Colores que aparecen y desaparecen (Semana de la Ciencia Experimento I de V)

Como se pudo ver en la entrada sobre el origen del color (visítala pinchando en el siguiente enlace), la absorción de luz visible es indispensable para que un objeto tenga una tonalidad que el ojo sea capaz de detectar. A continaución se mostrarán experimentalmente algunos ejemplos que permiten explicar las razones por las que una molécula muestra color. 

En primer lugar se tomará el caso de la fenolftaleína, un compuesto que es conocido por ser un indicador de pH, es decir, una molécula que es capaz de cambiar de color en función de si el medio es ácido o básico. Lo interesante es razonar por qué ocurren estos cambios de color. En la Figura 1.1 se pueden comprobar las diferentes estructuras que es capaz de adoptar la fenolftaleína en función del pH.

Figura 1.1. Estructuras de la fenolftaleína en función del pH. Forma I (Naranja) para pH = 0. Forma II (Incolora) para         0< pH<8. Forma III (Rosa) para 8< pH <13. Forma IV (Incolora) para pH > 13.

Experimentalmente se pueden ver las diferentes tonalidades de las distintas estructuras de la fenolftaleína en la Figura 1.2.

Figura 1.2. Tonalidades mostradas por la fenolftaleina en diferentes medios. Comenzando por la izquierda: ácido clorhídrico, agua (pH = 5), disolución de hidróxido sódico (pH = 11) y disolución de hidróxido sódico concentrada (pH=14)

Teniendo en cuenta las diferentes estructuras puede comprobarse que el color aparece solamente en el caso de las formas I y III. En ambas existe un elemento común: una sucesión alternada de dobles enlaces y enlaces sencillos por toda la molécula, lo que se conoce técnicamente con un sistema conjugado de dobles enlaces. Como se vió en la parte de teoría, este es uno de los grupos cromóforos más habituales responsables del color. En verdad, en la forma I existe una carga positiva que parece romper esa sucesión alternada de dobles enlaces y enlaces sencillos, aunque la realidad es que este tipo de cargas positivas pueden participar del mismo modo a como lo hace un doble enlace, por lo que la alternancia realmente existe y por eso aprece el color. No obstante, el hecho de que los grupos OH y COOH en las formas I y III no coinciden exactamente influye en que ambas formas tengan diferente color. Por el contrario, las formas II y IV son incoloras. Por lo que se acaba de comentar, se puede justificar fácilmente, ya que en estos casos se puede observar que ahora el carbono central que une los anillos aromáticos no los conecta ni con una carga positiva ni con un doble enlace. Al romper esa sucesión alternada de dobles enlaces y enlaces sencillos las moléculas son incoloras.

En el siguiente vídeo se puede comprobar la pérdida de color cuando se pasa de la forma III a la forma IV al añadir una disolución de NaOH concentrada para alcanzar pH=14. Este proceso ocurre lentamente, por lo que el vídeo está acelerado respecto a la velocidad real a la que ocurre.

El siguiente caso que se va a estudiar es el del azul de metileno. En la Figura 1.3 se puede ver la estructura de esta molécula, de un marcado color azul. Nuevamente se debe observar que en el caso de la estructura de la izquierda tiene la alternancia de dobles enlaces y enlaces sencillos. Sin embargo, cuando el azul de metileno se añade a una disolución de hidróxido potásico y glucosa sufre una transformación, conocida como reacción de reducción, a la estructura que se muestra a la derecha en la Figura 1.3. En esta nueva estructura la alternancia de dobles enlaces se rompe en el ciclo central que contiene al S y al N, por lo que el color desaparece. Sin embargo, si esta disolución se agita, el oxígeno disuelto en el agua reacciona con esta estructura incolora y retorna a la estructura de azul de metileno que muestra color azul.

Figura 1.3. Estructura coloreada del azul de metileno (izquierda) y estructura resultante tras una reacción de reducción (derecha)

Este proceso se puede observar en el siguiente vídeo: al principio se parte de una disolución incolora que al agitar se transforma en otra de color azul. Dejando en reposo esta disolución, las moléculas de azul de metileno vuelven a reaccionar con la mezcla de glucosa/hidróxido potásico y retorna a la forma incolora. Este ciclo puede repetirse varias veces.

Ahora bien, se ha dicho que el oxígeno disuelto es responsable de transformar la forma incolora del azul de metileno a aquella que tiene color. Pero, ¿cómo se podría demostrar? Una posibilidad es eliminar el oxígeno disuelto en la disolución y quitar el aire que está dentro del matraz en el que se agita. La forma de hacerlo consiste en burbujear en la disolución una corriente de Argón. El Argón es un gas noble, uno de los elementos que se caracteriza porque desde un punto de vista químico es inerte, es decir, no reacciona con nada. Al burbujear Argón en la disolución sustituimos el oxígeno disuelto por este gas inerte y, además, desplazamos el aire del matraz. En el siguiente vídeo se puede ver que al agitar cuando se ha generado este entorno inerte con Argón no aparece el color azul. Sin embargo, cuando introducimos una aguja por la que hacemos pasar una corriente de aire empieza a observarse el color azul y, cuando se agita, este color azul aparece de forma clara. De este modo demostramos el papel del oxíegno en el proceso.

Quisiera agradecer a Juan Manuel Moreno Naranjo su inestimable ayuda para grabar estos vídeos y para llevar a cabo los experimentos.