Fabricación Slime: polímero sintético entrecruzado

Autores:

José Antonio Martinez Pons

Fundamento.

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.

  1. Añadir 10 ml de gelatina, disuelta previamente en agua caliente.
  2. Añadir 5 gotas de nitrato de hierro (III) a la disolución de gelatina y remover.
  3. Sacar el polímero y dejarlo sobre una lámina de plástico.
  4. 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+