6 ISSN 2477-9105 Número 34 Vol.1 (2025) Alternave source for obtaining oxygen on a laboratory scale ¹ Universidad Central del Ecuador, Centro de Química, Quito Ecuador. ² Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ciencias Químicas, Laboratorio de Electro-Catálisis Aplicada, Quito Ecuador. ‡ Todos los autores declaran que contribuyeron de forma equitativa en este trabajo. *mgsalazar@uce.edu.ec Los ensayos de obtención de oxígeno molecular (O2), a escala de laboratorio, para estudiar sus propiedades químicas, constuyen práccas de laboratorio: úles, vistosas y representan una valiosa herramienta pedagógica para docentes y estudiantes que inician su formacion en cualquier rama de las ciencias químicas. El clorato de potasio es un reacvo que tradicionalmente se ha ulizado en la obtención de O2, sin embargo, en abril de 2023 en Ecuador se emió una normava legal que limita el uso de este reacvo, dificultando su adquisición, transporte y almacenamiento. En este trabajo se presenta la reacción de descomposición de peróxido de hidrógeno mediada por catalizadores como una forma alternava para la obtención de oxígeno, de modo que se ulizaron cinco diferentes fuentes de catalizador, de entre ellos la levadura liofilizada mostró ser el mejor catalizador, puesto que con esta sustancia se genera más candad de gas a la vez que se obene repebilidad con mejor precisión en los datos experimentales. Palabras claves: Educación química, ecoamigable, sostenible, fácil obtención. Laboratory-scale experiments to obtain molecular oxygen (O₂) and study its chemical properes are useful, visually appealing, and valuable pedagogical tools for teachers and students beginning their training in any branch of chemical sciences. Potassium chlorate is a reagent tradionally used to obtain O₂; however, in April 2023, Ecuador issued regulaons liming its use, making it more difficult to acquire, transport, and store. This work presents the catalyst-mediated decomposion of hydrogen peroxide as an alternave method for obtaining oxygen. Five different catalyst sources were used, and freeze-dried yeast proved to be the best catalyst, generang the greatest amount of gas while also providing more precise and repeatable experimental data. Keywords: Chemistry educaon, eco-friendly, sustainable, easy to obtain. RESUMEN ABSTRACT FUENTE ALTERNATIVA PARA LA OBTENCIÓN DE OXÍGENO A ESCALA DE LABORATORIO iD ¹ Ana Calderón-Varela iD ² Carlos Cevallos-Morillo iD ¹ Christian Rosero-Narvaez iD ²María Gabriela Salzar-Martínez * ISSN 2477-9105 Número 34 Vol.1 (2025) Fecha de recepción: 22-05-2024 / Fecha de aceptación: 20-12-2024 / Fecha de Publicación: 24-06-2025 DOI: hps://doi.org/10.47187/perf.v1i34.331

7 FUENTE ALTERNATIVA PARA LA OBTENCIÓN DE OXÍGENO A ESCALA DE LABORATORIO Calderón, Rosero, Cevallos, Salzar. La adquisición de destrezas manuales y el desarrollo de ensayos son la parte medular de la enseñanza de las ciencias experimentales como la química y la sica. (1,2) Durante las sesiones de laboratorio se aplican los fundamentos teóricos de modo que se afianza aún más el conocimiento. (3) A parr de las reformas curriculares en la educación cienfica, a inicio de los años 60 del siglo pasado, el trabajo experimental se ulizó con la idea de que los estudiantes se ocuparan de invesgaciones, descubrimientos, indagaciones y resolución de problemas por lo que el trabajo experimental se volvió entonces el centro de la enseñanza y aprendizaje de la ciencia. (4,5) El laboratorio es un espacio sico diseñado y equipado para que los estudiantes adquieran nociones y habilidades de cómo funciona la naturaleza, también de cómo se desarrollan invesgaciones cienficas, en un ambiente controlado y seguro. (6) Una de las práccas experimentales que se realizan en los laboratorios de química, tanto para familiarizar al estudiante con el estudio de las propiedades de los gases, así como el manejo de reacvos, es la obtención de oxígeno gaseoso.(7) En los laboratorios de enseñanza este elemento se obene a parr de reacvos químicos oxidantes, cómo el perclorato de potasio, permanganato de potasio, peróxido de sodio (oxilita), entre otros.(8) La descomposición térmica o catalíca del clorato de potasio (KClO3), usando como catalizador dióxido de manganeso (MnO2), es una de las reacciones más ulizadas. (9) En abril de 2023, con la publicación en Registro Oficial del Acuerdo Ministerial N°145, se limitó la compra, transporte y almacenamiento de clorato de potasio, por su carácter oxidante y explosivo.