pH y cambio de color

Materiales para la demostración

• 3 vasos de plástico transparente
• Ácido cítrico
• Carbonato de sodio
• Solución indicadora universal
• Agua

Nota: Es probable que el agua corriente de tu zona sea apropiada para la demostración y las actividades de esta lección. Si la solución indicadora que generas no es verde, significa que el agua es ácida o básica. Si esto sucede, utiliza agua destilada, que se vende en supermercados y farmacias.

Preparación del maestro
Hacer una solución indicadora para los grupos de alumnos

• Prepara una solución indicadora universal diluida para esta demostración y para cada grupo de alumnos combinando 250 ml de agua con 10 ml de solución indicadora universal.
• Vierte unos 25 ml de esta solución indicadora universal diluida en un vaso limpio para cada grupo de alumnos.

Nota: En la actividad, los alumnos llenarán 12 pocillos con solución indicadora universal. Verifica que 25 ml de solución sean suficientes. Necesitarás unos 50 ml de solución indicadora para la demostración. Si 250 ml de solución no son suficientes, prepara más utilizando las mismas proporciones.

Pregunta a los alumnos:

• ¿Creen que se trataba de una reacción química? ¿Por qué sí o por qué no?
  Un cambio de color es a menudo una pista de que se ha producido una reacción química. Por lo tanto, el cambio de color en cada vaso es probablemente el resultado de una reacción química. (Este punto se explica en el Capítulo 6, Lección 6).
• ¿Dirías que las sustancias que estaban en los vasos antes de añadir el líquido eran las mismas o eran diferentes? ¿Por qué?
  El líquido de cada vaso cambió a un color diferente durante la reacción. Debido a que las sustancias reaccionan químicamente de manera característica y a que las sustancias reaccionan de manera diferente, las sustancias en cada vaso deben ser diferentes.

Diles a los alumnos que la solución verde se creó añadiendo una sustancia llamada indicador universal al agua. Explica que has colocado una pequeña cantidad de una sustancia, un ácido y una base en cada vaso. No les digas a los alumnos en qué vaso está el ácido o la base.

Diles a los alumnos que, cuando volcaste la solución del indicador universal a los vasos, el ácido y la base reaccionaron con el indicador y cambiaron de color. Normalmente, cuando se mezclan dos sustancias y se produce un cambio de color, esto es una pista de que se ha producido una reacción química. La causa de este cambio de color se comentará más adelante en esta lección, cuando los alumnos realicen su propia actividad.

Diles a los alumnos que utilizarán una solución ácida, una base y una solución indicadora universal para aprender cómo los ácidos y las bases afectan al agua. También aprenderán a medir el efecto con colores y números en la escala de pH.

Distribuye una tabla universal de pH indicador a cada grupo. Pueden encontrar las tablas justo antes de las hojas de actividades de los alumnos. Explica que la tabla muestra el rango de cambios de color para el indicador universal cuando se añaden soluciones ácidas o básicas al indicador.

Señala que cada color tiene un número asociado y que los alumnos aprenderán más sobre estos números más adelante en la lección. A medida que la solución se vuelve más ácida, el color cambia de verde a rojo. A medida que la solución se vuelve más básica, el color cambia de verde a violeta.

Levanta los vasos de la demostración y formula las siguientes preguntas:

• ¿Qué les dice el color del líquido de cada vaso sobre la sustancia que ya estaba en el vaso cuando se añadió el indicador?
  El vaso que se volvió rojizo al principio contenía un ácido, y el vaso que se volvió violeta inicialmente contenía una base.
• ¿Qué les dice el color verde del indicador sobre el agua en ese vaso? ¿Es ácida, básica o ninguno de los dos?
  El indicador verde que queda en el vaso no es ácido ni básico, por lo que debe ser neutro.

Explica que antes de la clase, colocaste una pequeña cantidad de ácido cítrico en el vaso que se volvió rojo y una pequeña cantidad de carbonato de sodio en el vaso que se volvió violeta. El ácido cítrico es un ácido y el carbonato de sodio es una base.

Ácidos y la solución indicadora universal
Explica que el ácido cítrico está presente en frutas cítricas como los limones, las limas y las naranjas.

