.

Se sugiere anotar las observaciones de la reacción en las carpetas. 

Imagen Archivo DGCyE.

Análisis de resultados y conclusiones:

  • Fundamentar la falta de reacción química entre el cobre y la solución de sulfato de zinc.

Actividad N° 4: REACCIÓN ENTRE METAL Y ÁCIDO

Objetivo: Que las y los estudiantes puedan identificar una reacción de óxido-reducción producida al combinar un metal con un ácido.

Materiales: Tubo de ensayo, granalla de alguno de los siguientes metales: Aluminio, magnesio, zinc; solución de ácido clorhídrico∗, tapón de goma, fósforos.

∗La solución de ácido clorhídrico funciona con cualquier concentración. En caso de no disponer de dicho ácido se puede utilizar limpiador de inodoros (tipo Harpic) o vinagre (la reacción será mucho más lenta y moderada).

Procedimiento: 

  • Colocar en un tubo de ensayo una granalla de zinc. Describir sus caracteres organolépticos.
  • Medir 10 cm³ de solución de ácido clorhídrico, describir sus propiedades y colocarlos en el tubo de ensayo. Inmediatamente tapar el tubo de ensayo con un tapón de goma. Al cabo de unos segundos, destaparlo y acercar con cuidado un fósforo encendido a la boca del tubo.
  • Registrar las observaciones.

Análisis de resultados y conclusiones:

  • Representar la ecuación de la reacción química observada.
  • ¿Qué tipo de reacción ocurre entre ambas sustancias? ¿Por qué?
  • Escribir las semirreacciones de óxido-reducción.
  • Indicar qué especie se oxida y qué especie se reduce, como también agentes oxidante y reductor.
  • Igualar la ecuación química por el método del ión-electrón.
  • ¿Qué sustancia se identifica al acercar el fósforo encendido a la boca del tubo?

Se sugiere anotar las observaciones de la reacción en las carpetas. 

Imágenes Archivo DGCyE.

Actividad N° 5: REACCIÓN REDOX POR DESCOMPOSICIÓN

Objetivo: Que las y los estudiantes puedan identificar una reacción de óxido-reducción a partir de la descomposición de un compuesto.

Materiales: tubo de ensayo, clorato de potasio, mechero, pinza de madera, fósforos.

Procedimiento: 

  • Colocar en un tubo de ensayo un centímetro de altura de clorato de potasio, describir sus propiedades.
  • Tomar el tubo con una pinza de madera y llevarlo a la llama. Calentar suavemente hasta la fusión de esta. 
  • Continuar calentando hasta que se observen vapores. En ese momento,  acercar un fósforo encendido o introducir fósforos en el tubo de ensayo.
  • Registrar lo observado.

Análisis de resultados y conclusiones:

  • Representar la ecuación de la reacción química observada.
  • ¿Qué tipo de reacción ocurre entre ambas sustancias? ¿Por qué?
  • Escribir las semirreacciones de óxido-reducción.
  • Indicar qué agente se oxida y qué agente se reduce, como también agentes oxidante y reductor.
  • Igualar la ecuación química por el método del tanteo.
  • ¿Qué sustancia se identifica al acercar el fósforo encendido a la boca del tubo?

Se sugiere anotar las observaciones de la reacción en las carpetas. 

Actividad N° 6: ELECTRÓLISIS DEL AGUA

Objetivo: Que las y los estudiantes puedan identificar una reacción de óxido-reducción a partir de la electrólisis del agua en medio ácido. También se espera que puedan identificar los productos obtenidos en dicho proceso. 

Materiales: cuba electrolítica∗, electrodos de grafito, 2 tubos de ensayo, batería o fuente de 12 volt, 2 cables con terminal cocodrilo, solución acuosa de ácido sulfúrico al 20% aproximadamente (se puede reemplazar por otro ácido), varilla de vidrio.

* Preparación de la cuba electrolítica:

  1. Realizar, con un punzón o alambre, dos perforaciones en el fondo de un  vaso de helado, separadas por lo menos dos centímetros y de un diámetro algo menor que el de las barras de grafito.
  2. Introducir en ella los electrodos de grafito de manera que sobresalgan del vaso, en su parte externa, algo más de la mitad.
  3. Verter la parafina fundida en el fondo exterior del vaso para evitar la pérdida de agua, cuidando que no caiga parafina en los carbones. Dejar enfriar. El vaso así construido constituye una celda electrolítica.

