448. Un chorro de agua impulsado por el amoniaco

Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo

Los gases tienen muy variada solubilidad en agua. Por ejemplo, el oxígeno la tiene bajísima, pero la del amoniaco es del orden de 10000 veces mayor (la relación exacta depende de la temperatura). El NH₃ se considera el gas más soluble en agua; el objetivo de este experimento, que se conoce como la fuente de amoniaco, es demostrar su elevada solubilidad.

Se pueden ilustrar con este experimento muchos conceptos químicos como la presión de los gases, el carácter básico del amoniaco, la menor densidad del amoniaco que la del aire, lo que lo hace subir, el carácter exotérmico de la disolución del amoniaco en agua, el uso de la fenolftaleína y otros indicadores ácido-base, la dependencia de la solubilidad de los gases con la temperatura o la síntesis del amoniaco, incluyendo el concepto de deshidratación.

El experimento

El experimento consiste en conectar mediante un tubo un recipiente que contiene agua con otro lleno de amoniaco gaseoso, como se muestra en la imagen. El del amoniaco se coloca en un nivel superior al del que contiene agua. El recipiente que contiene agua deberá tener al menos el mismo volumen que el del amoniaco por si prácticamente toda el agua es aspirada (los recipientes pueden tener del orden de 1 L de capacidad).

Parte del amoniaco gaseoso pasará por el tubo y se disolverá en el agua. Esto hará que disminuya la presión en el recipiente que contiene amoniaco y que, en consecuencia, el agua sea succionada, creándose el efecto de una fuente.

Para acelerar el inicio se puede inyectar agua en el NH₃ con una jeringa; otra opción es enfriar el matraz de amoniaco con nitrógeno líquido u por otro procedimiento para que baje su temperatura considerablemente y, por tanto, su presión. Una tercera es calentar ligeramente el matraz –puede ser incluso con las manos–; cuando se deje enfriar bajará la presión y subirá el agua.

Obtención del amoniaco

El amoniaco hay que introducirlo en un matraz perfectamente seco. El gas se puede obtener a partir de 100 mL de amoniaco concentrado que se ponen en un erlenmeyer de 500 mL con un tapón en el que se inserta un tubo que se hace llegar al matraz donde se va a ir acumulando NH₃ gaseoso gracias a que es menos denso que el aire. Para facilitar que el amoniaco gaseoso se desprenda de su disolución concentrada se calienta el erlenmeyer con un mechero Bunsen.

Otra posibilidad es sintetizar el amoniaco. Para ello se puede calentar en campana extractora una mezcla de cloruro de amonio e hidróxido de calcio contenida en un tubo de ensayo. Hay que tener cuidado porque los dos sólidos comenzarán a reaccionar inmediatamente generando amoniaco según esta ecuación:

NH₄Cl(s)  +  Ca(OH)₂(s) ⟶  NH₃(g)  +  CaCl₂(s)  +  H₂O(g)

Para favorecer la reacción se puede calentar la mezcla con un mechero Bunsen. Los gases que se despenden se hacen pasar por un recipiente que contenga óxido de calcio para retener el vapor de agua (CaO + H₂O ⟶ Ca(OH)₂) y se recoge el amoniaco seco en un matraz invertido, como lo ilustra el siguiente esquema:

Por cierto, cuando termine la reacción (durará algunos minutos, dependiendo del tamaño del matraz y del caudal del chorro) quedará algo de gas en el matraz. Este gas básicamente será aire; su volumen será una medida de hasta qué punto el matraz se llenó de amoniaco al principio.

Por otra parte, se puede hacer el experimento con agua caliente y con agua fría para intentar comprobar que los gases se disuelven mejor en frío.

Mejoras

Se le puede agregar un colorante al agua para que el efecto de la fuente sea más visible. O, mejor aún, se le puede agregar fenolftaleína para detectar el aumento del pH en las zonas en las que el amoniaco va entrando en contacto en el agua. También puede añadirse un poco de ácido diluido para que inicialmente se vea el color correspondiente al ácido en el caso de emplear un indicador que presente color (diferente) tanto en medio ácido como en medio básico. (Si se echa demasiado ácido, el efecto también será interesante, pues este ácido podría neutralizar al amoniaco del matraz, viéndose cambios de color en el matraz a los que será didácticamente útil buscarles explicación).