Pregunta a los alumnos:

• ¿Cuáles son otros ejemplos frecuentes de ácidos?
  Los alumnos podrían decir que el vinagre es un ácido. Podrías señalar que también hay ácidos más fuertes, como el ácido sulfúrico utilizado en las baterías de los coches.
• ¿Qué colores esperarían ver si colocaran alguna de estas sustancias en el indicador universal?
  El color puede cambiar a amarillo, naranja o rojo para estos ácidos.

Bases y la solución indicadora universal
Explica que el carbonato de sodio es uno de los productos químicos que se utilizan habitualmente en los detergentes para lavavajillas.

Pregunta a los alumnos:

• ¿Cuáles son otros ejemplos comunes de bases?
  Es posible que los alumnos no conozcan ningún ejemplo de base, pero puedes decirles que los jabones, el amoníaco y otros limpiadores suelen ser bases.
• ¿Qué colores esperarían ver si colocaran alguna de estas sustancias en el indicador universal?
  El color puede cambiar a verde oscuro, azul y violeta para cualquiera de estas bases. (Para el indicador universal, los cambios en el color de las bases no son tan diferentes como los de los ácidos).

Diles a los alumnos que a continuación explorarán los cambios de color del indicador universal con pequeñas cantidades de ácido cítrico y de carbonato de sodio.

Entrega a cada alumno una hoja de actividades.

• Lección  6.8 Hoja de actividades PDF | DOCX | Google Doc
• Lección  6.8 Respuestas de la hoja de actividades  PDF | DOCX | Google Doc

Descarga la hoja de actividades y distribuya una por alumno.

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Descarga la hoja de actividades del alumno y reparte una por alumno cuando se especifique en la actividad. La hoja de actividades servirá como el componente de evaluación de cada plan de lección 5-E.

Los alumnos registrarán sus observaciones y responderán preguntas sobre la actividad en la hoja de actividades. Las secciones Explícalo con átomos y moléculas y Aprende más de la hoja de actividades se completarán en conjunto con la clase, en grupos o individualmente, según tus instrucciones. Para encontrar las respuestas a la hoja de actividades, ve al área de descargas de la versión en línea de esta lección.

Explica a los alumnos que primero crearán sus soluciones para la actividad. Revisa cada paso con ellos o haz que sigan el procedimiento descrito en su hoja de actividades.

Preparación del maestro
Los alumnos necesitarán pequeñas cantidades de carbonato de sodio y de ácido cítrico para la actividad.

• Etiqueta dos vasos de plástico pequeños con los nombres “ácido cítrico” y “carbonato de sodio” para cada grupo.
• Coloca aproximadamente 1⁄4 de cucharadita de ácido cítrico y de carbonato de sodio en los recipientes etiquetados.
• Distribuye los vasos con solución indicadora universal a cada grupo de alumnos.

Materiales para cada grupo

• 2 vasos de plástico transparente
• 3 goteros
• Cinta de enmascarar y bolígrafo o marcador permanente
• Indicador universal en un vaso
• Agua
• Cilindro graduado
• Carbonato de sodio
• Ácido cítrico
• 2 palillos de dientes planos

Explica a los alumnos que, en esta actividad, llenarán los pocillos de cada platina con solución indicadora universal. A continuación, en la primera platina, analizarán cómo afectan las diferentes concentraciones de ácido cítrico al color de la solución indicadora universal. En la otra platina, analizarán cómo afectan las diferentes concentraciones de carbonato de sodio al color de la solución indicadora universal.

Diles a los alumnos que no añadirán nada en cada platina a la solución indicadora en el primer pocillo. Esto se debe a que el primer pocillo servirá como control.

Pregunta a los alumnos:

• ¿Por qué es importante tener un control?
  El control no se toca y no cambia para que los cambios de color en los otros pocillos se puedan comparar con el color original del control.

Pregunta para investigar
¿Cómo afecta la concentración de ácido cítrico al color de la solución indicadora universal?

Materiales para cada grupo

• Solución indicadora universal
• Tabla de color de pH
• Solución de ácido cítrico
• Al menos 6 palillos de dientes
• Platina
• 2 goteros

Resultados esperados
El color del indicador debe volverse verde amarillento o amarillo. Si no hay un cambio de color evidente después de añadir una cucharadita pequeña de ácido cítrico con el palillo de dientes, pide a los alumnos que añadan un poco más de ácido cítrico a la solución. Diles que se aseguren de recoger tanto ácido cítrico como puedan en el extremo del palillo de dientes.

