Esperimento della bottiglia blu

L’esperimento della bottiglia blu è la classica reazione dell’orologio mostrata sia per le presentazioni accademiche per il suo fascino visivo e la sua semplicità, che per le attività pratiche di laboratorio. L’esperimento della bottiglia blu fu pubblicato nel Journal of Chemical Education da Campbell nel 1963.

Una reazione dell’orologio è una reazione chimica in cui si osserva un cambiamento periodico di colore dovuto a reazioni di ossidoriduzione o da un cambiamento nella concentrazione di determinati componenti.

Per l’esperimento della bottiglia blu viene preparata in una bottiglia chiusa contenente un po’ d’aria una soluzione acquosa contenente destrosio, idrossido di potassio e blu di metilene. La reazione dell’orologio può essere realizzata anche con glucosio e idrossido di sodio.

Nell’esperimento della bottiglia blu la reazione del destrosio con il blu di metilene in presenza di una base provoca l’ossidazione della molecola di zucchero in cui il gruppo funzionale aldeidico o emiacetalico nel destrosio viene ossidato a un derivato dell’acido carbossilico.

Blu di metilene

Il metiltioninio cloruro, noto come blu di metilene, è un eterociclo aromatico sintetizzato per la prima volta nel 1876 dall’azienda chimica tedesca BASF e utilizzato quale colorante. Esso infatti assorbe la luce visibile nell’intervallo compreso tra i 530 e i 700 nm, con un picco massimo di assorbimento a circa 660 nm.

Nell’esperimento della bottiglia blu viene usato il blu di metilene che si presenta come una polvere verde scuro che produce una soluzione blu in acqua ed è utilizzato come indicatore redox nella chimica analitica dato il suo intenso colore blu in ambiente ossidante che si converte in incolore in ambiente riducente.

Il blu di metilene è un indicatore acido-base che cambia colore a seconda dell’acidità o dell’alcalinità di una soluzione. In condizioni acide (pH < 6), appare blu, mentre in condizioni neutre o basiche (pH > 7), può trasformarsi in una forma incolore.

Reazioni nell’esperimento della bottiglia blu

L’esperimento della bottiglia blu è facile da eseguire e utilizza materiali facilmente reperibili.  Quando alla soluzione alcalina è aggiunto lo zucchero e il blu di metilene la soluzione si presenta blu ma gradualmente diventa incolore.

Il colore blu riappare quando il pallone è agitato vigorosamente e successivamente il colore inizia quindi a sbiadire di nuovo. La prima reazione che avviene è tra il gruppo aldeidico dello zucchero riducente e il gruppo OH^– della base in cui si verifica l’ossidazione del gruppo funzionale aldeidico a gruppo carbossilato secondo la semireazione di ossidazione:
HOCH₂(CHOH)₄CHO + 3 OH^– → HOCH₂(CHOH)₄COO + 2 H₂O + 2 e ^–

In cui il carbonio aldeidico passa da numero di ossidazione + 1 a numero di ossidazione +3

Il cambiamento di colore è dovuto alla reazione di ossidoriduzione reversibile dell’indicatore blu di metilene che accelera questa reazione agendo come agente di trasferimento dell’ossigeno che si trasforma nella sua forma incolore.

Agitando il recipiente di reazione la forma ridotta del blu di metilene incolore reagisce con l’ossigeno presente nell’aria e si trasforma nuovamente nella forma ridotta di colore blu secondo la reazione:
MB_{red(incolore)} + O₂ ⇄ MB_ox(blu)

La soluzione tornerà a sbiadire in circa 30 secondi. Quanto più si agita, più tempo ci vorrà perché il colore blu sbiadisca. Il processo può essere ripetuto per circa 20 cicli e ha luogo fin quando si è consumato tutto lo zucchero o tutto l’ossigeno presente nella bottiglia. Dopo alcune ore, la soluzione diventerà gialla e non si verificheranno ulteriori cambiamenti di colore.

Metodica

Per realizzare l’esperimento della bottiglia blu si aggiungono 8 g di idrossido di potassio a 300 mL di acqua in una beuta da 500 mL e si mescola fino a quando il solido non si è sciolto. Si aggiungono 10 g di destrosio e alcune gocce di soluzione indicatrice di blu di metilene e infine si aggiunge acqua fino a 500 mL e si tappa la beuta dopo aver mescolato accuratamente.

Si lascia riposare la soluzione finché la soluzione non diventa incolore. Dopo aver agitato la soluzione ritorna a colorarsi di blu e il fenomeno si ripete in un tempo di 10-15 minuti. Le reazioni che coinvolgono il colorante organico blu di metilene forniscono un esempio utile per studiare le velocità di reazione.

La velocità della reazione in cui la forma ossidata del blu di metilene si trasforma nella forma ridotta in presenza di destrosio e idrossido di potassio, può essere studiata misurando il tempo necessario alla scomparsa della colorazione blu che avviene secondo la reazione:
MB_ox + destrosio + KOH ⇌ MB_red

Variazioni dell’esperimento della bottiglia blu

Dalla sua prima formulazione originale dell’esperimento della bottiglia blu si sono proposte numerose modificazioni. Il blu di metilene può essere sostituito dai suoi derivati o analoghi che danno una varietà di colori a seconda che si trovino in forma ossidata o in forma ridotta.

Un esempio notevole è la resazurina (7-idrossi-10-ossido-3-oxofenossoazina) che è un indicatore colorimetrico, sia di pH, sia di ossidoriduzione: infatti in ambiente ossidato è blu, in ambiente ridotto è rosa o incolore.

Si è realizzata un’alternativa ecologica utilizzando acido ascorbico e catalizzatore ionico per ridurre il colorante. Un indicatore alternativo al blu di metilene è il carminio di indaco che diventa giallo in seguito alla riduzione.

Per realizzare questa modifica all’esperimento della bottiglia blu si prepara una soluzione acquosa al 2% m/V unendo 15 g di glucosio con 750 mL di acqua (soluzione A). Si prepara una soluzione acquosa al 3 % m/V di idrossido di sodio unendo 7.5 g di idrossido di sodio con 250 mL di acqua (soluzione B).

Si riscalda la soluzione A fino alla temperatura di circa 36-38 °C e si aggiunge una piccola quantità di carminio d’indaco, il sale disodico dell’acido indaco-5,5′-disolfonico, alla soluzione A fino a quando la soluzione diventa visibilmente blu.

La soluzione B  è versata nella soluzione A e si noterà una variazione di colore da blu a verde che, nel tempo, cambierà da verde a rosso/giallo dorato.

Si versa questa soluzione in un becher vuoto, da un’altezza di circa 60 cm. Versare da un’altezza elevata è necessario per sciogliere l’ossigeno presente nell’aria nella soluzione. Si noterà che il colora ritorna verde e, successivamente, ancora una volta, il colore tornerà rosso/giallo dorato.

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