Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Es posible realizar cristalizaciones metálicas con forma de árboles sumergiendo alambres de ciertos metales dentro de las sales adecuadas para formar cristales por vía electroquímica que semejan las hojas aciculares de algunos árboles. El proceso suele ser relativamente rápido; en unas dos horas se puede obtener un “árbol” de cierto porte. En general, la estructura formada es bastante frágil.
Es uno de los experimentos de química recreativa más antiguo; lo llamaban árbol de Diana o árbol de los filósofos. Quizá el primer árbol de Diana lo realizó el químico francés Nicolas Lémery a finales del siglo XVII con mercurio y plata. Inicialmente se hacía vertiendo ácido nítrico sobre plata (para formar nitrato de plata) y se añadía mercurio, pero el crecimiento del árbol era lento. Una alternativa más rápida era producir primero una amalgama de plata y mercurio y tratarla con ácido nítrico. Unos años más tarde, ya en el siglo XVIII, Louis Lémery, hijo de Nicolas, reclamó para sí la invención de un árbol basado en hierro que se conoce como árbol de Marte. Para ello, disolvió limaduras de hierro en ácido nítrico y añadió carbonato de potasio.
El experimento
En su versión moderna, el experimento es muy fácil de realizar. Basta introducir un alambre de cobre en una disolución de nitrato de plata (AgNO3) al 1 % aproximadamente. Si al alambre se le da forma de árbol el resultado será muy realista, ya que estas cristalizaciones metálicas son dendríticas, es decir, se forman estructuras con ramificaciones repetitivas. Deben evitarse las vibraciones.
Típicamente, al poco tiempo de introducir el alambre de cobre en la disolución de plata se observará que el cobre se cubre de una fina capa de partículas aparentemente amorfas. Minutos más tarde se empezará a apreciar cristales blancos de plata. Después se proyectarán en ángulo recto respecto al alambre unos cristales blancos de plata en forma de agujas. En las siguientes horas aumentará el entramado de agujas, que se verán de color blanquecino o gris.
La reacción estará prácticamente completa en un día; si se dejara más tiempo, probablemente aumentaría la proporción de partículas rojas. En cuanto a la disolución, que inicialmente es incolora, se irá tornando de color azul debido al cobre que se irá disolviendo (Cu2+ hexahidratado).
No siempre se observan todos los efectos mencionados; depende de las concentraciones de nitrato de plata, entre otros factores. Se puede probar con concentraciones entre el 0,1 % y el 5 %, e incluso más altas. Algunos autores indican que a menor concentración se forma más oxido de cobre en comparación con la cantidad de plata.
Este tipo de “árboles” son muy frágiles; si se agitan, las “hojas” caerán con facilidad (metafóricamente hablando, será como si hubiera llegado el otoño). Si se desea, puede retirarse la disolución (que mayoritariamente será de nitrato de cobre) y reemplazarla con agua destilada, pero hay que hacerlo con mucho esmero.
El experimento también se puede hacer sumergiendo una moneda que contenga cobre u otro objeto de cobre en una disolución de nitrato de plata, pero el alambre es lo más recomendado si se quiere obtener una forma arborescente.
Fundamento
El fundamento de estos fenómenos es de naturaleza electroquímica. El metal del alambre con el que se forma el esqueleto del árbol, M1 (cobre en este caso), debe ser menos noble que el metal que forma parte de la sal en disolución, M2 (plata). Dicho con más rigor, M1 ha de tener un potencial de reducción más bajo que M2. Por eso, en este experimento cada átomo de cobre metálico (Cu), que tiene estado de oxidación 0, se oxida a Cu(II) (ion Cu2+) liberando dos electrones, los cuales son utilizados por dos iones de plata (Ag+) para reducirse a plata metálica (Ag). Las reacciones de reducción y los potenciales estándares de reducción que debemos tener en cuenta son:
Ag+(aq) + e– → Ag(s) E0 (Ag+/Ag) = +0,80 V
Cu2+(aq) + 2e– → Cu(s) E0 (Cu2+/Cu) = + 0,34 V
La primera reacción de reducción se dará preferentemente en detrimento de la segunda por tener asociado aquella un potencial de reducción más alto. Por lo tanto, la segunda reacción tiene que producirse en sentido contrario (oxidación), y así proporcionará los electrones que necesita la primera. Es decir, el Cu del alambre se convertirá en Cu2+ y quedará disuelto, lo que tornará la disolución paulatinamente del color azul de estos iones cuando están hidratados:
Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e–
Sumando la ecuación de reducción de la plata con la de oxidación del cobre se obtiene la correspondiente reacción rédox (que es de las llamadas de desplazamiento):
2 Ag+(aq) + Cu(s) → 2 Ag(s) + Cu2+(aq)
El efecto que observaremos es que sobre el alambre de Cu se irán formando cristales de Ag.
