Autores:
José Antonio Martinez PonsFundamento.
El alcohol polivinílico es un polímero de adición que se obtiene, en teoría, en la práctica no es exactamente así, por a partir del alcohol vinílico. (Esquema 1).
El polialcohol metílico, por su gran cantidad de grupos hidróxido (OH) es soluble en agua. Hágase ver a los alumnos y justifíquese. Sin embargo para conseguir una buena disolución debe verterse sobre agua hirviendo y en recipiente agitado y esta agitación debe mantenerse hasta enfriamiento.
El experimento consiste en entrecruzar cadenas de PVA mediante tetra borato de sodio (bórax) , ( Na2B4O7 ·10H2O) con lo que consigue un gel ya que se forma un reticulado capaz de encerrar agua.
Fundamento químico.
En disolución acuosa el bórax reacciona según
Na2B4O7(s) +7H2O ó2B (OH)3(aq)+2B (OH)4-(aq)+ 2Na+
El ión tetrahidrixiborato (III) reacciona con los OH contiguos de dos cadenas formando cuatro puentes de oxígeno. (Esquema 2).
Si se desea un experimento cuantitativo es posible averiguar la concentración molar real del borato tetrahidrixiborato titulándolo con ácido sulfúrico según la reacción
2Na++2B (OH)4- +H2SO4 →2B (OH)3 +2Na+ +SO42-+2H2O.
Preparación del gel
Se precisa disolución de bórax al 4%, disolución de PVA al 4%, colorante
Si se desea un nivel mayo de profundización, sustitúyase el colorante por un indicador de pH, preferible el indicador universal y además sendas disoluciones ácida por ejemplo H2SO4 0,5 M y alcalina NaOH 1 M.
Nivel elemental. En un pequeño vaso viértase un cm3 de disolución de PVA, unas gotas de colorante y unas 10 gotas de disolución de bórax.
Remuévase enérgicamente con una cucharilla de plástico por ejemplo. Se observará que en unos instantes se forma el gel.
Cuando el gel adquiere una cierta consistencia puede sacarse del vaso y depositarse sobre un papel de filtro. Al cabo de un poco de tiempo se va endureciendo y puede tomarse con los dedos y darle firma de pelota. Puede servir para una explicación elemental de lo que es un gel, recordando a los alumnos que el flan, la gelatina y otros muchos productos que usan, son geles.
Nivel de mayor profundización
Se procederá inicialmente como en el caso anterior utilizando el indicador como colorante, pero midiendo con precisión las cantidades, utilizando por ejemplo una micro pipeta .Se observará y tomará nota de los colores del contenido del vaso. Cuando se agita y se empieza a formar el gel el indicador irá virando a color verde.
3.- Se remueve y se forma el gel
2.- Se añade borato; el pH es alcalino
1.- PVA + indicador; el pH es ligeramente ácido
Un vez formado el gel se irán añadiendo lentamente gotas del ácido agitando observándose como el color de la mezcla va cambiado y el gel se desmorona.
Si ahora se agrega disolución de sosa con la misma técnica se observará como el color vira, indicando que el ácido se va neutralizando, y en al final acaba recuperándose el gel. Esta etapa de la experiencia permite ver la influencia pH en el proceso.
La explicación de los procesos físico químicos que ocurre y que con alumnos universitarios puede y debe ser tratada con profundidad, es que los enlaces entre el tetrahidrixiborato y el PVA son lábiles, es decir se forman y deshacen constantemente.
El hidróxido de boro y tetrahidrixiborato se comportan como un par ácido-base de Lewis según el equilibrio
B (OH)3 +H2OóH3O+ +B (OH)4- (Ka@10-9),
En medio ácido el equilibrio está muy desplazado hacia la izquierda, por tanto las cadenas de PVA se separan, mientras que en medio alcalino si se forman los puentes de oxigeno.
Al experimento se puede dar un grado de cuantitatividad midiendo exactamente las concentraciones de los reactivos y las cantidades exactas de ácido y base añadidos en la última fase.
Puede ser interesante recordar que en promedio la masa molecular de un monómero de PVA es 44 , y la molecular media del polímero es del orden de 78000 lo que significa unos 1800 monómeros y que un mol de bórax da origen a ocho enlaces de oxígeno.