Registrar observaciones
Ayuda a los alumnos a completar la tabla en su hoja de actividades. Los alumnos pueden decir que el color de la solución en el pocillo 2 es amarillo o verde amarillento. A continuación, pide a los alumnos que asignen un número para el pH. Diles a los alumnos que si el color del pocillo parece estar entre dos colores de la tabla, deben asignar un valor de pH entre los dos.

Diles a los alumnos que en la siguiente parte de la actividad añadirán un poco más de ácido cítrico a la solución de ácido cítrico. Esto hará que la solución de ácido cítrico sea más concentrada. Como hicieron antes, añadirán una gota de solución de ácido cítrico, pero esta vez la solución de ácido cítrico estará más concentrada.

Pide a los alumnos que hagan una predicción:

• ¿Cómo creen que cambiará el color si añaden una gota de una solución de ácido cítrico más concentrada al indicador universal en el siguiente pocillo?

Resultados esperados
A medida que aumenta la concentración de la solución de ácido cítrico, el color debe cambiar a variaciones de verde amarillento, amarillo, naranja amarillento, naranja, rojo anaranjado y rojo. Los colores obtenidos variarán de un grupo a otro debido a las diferentes cantidades de ácido cítrico que los alumnos pueden recoger con el palillo de dientes. Los alumnos pueden obtener 4 o 5 colores diferentes. Las respuestas y los colores incluidos en la tabla siguiente variarán.

Pregunta a los alumnos:

• Cómo cambia el color de la solución indicadora a medida que aumenta la concentración de la solución de ácido cítrico?
  A medida que aumenta la concentración de la solución de carbonato de sodio, el color pasa de verde a violeta en la tabla de color del pH
• ¿Cómo cambia el número en la escala de pH a medida que aumenta la concentración de la solución de ácido cítrico?
  A medida que aumenta la concentración de la solución de ácido cítrico (más ácida), el número en la escala de pH disminuye.

Nota: Las diferencias de color en el lado básico de la escala de pH para el indicador universal no son tan obvias como las del lado ácido. Los alumnos tendrán que buscar con más atención para detectar la diferencia entre verde azulado, azul, azul violáceo y violeta.

Pregunta para investigar
¿Cómo afecta la concentración de carbonato de sodio al color de la solución indicadora universal?

Materiales para cada grupo

• Solución indicadora universal
• Tabla de color de pH
• Solución de carbonato de sodio
• Al menos 6 palillos de dientes
• Platina
• 2 goteros

Resultados esperados
El color del indicador debe pasar a verde azulado o azul.

Pide a los alumnos que hagan una predicción:

• ¿Cómo creen que cambiará el color si añaden una gota de una solución más concentrada de carbonato de sodio al indicador universal en el pocillo siguiente?

Diles a los alumnos que si añades más base a la misma cantidad de agua, la concentración de la base aumentará.

Pregunta a los alumnos:

• Cómo cambia el color de la solución indicadora a medida que aumenta la concentración de la solución de carbonato de sodio?
  A medida que aumenta la concentración de la solución de carbonato de sodio, el color pasa de verde a violeta en la tabla de color del pH
• ¿Cómo cambia el número en la escala de pH a medida que aumenta la concentración de la base?
  A medida que aumenta la concentración de carbonato de sodio, la solución se vuelve más básica, por lo que aumenta el número en la escala de pH.

Diles a los alumnos que el pH tiene que ver con la forma en que los ácidos y las bases interactúan con el agua. Explica que primero mostrarás a los alumnos cómo interactúan entre sí las moléculas de agua antes de añadir un ácido o una base.

Proyecta la animación Transferencia de un protón en agua.

Reproduce la primera parte de la animación.

Recuerda a los alumnos que cada átomo de hidrógeno en una molécula de agua tiene un protón y un electrón. Los átomos de hidrógeno comparten sus electrones con el átomo de oxígeno.

Haga clic en “siguiente” para mostrar cómo las moléculas de agua se convierten en iones.

Las moléculas de agua se mueven continuamente y se chocan entre sí. A veces, cuando dos moléculas de agua se unen, un protón de un átomo de hidrógeno abandona su molécula de agua y se convierte en parte de otra molécula de agua. Solo el protón con carga positiva se mueve; el electrón con carga negativa se queda atrás. Por lo tanto, estas dos moléculas H₂O se convierten en los iones H₃O⁺ y OH⁻.