(10) Con estas disposiciones de carácter legal, se deben realizar trámites engorrosos para la adquisición y gesón del clorato de potasio, causando problemas en las instuciones educavas que ulizan el reacvo. En el ensayo de obtención de O2 se realizan pruebas de laboratorio que enen varias ventajas entre ellas se resalta que: son fácilmente reproducibles, el material que se usa es de fácil manipulación, permiten abordar de manera pedagógica diferentes conceptos teóricos químicos y biológicos, tratados en las cátedras como: velocidad de reacción, reacciones con metales y no metales, catálisis, poder oxidante del agua oxigenada, cambio de color de indicadores frente a reacciones ácido base, entre otros.(11) I. INTRODUCCIÓN II. MATERIALES Y MÉTODOS Por los movos mencionados es necesario buscar alternavas efecvas, eco amigables y sostenibles para sustuir el uso del KClO3. En este trabajo se presenta la obtención de oxígeno, mediante la descomposición catalíca del peróxido de hidrógeno para estudiar las propiedades de este gas con fines educavos y de docencia. Métodología de la invesgación: Esta invesgación es de po experimental puesto que todos los ensayos se realizaron en un ambiente controlado y reproducible para obtener datos medibles. Se ulizó un diseño experimental de “un factor a la vez”, cambiando, en un inicio la fuente de catalizador, para luego estudiar la influencia del volumen de peroxido empleado. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para el desarrollo experimental, en la tabla 1 se detallan los materiales ulizados con sus respecvas especificaciones, los mismos que se pueden observar en la figura 1, de igual manera en la tabla 2 se enlista los reacvos con sus especificaciones. Tabla 1. Equipos y materiales requeridos en el ensayo de obtención a escala de laboratorio de oxígeno molecular. Figura 1. Materiales requeridos en el ensayo para la obtención de oxígeno molecular a escala de laboratorio. Equipos y materiales Especificación Balanza semi-analíca Marca: Adam- Nimbus, apreciación 0.01g Probeta 250 ±2 mL Matraces erlenmeyer 125mL, 50 mL Vidrio reloj o cuadro de vidrio 7.0 cm diámetro, 7.5 x 7.5 cm Tapón de caucho bihoradado Medida: 00 Jeringa descartable 10 mL – 20 mL Cuba hidroneumaca, recipiente colector de agua Cuchara de deflagración o pinza para crisol Mechero Bunsen

8 ISSN 2477-9105 Número 34 Vol.1 (2025) Fuente de catalizador En la figura 3 se muestran los resultados de volumen de oxígeno obtenidos con diferentes fuentes de III. RESULTADOS Tabla 2. Sustancias y reacvos empleados para la obtención de oxígeno Figura 2. a) Cuba de agua con los erlenmeyers inverdos y llenos completamente de agua. b) Reacción de descomposición de peróxido de hidrógeno al contacto con la fuente de catalizador. c) Oxígeno recolectado y atrapado en los matraces. Sustancias y reacvos Especificación Sustancias y reacvos Especificación Peróxido de hidrógeno 10 volúmenes , 3% v/v Fenolſtaleína 98% Thermo Fisher Scien- fic Solución alcohólica al 1.0%, 2.0 mL Hígado fresco de res 15 g Helianna,ana- ranjado de melo, 95% Thermo Fisher Scienfic Solución acuosa al 1.0%, 2.0 mL Hígado fresco de pollo 15g Carbón vegetal 3.0 g Levadura liofilizada 15 g Azufre, 99.5% Ther- mo Fisher Scienfic 0.5 g Papa 15 g Magnesio, 99.5 % láminas 3.0 g Espinaca 15 g Lana de hierro co- mercial 5.0 g Equipo para la obtención de oxígeno Se pesa alrededor de 3.50 g de la fuente de catalizador , y colocarla en un matraz erlenmeyer de 125 mL. A connuación, se cierra el matraz con el tapón de caucho bihoradado, por el primer orificio se adapta una manguera de caucho para la salida del gas, mientras que por el segundo orificio se acopla una jeringa para adicionar peróxido de hidrógeno. Se llena la cuba hidroneumáca con agua a tres cuartas partes de su capacidad, se introducen tres matraces erlenmeyer o una probeta, llenos completamente de agua y de forma inverda e igualmente tres cuadros de vidrio como se observa en la figura 2a. Finalmente, se vierte 20.0 mL de peróxido sobre la fuente de catalizador como se observa en la figura 2b, se recoge el gas producido en los matraces y se los tapa con el cuadrado de vidrio para posterior análisis como se observa en la figura 2c. Pruebas de idenficación y propiedades de oxígeno En una cuchara de deflagración colocar una pequena candad de: carbón, hierro, azufre o magnesio, calentarlo directamente en la llama del mechero hasta observar incandescencia. Rerar parcialmente el vidrio reloj del matraz para introducir la cuchara de deflagración, cuidar de no topar el fondo húmedo del matraz. Despues de la reacción, mezclar vigorosamente los gases o los residuos obtenidos dentro del matraz con el agua remanente, finalmente añadir gotas de indicador.