Lo que tenemos es una pila electroquímica. El ánodo es el hilo de cobre, que suministra electrones debido a la reacción de oxidación. Estos electrones se extienden a las agujas de plata, especialmente a las puntas, por lo que hacia ellas migran nuevos iones de Ag+ de la disolución para reducirse y aumentar el tamaño de las hojas; el sistema Ag/Ag+ es el cátodo. Probablemente las agujas se forman perpendicularmente al alambre para que queden minimizadas las repulsiones eléctricas entre ellas.
Según la estequiometría de la reacción, cada átomo de Cu produciría dos átomos de Ag metálica. Sin embargo, mediciones detallados indican que no es así, que el número de átomos de Ag es de en torno a 0,85 por cada átomo de Cu. Esto demuestra que se producen reacciones secundarias, cuyo grado de importancia dependerá de las condiciones en que se realice el experimento. Principalmente, estas reacciones conducen a la formación de Cu2O. Se ha propuesto el siguiente mecanismo:
Cu2+ + Cu + H2O → Cu2O + 2 H+
Parte del óxido de cobre(I) generado, de color rojo, puede transformarse en óxido de cobre(II) (de color negro) por esta reacción:
Cu2O + 2 Ag2+ → CuO + Cu2+ + 2 Ag
Por estas razones veremos partículas rojizas y negras que aparecen en el transcurso del experimento.
Otros “arboles electroquímicos”
No solo la combinación de cobre y plata funciona para construir árboles electroquímicos. También da buen resultado la de plomo y zinc. Es el llamado árbol de Saturno que se observa en la figura. Se obtiene introduciendo zinc metálico (o una aleación que contenga zinc) en una disolución de acetato de plomo. El plomo se reduce, formando cristales, y el zinc se oxida.
Una alternativa más ecológica es sustituir los iones de plomo por iones de estaño.
Una versión híbrida del árbol de Marte y el de Diana se basa en introducir un alambre de hierro en una disolución de sulfato de cobre para que se produzca esta reacción:
CuSO4 + Fe → FeSO4 + Cu
Precauciones
El nitrato de plata y las sales de cobre son tóxicas. Utilícense guantes y deséchense los productos obtenidos adecuadamente.
Referencias
- J. Solá de los Santos et al. Árboles químicos I: el árbol de Diana (Arbor Dianae). Heurema. http://www.heurema.com/QG30N.htm.
- Diana’s Tree. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Diana%27s_Tree.
- Végétation métallique. Wikipedia. https://fr.wikipedia.org/wiki/V%C3%A9g%C3%A9tation_m%C3%A9tallique.
- W. R. Carmody y J. Wiersma. J. Chem. Educ., 1967, 44, 417. DOI: 10.1021/ed044p417.
- A. Guy. Displacement reaction of silver nitrate and copper metal. Education in Chemistry, 2008. https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/displacement-reaction-of-silver-nitrate-and-copper-metal/2020046.article.
J. Fletcher. Lead Tree. Instructables. http://www.instructables.com/id/Lead-Tree/.
Este experimento pertenece al libro:
Denís Paredes Roibás, José M.ª Gavira Vallejo: 125 experimentos de química insólita para la Enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/125eqi/ .
