Denís Paredes Roibás / José M.ª Gavira Vallejo
Se llaman reacciones hipergólicas a aquellas en las que los reactivos se inflaman espontáneamente al entrar en contacto. Una reacción hipególica que se ha estudiado mucho y que se usa para propulsar cohetes es la de la hidrazina (N2H4) con el tetróxido de dinitrógeno (N2O4). Sus ventajas son que no necesita sistema de encendido ni oxígeno (a diferencia de la también mezcla hipergólica de oxígeno e hidrógeno líquidos), por lo que puede tener lugar en el vacío espacial. En la reacción entre ambos compuestos, la hidracina es el combustible y el tetróxido de dinitrógeno es el comburente.
El experimento
El experimento debería realizarse solo por personas con experiencia y siempre a muy pequeña escala.
En campana extractora y con la protección de una pantalla se coloca un tubo de ensayo en el interior de un vaso de precipitados con hielo. Se introduce poco a poco en el tubo gas NO2 (de color pardo-rojizo) procedente de una botella comercial. Como el tubo de ensayo está introducido en hielo, el gas se condensará en la parte inferior del tubo. Solo es necesario tener una muy pequeña cantidad de este líquido. A continuación, con la ayuda de una pipeta Pasteur se añade una sola gota de N,N-dimetilhidrazina. Esta, al entrar en contacto con el NO2 licuado reaccionará instantáneamente produciendo una llamarada.
Explicación
Es lógico esperar tan fuerte reactividad debido a que en la dimetilhidrazina el nitrógeno tiene estado de oxidación –2, pero en el NO2 es +4. Son estados de oxidación relativamente extremos. De la misma manera que un péndulo que se desplaza de su posición de equilibrio tiende a volver a ella, los elementos con estado de oxidación extremos tienden a rebajarlo.
La razón de que se use hielo para enfriar es que el NO2 es gas a temperatura ambiente, pero líquido a 0 oC. Además, a esta temperatura el NO2 (gas rojizo) se dimeriza en buena parte para producir N2O4 (gas incoloro en el que el N sigue teniendo estado de oxidación +4) según el siguiente equilibrio:
N2O4 ⇌ 2 NO2
La reacción entre la dimetilhidrazina y el N2O4 es muy compleja. Cundo reaccionan sin ignición a –20 oC en disolución de CCl4 producen metilamina, dimetilamina, metanol, dimetilnitrosamina, dimetilformamida, formamida, nitrógeno, agua, nitrato de dimetilhidrazinio y óxidos de carbono y nitrógeno disueltos, según ha revelado un estudio espectroscópico.
Cuando hay ignición, si se emplea hidrazina (N2H4) en vez de 1,1-dimetilhidrazina la reacción propuesta es:
2 N2H4(l) + N2O4(l) ⟶ 4 H2O(g) + 3 N2(g)
Si se emplea 1,1-dimetilhidrazina la reacción principal podría ser:
(CH3)2N–NH2(l) + 2 N2O4(l) ⟶ 3 N2(g) + 2 CO2(g) + 4 H2O(g)
si bien se podrían formar otros productos adicionales como, quizá, etano.
Estas reacciones son muy exotérmicas (ΔH < 0), pero, además, hay un efecto que las hace aún más espontáneas: se produce un gran aumento de la entropía (ΔS > 0), dado que se forman muchos moles de gases a partir de líquidos, con el consiguiente aumento del “desorden”. Como ΔG = ΔH – T ΔS, el valor de ΔG será muy negativo y la reacción será muy espontánea. Por otro lado, el hecho de que surja un volumen de gases tan grande y a tan alta temperatura explica que la reacción sea explosiva.
Este tipo de reacciones son cinéticamente muy favorables porque la energía de activación es muy baja y eso facilita que buena parte de los encuentros entre las moléculas sean reactivos.
Precauciones
Este experimento es peligroso, por lo que se desaconseja llevarlo a cabo si no es por personal cualificado y manteniendo todas las medidas de seguridad como el uso de una campana extractora y una pantalla de seguridad. Es preferible verlo en vídeos.
La dimetilhidrazina es tóxica y carcinogénica y tiende a oxidarse violentamente con algunos compuestos inorgánicos.
Bibliografía
- M. A. Saad et al. Analysis of Reaction Products of Nitrogen Tetroxide with Hydrazines under Nonignition Conditions, DOI: 10.2514/3.50297.
- Hypergolic propellant. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Hypergolic_propellant.
- L. Larosiliere et al. Hypergolic bipropellant spray combustion and flow modelling in rocket engines. 26th Joint Propulsion Conference, Joint Propulsion Conferences, 1990. DOI: 10.2514/6.1990-2238.
Imagen de cabecera: The Royal Institution 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/ .
