Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Este experimento consiste en una catálisis heterogénea. Los catalizadores heterogéneos se usan mucho en la industria porque son estables a altas temperaturas, lo que permite una amplia gama de condiciones de operación. Un beneficio adicional es que no suele ser necesaria una etapa de separación del catalizador y los productos, ya que típicamente los reactivos gaseosos entran por el extremo de un reactor tubular, pasan sobre el catalizador y los productos salen por el otro extremo. Los convertidores catalíticos de los gases de escape de los automóviles se basan en dicho diseño.
El experimento
Para realizar este experimento se necesitan 20 cm de alambre de platino, unos 50 mL de peróxido de hidrógeno del 6 % (20 vol), óxido de manganeso(IV) en polvo, 100 mL de disolución concentrada de amoniaco, un tubo de conexión, dos erlenmeyers de 250 mL con tapones perforados (estos pueden ser piezas de madera), un mechero Bunsen y una varilla de vidrio de 10 cm.
El montaje para realizar el experimento es este:
Se empieza enrollando el cable de platino alrededor de un lápiz para formar una espiral. Se preparan dos erlenmeyers de 250 mL con tapas o tapones perforados por los que se hará pasar un tubo de conexión como se muestra en la imagen.
A uno de ellos se le añade óxido de manganeso(IV). En el otro erlenmeyer se agregan 100 mL de disolución concentrada de NH3 y se le pone una tapa que tendrá dos agujeros: uno para meter un tubo y otro para introducir una varilla de la que colgará el alambre de platino. Esta tapa no debe ser hermética, ya que ha de permitir que salgan los gases que se acumulan. Como uno de estos es amoniaco, el experimento debe hacerse en campana extractora.
Se añade poco a poco el peróxido de hidrógeno al erlenmeyer que contiene óxido de manganeso(IV) y se tapa. Se producirá oxígeno que llegará por el tubo de conexión al matraz donde está la disolución de amoniaco de manera que el oxígeno burbujee dentro de esta.
Se calienta el platino en un mechero Bunsen hasta el rojo vivo y se introduce en el erlemnmeyer que contiene al amoniaco. Debe quedar colgado de alguna manera, sin tocar el líquido. El alambre brillará al rojo vivo.
Sustitutivos
Se pueden usar otros metales como catalizadores, como cobre, nicromo (80 % de níquel y 20% de cromo), hierro o constantán (55 % de cobre, 44 % de níquel y 1 % de manganeso), aunque los efectos no serán tan vistosos.
Si no se dispone de peróxido de hidrógeno del 6 % (20 vol) podría utilizarse agua oxigenada sanitaria; y si se carece de óxido de manganeso(IV) en polvo puede probarse con carbón activado. Una solución más drástica es prescindir del matraz generador de O2 y realizar el experimento con aire, agitando ligeramente para facilitar la admisión de aire.
Explicación
El amoniaco es susceptible de entrar en combustión con el oxígeno según esta reacción:
4NH3(g) + 3O2(g) → 2 N2(g) + 6 H2O(g)
pero también puede reaccionar de este otro modo:
4 NH3(g) + 5 O2(g) → 4 NO(g) + 6 H2O(g)
La segunda reacción se ve muy favorecida si en el sistema reactivo se introduce un catalizador de platino muy caliente. En tales condiciones la primera reacción prácticamente no sucede.
El radio atómico del platino es 139·10–12 m, que es similar a las longitudes de enlace de los gases reactivos, amoniaco y oxígeno (por ejemplo, la longitud del enlace O=O es 121·10 –12 m). Las moléculas gaseosas se colocan sobre los átomos metálicos gracias a las fuerzas de van der Waals. La función del catalizador es disminuir la energía de activación proporcionando una ruta de reacción favorable. Como todo catalizador, no se agota en la reacción. Los productos se desorben del catalizador enseguida. La reacción es muy exotérmica (–909 kJ/mol), razón por la que, si el alambre de platino inicialmente se ha calentado al rojo, se mantiene así, brillando intensamente.
El NO obtenido reaccionará con más O2 para producir NO2, gas de color pardo que podrá verse dentro del erlenmeyer. Este gas reaccionará con el agua para generar ácidos nitroso y nítrico:
2 NO2(g) + H2O(g) → HNO2(aq) + HNO3(aq)
Estos ácidos formarán las correspondientes sales amónicas con el amoniaco disuelto, las cuales formarán vapores blancos que también podrán verse dentro del matraz.
Seguridad
El experimento debe realizarse en una campana extractora porque escaparán gases tóxicos (NO, NH3, NO2) y nubes de sales amónicas.
El óxido de manganeso(IV) es nocivo. Si el flujo de oxígeno es demasiado grande podrían producirse pequeñas explosiones (no peligrosas).
Bibliografía
- A. Guy. Platinum-catalysed oxidation of ammonia. Education in Chemistry, 2018. https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/platinum-catalysed-oxidation-of-ammonia/2020066.article.
- T. Lister (compilador). Chemical Demonstrations Booklet. Royal Society of Chemistry, 1995, “Demonstration 100 – The oxidation of ammonia”, pp. 282-284.
Imagen de cabecera: wwwperiodictableru 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/ .