9 FUENTE ALTERNATIVA PARA LA OBTENCIÓN DE OXÍGENO A ESCALA DE LABORATORIO Calderón, Rosero, Cevallos, Salzar. Figura 5. Reacciones de oxígeno con diferentes reacvos : a) carbón, b) magnesio, c) azufre y d) hierro . Figura 3. Comparación entre el volumen de oxígeno obtenido a parr de las diferentes fuentes de catalizador, se emplearon diferentes volúmenes de H2O2. Figura 4. Volumen de oxígeno obtenido al variar de la candad de fuente de catalizador catalizador. En el eje de las ordenadas (eje Y) se muestra la relación de volumen de oxígeno en mililitros entre la masa de fuente de catalizador, esta estandarización se realizó para fijar la masa de la fuente de catalizador ulizada y comparar. Las barras de error representan la desviación estándar de los ensayos realizados por triplicado. Reacciones con oxígeno Con el gas generado se realizaron inmediatamente reacciones químicas para verificar la presencia y las propiedades del gas obtenido como se observa en la figura 5: Masa de catalizador Con los mejores resultados obtenidos al variar la fuente de catalizador, se connuó midiendo el volumen de gas obtenido, fijando en 10.0 mL la candad de peróxido de hidrógeno, y diferentes masas de fuente de catalizador, como se visualiza en la figura 4. En cada matraz se conservó alrededor de 10.0 mL de agua, para que esta reaccione con los óxidos generados produciendo de este modo compuestos ácidos o básicos, que se reconocen al añadir gotas de reacvo indicador ácido base, como se muestra en la figura 6.

10 ISSN 2477-9105 Número 34 Vol.1 (2025) Fuente de catalizador A escala industrial el oxígeno gaseoso se obene mediante electrólisis del agua y por deslación fraccionada de aire.(12) A escala de laboratorio, reportamos la obtención de oxígeno, mediante la descomposición de peróxido de hidrógeno (H2O2) usando diferentes fuentes de la enzima catalasa peróxido de hidrógeno oxidorreductasa. Esta enzima está presente en diferentes tejidos humanos como barrera a los radicales libres, con una concentración más alta en hígado y riñones,(13) también está presente en una gran variedad de tejidos animales y vegetales, así como en microorganismos,(14) a nivel celular esta enzima se localiza en las mitocondrias y en los peroxisomas.(15) La catalasa es Figura 6. a)Uso de helianna como indicador de la obtención de Dióxido de Carbono. b)Uso de fenolſtaleína como indicador de la obtención de Hidróxido de Magnesio. c) Uso de helianna como indicador de la obtención de Ácido Sulfuroso. IV. DISCUSIÓN una metaloproteína tetramérica, cuyo peso molecular se encuentra en el rango de 210- 280 kD, se conforma de cuatro subunidades idéncas que permanecen unidas por medio de interacciones no covalentes, cada subunidad conene un grupo prostéco de protoporfirina. (16,17) La reacción de descomposición de peróxido de hidrógeno es una reacción química que ocurre forma espontánea, según la ecuación 1, pero con una rapidez baja. El uso de catalasa modifica la velocidad del proceso de descomposición del peróxido de hidrógeno, en aproximadamente 1000 millones de veces.(19) En los laboratorios de docencia es poco común encontrar catalasa, por ello, en este trabajo se usaron tejidos animales y vegetales como fuente de esta enzima.(20) En la figura 3 se presenta el volumen de oxígeno obtenido con diferentes fuentes de catalasa. En este conjunto de ensayos se modificó la candad de peróxido de hidrógeno, con volumen de disolución de H2O2 de 5.00, 10.0 y 15.0 mL. Para todas las fuentes de enzima, se observa la misma tendencia que al aumentar el volumen de H2O2 aumenta la candad de oxígeno. En los ensayos realizados con hígado de pollo, hígado de res y levadura se obene un volumen medio de 64.0 mL de oxígeno por gramo de fuente de enzima (mL/g), no existe diferencia significava entre las tres fuentes de enzima. Sin embargo, los ensayos realizados con levadura son más reproducibles con una desviación estándar de 1.70 mL/g y un coeficiente de variación de 2.60 mL/g. Es importante mencionar que el almacenamiento de la levadura es mucho más fácil que del hígado de res o pollo, dado que estos úlmos requieren de cadena de frío y precauciones en lo que se refiere a riesgo biológico además de una estricta gesón de este po de residuos que suponen riesgo para la salud humana, animal y para el ambiente (21). Masa de catalizador A parr de los datos observados con los diferentes pos de fuente de catalizador, se disminuyó la masa de fuente de enzima ulizada, estos resultados se presentan en la figura 4, donde se observa una relación directamente proporcional entre la masa de levadura y la 2H 2 O 2(ac) → 2H 2 O (l) + O 2(g) ecuación 1.(18)