Haz clic en “siguiente” para mostrar cómo los iones se convierten en moléculas de agua nuevamente.

Explica que cuando estos iones se golpean entre sí, el protón de H₃O⁺ puede moverse hacia el ion de OH^-, formando dos moléculas de agua normales nuevamente. Dado que los protones van hacia adelante y hacia atrás entre las moléculas de agua o entre los iones de forma continua, siempre hay la misma cantidad de iones H₃O⁺ y OH⁻ en agua.

Proyecta la ilustración Las moléculas de agua intercambian protones.

Esta ilustración muestra las ecuaciones químicas que explican cómo las moléculas de agua pueden convertirse en iones y cómo los iones pueden convertirse de nuevo en moléculas de agua.

Explica a los alumnos que la primera ecuación química muestra dos moléculas de agua que se unen. Señala la fórmula química de cada molécula de agua, H₂O.

• Explica la formación del ion H₃O⁺
  Después de que se transfiere el protón, la molécula de agua que ahora tiene el protón adicional se denomina ion H₃O⁺. El motivo por el que la cantidad de átomos de hidrógeno cambió de dos (el subíndice en H₂) a tres (el subíndice en H₃) se debe a que tener un protón extra es como tener un átomo de hidrógeno extra, aunque el electrón no se haya transferido junto con aquel. Dado que se añadió un protón, hay un protón más que la cantidad de electrones, lo que lo convierte en un ion positivo.
• Explica la formación del ion OH⁻
  La molécula de agua que perdió un protón ahora tiene un electrón extra, por lo que se llama ion OH^-. El motivo por el que la cantidad de átomos de hidrógeno cambió de dos (el subíndice en H₂) a uno (que no haya subíndice después del H significa 1 hidrógeno) es porque perder un protón es como perder un átomo de hidrógeno. Dado que solo se transfirió el protón, hay un electrón más que la cantidad de protones, lo que lo convierte en un ion negativo.

Diles a los alumnos que la segunda ecuación química muestra un ion H₃O+ y un ion OH− uniéndose para convertirse de nuevo en moléculas de agua.

• Explica la reformación de dos moléculas H₂O
  Explica a los alumnos que las moléculas de agua y los iones siempre están colisionando. Cuando un ion H₃O⁺ y un ion OH⁻ se chocan entre sí, el protón puede transferirse del ion H₃O⁺ al ion OH⁻ de manera que cada ion se convierte de nuevo en una molécula H₂O.

En cualquier momento en una muestra normal de agua, un pequeño porcentaje de moléculas de agua están transfiriendo protones y se están convirtiendo en iones. Además, los iones H₃O+ y OH− transfieren protones y se convierten de nuevo en moléculas de agua.

Proyecta la animación Los ácidos donan protones.

Diles a los alumnos que cuando se añade un ácido a una solución indicadora, el ácido dona protones a las moléculas de agua. Esto aumenta la concentración de iones H₃O⁺ en la solución. Los iones H₃O⁺ donan protones a las moléculas indicadoras, lo que hace que el indicador cambie de color y se torne rojo.

Proyecta la animación Las bases aceptan protones.

Cuando se añade una base a una solución indicadora, acepta protones de las moléculas de agua, creando iones OH⁻. Los iones H₃O⁺ y las moléculas indicadoras donan protones a los iones OH^-, lo que hace que el indicador cambie de color y se torne violeta.

Lee más sobre potencia frente a concentración en ácidos y bases en la Información contextual para el maestro.

• Lección 6.8 Información contextual para el maestro PDF

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Pide a los alumnos que hagan una predicción:

• ¿Cómo creen que cambiará el color si vierten una pequeña cantidad de cada solución sobrante en la solución indicadora universal?

Materiales para cada grupo

• Solución indicadora universal
• Tabla de color de pH
• Solución de ácido cítrico
• Solución de carbonato de sodio

Resultados esperados
Los colores de la solución del indicador variarán, pero los alumnos deben ver que los ácidos y las bases mezclados hacen que el color del indicador cambie hacia el neutro.

Pide a los alumnos que describan lo que hicieron y sus observaciones. A continuación, explica que en el Capítulo 6, Lección 9, combinarán ácidos y bases en una solución indicadora con el objetivo de hacer que el pH de la solución final sea neutro.