Si no se dispone de PVA, como ya se ha dicho puede sustituirse por cola polivinílica (“Alquil”) que se plastificará con metanol o etanol. La cola es acetato de polivinilo y con el alcohol se produce una transesterificación. Para ello se tomará a partes iguales en volúmenes cola y alcohol y se agitará hasta que la mezcla quede uniforme. Puede extenderse una capa del producto obtenido sobre una lámina de acetato y se recoge una lámina de un plástico soluble. Co la solución obtenida se procederá como en el caso anterior. El borato puede sustituirse por perborato dental que puede adquirirse en cualquier farmacia.
4 Se añade base, cambia el pH
3 Se añade ácido, cambia el pH y el gel se desmorona
5 Se agita y el gel se recupera.
¿Qué se pretende demostrar?
A) La modificación de un polímero mediante el entrecruzado de sus cadenas: Cambian las propiedades físicas del material, creándose un gel, cuya estructura debe comprenderse.
B) la influencia de la propiedades químicas, especialmente el pH del medio.
C) De modo implícito, la estructura del propio polímero.
Dirigido a:
El nivel de profundización puede adaptarse a cualquier nivel, desde primaria hasta la universidad. Es una experiencia que deben realizar los propios alumnos o curiosos por la ciencia de los polímeros.
Materiales necesarios:
- Vasos de plástico.
- Agitador, vale una simple cucharilla de plástico.
- Disolución de polialcohol vinílico 4%.
- Disolución de borato de sodio 4%.
- Disolución de ácido 0, 5 N (puede utilizarse vinagre comercial)
- Disolución de base 0,5 N
- Disolución de colorante o mejor indicador universal.
- Puede sustituirse por cola vinílica (Alkil), alcohol metílico o etílico y perborato dental al 10%
Riesgos:
Este experimento no implica ningún riesgo, aunque obviamente, si lo realizan niños pequeños, no debe utilizarse indicador universal sino simple colorante alimentario y evitarse que se lleven a la boca los productos o los reactivos.
Enlaces:
Referencias bibliográficas:
- Finar, I. L. (1980): Química Orgánica. Tomo 2 Editorial Alhambra. Madrid.
- Horta Zubiaga, A. (1982). Macromoléculas. Unidades didácticas de la UNED. Publicaciones UNED
- Martínez Pons, J.Martínez Pons, J.A.; F. Prada Pérez de Azpeitía “RECICLADO DE PLÁSTICOS” Jornadas territoriales de educación Pág. 149-154.MEC 1999
- Martínez Pons. J.A. “FÍSICO- QUÍMICA DE LAS CLARAS DE HUEVO A PUNTO DE NIEVE “ : Revista Anales de la Real Sociedad Española de Química”. 96-2. 2000. Pág. 48
- Martínez Pons, J.A. " La preparación de la mermelada como recurso didáctico”Revista Anales de la Real Sociedad Española de Química Vol. 105 N 1 Julio-Septiembre 2009 pág. 221-226. Madrid
- Shakashiri, Bassam H. (1983) Chemical Demostrations Tomo 1. Wisconsin University Press
- Rieche, Alfred (1965) . “Química orgánica técnica”. Acribia . Zaragoza .
- VIAN ORTUÑO, A. (1980) “Introducción a la Química Industrial”. Alhambra. Madrid
Observaciones:
Los procesos de entrecruzado y gelificación son muy corrientes incluso en la vida cotidiana. Así por ejemplo los pegamentos epoxídicos, como el araldit funcionan por reacción entre un dian y una epiclorhidrina y en la cocina por ejemplo puede prepararse un gel a base de gelatina, pare ello Disuélvase unos 7 gramos de gelatina en polvo en un vaso de 250 ml y calentar a 60º hasta que se obtenga una disolución en forma de jalea.
- Añadir 10 ml de gelatina, disuelta previamente en agua caliente.
- Añadir 5 gotas de nitrato de hierro (III) a la disolución de gelatina y remover.
- Sacar el polímero y dejarlo sobre una lámina de plástico.
- Anotar las propiedades en una tabla y compararlo con el Slime. La gelatina está formada por colágeno (tejido conjuntivo) que al calentarse forma gelatina soluble en agua caliente formando un gel (polímero).
Otro gel corriente en la cocina es la mermelada que se forma a partir de las pectinas, polímero natural presente en los frutos que se entrecruzan mediante sacarosa y también con iones Ca2+ o Mg2+