11 FUENTE ALTERNATIVA PARA LA OBTENCIÓN DE OXÍGENO A ESCALA DE LABORATORIO Calderón, Rosero, Cevallos, Salzar. Tabla 3. Reacciones quimicas de oxígenocon diferentes elementos Tabla 4. Reacciones entre los productos de la primera reacción con agua. * Tomado de (29) V. CONCLUSIONES candad de oxígeno. Para el hígado de res se observa una disminución en el volumen de oxígeno cuando se aumenta la masa de hígado. Este comportamiento inusual se puede jusficar con la dispersión de los datos puesto que no hay diferencia significava entre ellos. Aunque la catalasa parcipa en el proceso de reacción, esta no se modifica. Así, por ejemplo, tras catalizar la descomposición de una molécula de H2O2, la catalasa vuelve a encontrarse exactamente en el mismo estado que antes, preparada para un nuevo ciclo (19,22,23). Por este hecho, la reacción se ve limitada por la candad de peróxido de hidrógeno ulizado, más no por la candad de enzima presente en las células del tejido (24). Una de las ventajas de esta forma alternava de obtener oxígeno, es que las reacciones involucradas no generan residuos tóxicos o peligrosos, tampoco se requiere de fuentes de calentamiento o uso de mecheros. Reacciones con oxígeno Al introducir la cuchara de deflagración, con los elementos incandescentes en el matraz que conene oxígeno, ocurre una reacción química en la que se generan óxidos metálicos y no metálicos, la reacción se evidencia con la incandescencia de las sustancias, la generación de productos y dura hasta que el oxígeno se consume totalmente, como se observa en la figura 5. A connuación, en la tabla 3 se detallan las reacciones ocurridas. Después de la primera reacción, que es una reacción de oxidación de los diferentes elementos con oxígeno, (28) se mezclaron los productos de esta primera reacción con agua para obtener nuevos compuestos, con caracteríscas ácido- base, que se evidencian con la adición de gotas de indicador fenolſtaleína y anaranjado de melo (heleanna), como se describe en la tabla 4 y se muestra en las fotograas de la figura 6. Elemento Reacción Observaciones Carbón C (s) + O2 (g) → CO 2(g) Dióxido de carbono es incoloro e inodoro Magnesio 2Mg (s) + O 2(g) → 2MgO (s) Formación de sólido blanco. (25) Azufre S (s) + O 2(g) → SO 2(g) Dióxido de azufre es un gas incoloro con olor picante, muy tóxico. (26) Hierro 2Fe (s) + O 2(g) → 2FeO (s) Formación de sólido rojizo. (27) En la reacción de carbono con oxígeno se produce dióxido de carbono que en contacto con agua genera ácido carbónico que en disolución acuosa se disocia produciendo hidrógeno carbonato e hidronios, de modo que la disolución adquiere un color amarillo con un valor de pH superior a 3.50. Reacciones similares ocurren con el azufre donde al final se obene el ion hidrógeno sulfato, que se evidencia con una coloración roja del anaranjado de melo. La oxidación de magnesio produce un óxido metálico que en contacto con agua genera el hidróxido correspondiente, esto se confirma con el cambio de color a rosado de la fenolſtaleína. Se presenta un método experimental alternavo, que permite obtener oxígeno gaseoso a escala de laboratorio de forma efecva, generando una candad de desechos mínima y a temperatura ambiente. Esta metodología es fácil de realizar pudiéndose replicar en laboratorios de ciencias experimentales. De igual manera, esta metodología es asequible, puesto que no se requieren fuentes de energía externa, ni medios de agitación. Se probaron cinco fuentes diferentes de catalizador, obteniendo mejores resultados con levadura liofilizada. Al final, se presenta un conjunto de reacciones químicas con oxígeno, que permiten explicar la naturaleza de metales y no metales como: magnesio, hierro, carbón y azufre. Indicador pK a * Segunda reacción Carácter de la disolución Anaranjado de melo 3.46 CO 2 (g) + H 2 O(ac) → H 2 CO 3(ac) Ácido Fenolſtaleína 9.70 MgO (s) + H 2 O (ac) → Mg(OH) 2(ac) FeO (s) + H 2 O (ac) → Fe(OH) 2(ac) Básico Anaranjado de melo 3.46 SO 2(g) + H 2 O (ac) → H 2 SO 3(ac) Ácido VI. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Centro de Química de la Universidad Central del Ecuador por permir el acceso al espacio sico y el uso de materiales donde se realizaron los ensayos experimentales.

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