Se pueden provocar efectos fluorescentes, ya sea añadiendo al agua un compuesto luminiscente para ver la fuente con la iluminación de una lámpara UV, o bien poniendo abajo dos recipientes (no uno solo) que contengan sendas disoluciones de tal manera que la mezcla de ellas produzca quimioluminiscencia. La disolución A se puede preparar disolviendo 4,0 g de carbonato de sodio en 500 mL de agua destilada, añadiendo 0,2 g de luminol y agitando hasta disolver. Después se añaden 24,0 g de bicarbonato de sodio, 0,5 g de carbonato de amonio y 0,4 g de sulfato de cobre(II), agitando hasta disolver. La disolución B se prepararía diluyendo 50 mL de agua oxigenada al 3 % en un litro de agua destilada.

El aparato se monta como se muestra en la figura. Para iniciar la reacción basta presionar la pipeta Pasteur (o una jeringa) para introducir un poco de agua en el matraz del amoniaco. Después, los líquidos de los disolventes A y B pasarán solos por presión. La fuente será quimioluminiscente debido a la reacción entre las disoluciones A y B. Se verá mejor con las luces de la habitación apagadas. La presencia del amoniaco no afectará a la quimioluminiscencia del luminol; de hecho, se requieren condiciones básicas (aunque la disolución A, de pH aprox. 9, ya las proporciona).

Alternativas

Una alternativa al uso de amoniaco sería emplear como gas vapor de agua; en este caso la fuente se activaría enfriando este vapor para licuarlo y reducir así la presión en el matraz. Se puede enfriar con esponjas mojadas en agua helada o, más efectivamente, vertiendo sobre el matraz superior nitrógeno líquido.

Fundamentos

Como se dijo al principio, el experimento se basa en la gran solubilidad de este gas en agua: 1 mL de agua disuelve al menos 700 mL de gas amoniaco en las condiciones normales de laboratorio (la concentración máxima del amoniaco en agua a 25 ^oC es del 31 %). La razón es que el amoniaco tiene gran afinidad por el agua, con la que puede formar enlaces de hidrógeno. Pero, además, una pequeña parte del amoniaco disuelto reacciona químicamente con el agua según este equilibrio ácido-base:

NH₃(aq)  +   H₂O(l)  ⇌   NH₄⁺(aq)  +  OH^–(aq)

La disolución del amoniaco en agua es exotérmica, y de ello es responsable en parte la formación de enlaces de hidrógeno. La formación de enlaces de hidrógeno tiende a liberar energía. Aunque en el proceso de disolución se romperán enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua, esta pérdida se compensará con la formación de enlaces de hidrógeno entre el agua y al amoniaco.

La clave del experimento está en las diferencias de presión. La presión del amoniaco en el recipiente que lo contiene puede hacerse que disminuya por dos medios. Uno es bajar su temperatura. Otro es disolver el amoniaco en agua, ya que de esta manera se está “eliminando” amoniaco gaseoso del matraz. En ambos casos, al hacerse la presión en el recipiente del amoniaco menor que la que soporta el agua en el recipiente inferior (que es la atmosférica), el agua subirá. Esto puede entenderse desde dos puntos de vista: uno es que el recipiente superior succiona agua por ser la presión atmosférica mayor que la del recipiente superior; otro es que la atmósfera presiona al agua del recipiente inferior.

Seguridad

Deben usarse gafas de protección y guantes y trabajar en vitrina de gases. El amoniaco es tóxico y sumamente irritante si se respira el gas que emite una disolución concentrada.

Referencias

• N. C. Thomas. A chemiluminescent ammonia fountain. J. Chem. Educ. 1990, 67, 339. DOI: 10.1021/ed067p339.
• M. D. Alexander y D. T. Haworth. The Ammonia Smoke Fountain: An Interesting Thermodynamic Adventure. J. Chem. Educ. 1999, 76, 210. DOI: 10.1021/ed076p210.
• Ammonia fountain experiment. Education (Royal Society of Chemistry / Nuffield Foundation). 2016. https://edu.rsc.org/experiments/ammonia-fountain-demonstration/979.article.
• A. Guy. The ammonia fountain. Education in Chemistry, 2010.  https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/the-ammonia-fountain/2020071.article.

Imagen de cabecera: North Carolina School of Science and Mathematics en YouTube.

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/ .