Procedimiento: 

  • Llenar con agua los dos tubos de ensayos y la celda hasta unos 2 cm del borde.
  • Obturar con el pulgar (evitando la entrada de aire) la boca de cada uno de los tubos de ensayo llenos de agua e invertirlos sobre cada uno de los electrodos.
  • Con precaución agregar al agua contenida en la cuba 10 ml de solución de ácido sulfúrico al 20%. Agitar con una varilla.
  • Conectar los electrodos a la batería o fuente. Observar durante unos 5 minutos aproximadamente.
  • Registrar todo lo observado.

Análisis de resultados y conclusiones:

  • ¿El volumen de sustancia obtenida es el mismo en cada tubo? 
  • ¿Qué se obtiene en cada electrodo? ¿Por qué?
  • Escribir las ecuaciones que representan las transformaciones ocurridas en cada electrodo.
  • Escribir la ecuación global del proceso.
  • ¿Cómo podría comprobar que las sustancias obtenidas en cada electrodo son oxígeno e hidrógeno?
  • ¿Qué función cumple el agregado de la solución de ácido?

Imágenes Archivo DGCyE.

 

Actividad N° 7: ELECTRÓLISIS DEL CLORURO CÚPRICO

Objetivo: Que las y los estudiantes logren identificar una reacción de óxido-reducción a partir de la electrólisis de una solución concentrada de cloruro cúprico. Se pretende también que logren identificar los productos obtenidos en dicho proceso. 

Materiales: Solución acuosa de cloruro cúprico, cristalizador, dos electrodos de grafito, batería o fuente de 12 volt,  2 cables con terminal cocodrilo.

Procedimiento: 

  • Colocar en el cristalizador la solución de cloruro cúprico. Sujetar los electrodos de cobre con las pinzas cocodrilos conectados por medio de cables a la fuente o batería. Observar y describir lo ocurrido.

Análisis de resultados y conclusiones:

  • ¿Qué se obtiene en cada electrodo?
  • Escribir las ecuaciones que interpretan las transformaciones en el ánodo y en el cátodo.
  • Escribir la ecuación global del proceso.
  • Igualar la ecuación por el método del ión-electrón.

Imágenes Archivo DGCyE.

 

Actividad N° 8: CONSTRUCCIÓN DE UNA PILA QUÍMICA

Objetivo: Que las y los estudiantes puedan utilizar el fenómeno de reacciones de óxido-reducción para la construcción de una pila química.

Materiales: solución acuosa de sulfato de cobre 1M, chapa de cobre, solución acuosa de sulfato de zinc 1M, chapa de zinc, dos vasos de precipitados o frascos tipo mermelada, manguera de goma, solución acuosa de nitrato de potasio 1M, gelatina sin sabor, dos cables con pinzas cocodrilo, multímetro digital (tester).

Procedimiento: 

  • Preparar, el día anterior como mínimo, la gelatina sin sabor utilizando en lugar de agua la solución de nitrato de potasio. Introducir la gelatina en un trozo de manguera de goma de aproximadamente 40 cm de largo. Esperar que se solidifique (ideal guardar en heladera). 
  • Colocar las soluciones preparadas en cada uno de los frascos.
  • Sumergir un extremo de la chapa de zinc en la solución de sulfato de zinc y un extremo de la chapa de cobre en la solución de sulfato cúprico, cada uno de estos sistemas se llama celda electrolítica y cada una de las chapas de metal se llama electrodo.
  • Conectar un extremo del cable al electrodo y el otro extremo al multímetro digital. 
  • La pila se formará al conectar ambos vasos a través de la manguera que contiene la gelatina, denominado puente salino. 

Análisis de resultados y conclusiones:

  • ¿Qué se observa en cada celda electrolítica?
  • ¿Qué voltaje indica el multímetro digital?
  • ¿Qué celda actúa como ánodo y cuál como cátodo?
  • Escribir las ecuaciones que interpretan las transformaciones en el ánodo y en el cátodo.
  • Escribir la ecuación global del proceso.

Imagen 1: Archivo DGCyE.

Imagen 2: Imagen de  Gringer  tomada de Wikimedia Commons.

 

Imagen de portada: Archivo DGCyE.