Magnesio, hierro y cobre: ¿cuál es menos noble y, por tanto, se oxida antes?

Como es sabido, el hierro se oxida con facilidad. Pero se puede ralentizar su proceso de oxidación protegiéndolo con un “ánodo de sacrificio”, o bien acelerarlo si está en presencia de un metal más noble. Este experimento permite deducir, por la aparición de colores, los mecanismos de la oxidación del hierro en distintas condiciones.

Precauciones

La cinta de magnesio es inflamable y libera gas inflamable en contacto con el agua.

Materiales y procedimiento

Hexacianoferrato de potasio (III) (aproximadamente 0,2 g)
Disolución indicadora de fenolftaleína
Cloruro de sodio (alrededor de 0,25 g)
Cuatro placas de Petri
Cuatro clavos de hierro
Alambre de cobre no oxidado (funciona muy bien un cable eléctrico al que se le acaba de retirar su aislamiento plástico)
Cinta de magnesio (3 cm)
Alicates

A 100 mL de agua del grifo agregar la mitad de una espátula (aproximadamente 0.2 g) de hexacianoferrato de potasio (III), ocho gotas de disolución indicadora de fenolftaleína y (opcionalmente) una pizca de cloruro de sodio (0.05 g) cuya función es la de acelerar el proceso de la oxidación que va a tener lugar.
Agitar la disolución para airearla y luego distribuirla entre cuatro placas de Petri vacías a una profundidad suficiente para cubrir los clavos una vez agregados.
En una de las placas, disolver media espátula de cloruro de sodio (alrededor de 0.2 g).
Envolver la parte central de un clavo con un trocito de cinta de magnesio y el centro de otro clavo con una tira de cobre o cable. (Usar alicates para apretar estos metales contra los clavos y mejorar así el contacto).
Echar un clavo en la placa de Petri que contiene agua salada.
Echar otro clavo (que servirá de control) más los dos clavos que se prepararon con cobre y magnesio en otras tantas de las placas de Petri preparadas antes.

En unos minutos, el indicador de fenolftaleína se volverá de color rosa (indicativo de la presencia de OH^–(aq)) alrededor del clavo modificada con magnesio. En el transcurso de una hora, el hexacianoferrato de potasio (III) se vuelve azul alrededor de los otros tres clavos (lo que indica la presencia de Fe²⁺(aq) y también surgirá un poco de tonalidad rosa alrededor de la puntilla que tiene cobre.

Variantes

Se pueden diseñar muchas alternativas a este experimento. Una es colocar el hierro y el magnesio en placas de Petri separadas y conectarlos con alambre de cobre; otra es repetir el experimento en agua hervida y protegida por una capa de aceite; otra es poner parte del clavo en una gota de disolución y dejar que la otra parte quede expuesta al aire.
Una alternativa más elaborada es hacer el experimento en agar para que exista un gel en vez de un líquido y hacer más difícil el flujo de reactivos. Se necesitaría: 2 clavos de hierro, 2 placas de Petri, 1 tira de magnesio, hexacianoferrato de potasio (III), fenolftaleína, nitrato de potasio y agar. Se procede así:

Preparar una solución de hexacianoferrato de potasio (III) (disolviendo 1,65 g en 50 ml, es decir, de concentración 0,1 M).

Preparar el gel de agar haciendo una mezcla de 50 ml de agua destilada, 5 g de nitrato de potasio, 1 g de agar, 10 ml de hexacianoferrato (III) de potasio 0,1 M y 10 gotas de indicador de fenolftaleína.

Colocar esta mezcla en un baño de vapor hasta que el agar se disuelva (generalmente unos 20 minutos).

Colocar un poco de gel de agar en dos placas de Petri. En una placa, poner un clavo de hierro; en la otra, un clavo con una tira de magnesio envuelta alrededor.

Una tercera alternativa es realizar también la reacción en un gel, pero detectando la presencia de iones de hierro mediante el salicilato, ya que ambos forman un compuesto rojo-purpura. Se necesitan 4 clavos comunes, un clavo galvanizado, agua, lavavajillas, toallas de papel, placa calefactora o estufa, frasco pequeño de vidrio, dos paquetes de gelatina sin sabor, aproximadamente medio gramo de salicilato de magnesio (existen pastillas de analgésicos que lo contienen), cloruro de sodio, un alambre de cobre, papel de aluminio, una cuchara, cinco pequeños recipientes (de plástico, placas de Petri…) y alicates. Se procede así:

Se limpian 4 clavos comunes y un clavo galvanizado con agua caliente y un lavavajillas líquido para quitar el aceite que traen los clavos cuando los fabrican con el objeto de retardar la formación de óxido antes de la compra (esto también se puede lograr introduciendo los clavos en alcohol mineral, ya que es un buen disolvente) y se secan inmediatamente con una toalla de papel.
Uno de los clavos comunes se deja como está; en otro se arrolla firmemente un hilo de cobre de unos 5 cm; en el tercero se envuelve un poco de papel de aluminio, también en estrecho contacto con el clavo; y el cuarto se dobla de manera pronunciada con unos alicates. Estos cuatro y el clavo galvanizado se colocan en los recipientes.
En un recipiente pequeño de vidrio se agregan unos 15 g de gelatina sin sabor a 30 mL (2 cucharadas) de agua. Mezclar de la forma más uniforme posible con una cuchara. La mezcla se convertirá rápidamente en una pasta rígida. Poner 90 mL (6 cucharadas) de agua en un cazo. Agregue 0.6 g (1/4 cucharadita) de cloruro de sodio y 0.5 g de salicilato de magnesio. Revolver y calentar la mezcla hasta que hierva. Agregar lentamente la pasta de gelatina y agua al contenido del cazo. Remover. Una vez que la gelatina se haya disuelto, retirar la mezcla del fuego.
Verter con cuidado la gelatina caliente en cada uno de los recipientes que contiene a los clavos, de manera que queden cubiertos.
Observar las puntillas cada 20 minutos durante las primeras dos horas y luego a las cuatro horas y después aproximadamente a las 24 horas, anotando el tiempo y el color alrededor de cada puntilla en cada intervalo. El color granate que indica la oxidación del metal de hierro en las puntillas se distingue bien transcurrida una hora y es claramente visible después de 3 horas. El color generalmente aparece primero en el punto del clavo y la cabeza, que son las áreas más estresadas durante la fabricación de la pieza. En la que se ha doblado bruscamente, el color a menudo aparecerá primero en la curva debido a la tensión mecánica.

Bibliografía

Fleming, Declan. Nailing corrosion demonstrations. Education in Chemistry 2016. https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/nailing-corrosion-demonstrations/2000054.article (vista en noviembre de 2018).
Demonstration 6.13. rusting and cathodic protection. https://scilearn.sydney.edu.au/fychemistry/demonstrations/files/6.13.pdf (vista en noviembre de 2018).
Gavira Vallejo, José Mª; Paredes Roibás, Denís. Química insólita. Certificado de Formación del Profesorado (Cursos de Formación Permanente de la UNED); Dpto. Ciencias y Técnicas Fisicoquímicas, 2018.

Imagen de cabecera: Declan Fleming / Royal Society of Chemistry en Youtube.