Cr2O3 + NH3 “Frasco con chispas”

 

 

Las demostraciones usuales de la oxidación catalítica de amoníaco implican el uso de platino precalentado o bobinas de cobre [1,2] .  Varios óxidos de metal de transición pueden ser usados como catalizadores de la oxidación del amoníaco, pero el óxido de cromo (III), Cr2O3, permite mostrar esta reacción en una forma realmente espectacular, generando destellos en un frasco de gas amoníaco.  han sido publicadas varias demostraciones de conferencia de la catálisis del Cr2O3 incluyendo la oxidación del amoníaco, pero nosotros lo hemos mejorado con un efecto verdaderamente dramático.  El experimento descrito más abajo es relativamente simple y recientemente publicamos una descripción completa  en Journal of Chemical Education [4].

 

La forma de óxido de cromo (III) más conveniente para esta catálisis se prepara por descomposición termal del bicromato de amonio, ver experimento 13 “volcan.  Este proceso produce un catalizador activo con partículas pequeñas.  El reactivo Cr2O3 comercialmente disponible no sirve para este experimento en particular.  Una vez que se prepara del bicromato, el catalizador puede guardarse por mucho tiempo sin perder su actividad.

 

El mecanismo de la reacción es muy complicado.  Cuando el experimento es efectuado en un recipiente abierto, la mayor parte del amoníaco es oxidado a nitrógeno:

 

4 NH3 + 2 O2 = 2 N2 + 6 H2O                                     (14.1)

 

Ningún dióxido de nitrógeno se forma en este caso. Probamos soluciones después de varios experimentos y fuimos incapaces de detectar la presencia de iones nitrato.  Sin embargo, cuando el mismo experimento se repite en un sistema cerrado (como el descrito mas adelante y mostrado en la cinta) la oxidación, sorprendentemente, va más allá, formando óxido de nitrógeno (II), el cuál da NO2 café y finalmente produce nitrato de amonio:

 

4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O                                                   (14.2)

2 NO + O2  = 2 NO2                                                (14.3)

4 NO + 4 NH3 + 3 O2 + 2 H2O = 4 NH4NO3                             (14.4)

 

La razón para tal diferencia en el resultado de la reacción no esta clara.  La ausencia de nitrato en el anterior caso puede ser debida a la reacción entre NH3 y NO para formar N2, N2O y H2O, catalizada por óxido de cromo (III) [7,8], pero esto no explica porque se forma el nitrato en el sistema cerrado.  Una investigación detallada de esta reacción aparentemente simple puede ser un tema para un proyecto estudiantil.

 

Preparación

La demostración de la oxidación catalítica del NH3 es más conveniente realizarla en un cuarto oscuro.  El efecto es claramente visible aun en un cuarto grande, pero un proyector de vídeo (si disponible) puede ser usado.  La capacidad y forma del recipiente en el cual la reacción es mostrada no tiene importancia pues el experimento marcha tan bien en un matraz cónico de litro como en una garrafa de 20 l.  Para nuestras demostraciones usamos un  frasco redondo de 20 l de boca ancha.  Se añaden aproximadamente 40 - 50 ml de amoníaco concentrado (35 % (0.880 g cm-3) de amoníaco o más alto), y se tapa (nosotros usamos una tapa de estaño) y se agita para mezclar el amoníaco con el aire del frasco.

 

Demostración

El óxido crómico se coloca dentro de un crisol de acero que ha sido soldado con plata a un tubo de acero.  En el otro extremo se coloca un disco corredizo de metal que tapa el frasco y situa el crisol don el oxido crómico en el fondo del recipiente.  El crisol se calienta al rojo débil y se introduce en el frasco. Mediante una pera conectada a un tubo de goma se insufla aire cerca del crisol y ... empieza el espectáculo.  El calor de la reacción de oxidación en la superficie de las partículas crómicas mantienen las partículas al rojo brillante.  Las particulas de catalizador flotan por el recipiente y el agua se condensa en las paredes.  Mas insufladas con la pera lanzan mas particulas de oxido hacia los vapores de amoníaco y permiten que la reacción siga. Eventualmente el frasco se llena de dióxido de nitrógeno marrón.  Idealmente la demostración entera debe ser realizada en una campana o al lado de una fuente de ventilación.  De cualquier forma, si el óxido de cromo (III) usado es preparado por adelantado, hay muy poco polvo de partículas de Cr2O3 en la demostración misma y la fuente principal de irritación es simplemente el olor a amoníaco.

           

El experimento puede ser realizado en una forma ligeramente más simple usando un frasco cerrado ordinario conteniendo solución concentrada de amoníaco.  El óxido de cromo es calentado con una cuchara en una llama Bunsen hasta que comience a resplandecer al rojo, se quita el tapón y el catalizador se deposita en el recipiente.  Una fuente de chispas rojas es inmediatamente producida, saliendo incluso por el cuello del frasco (cuidado!).  Es recomendable colocar el tapón para atrapar las partículas ardientes y el olor de amoníaco.  El resto de partículas del catalizador permanecen suspendidas en el frasco, brillando de color amarillo y rojo, permaneciendo calientes durante un minuto.  Adicionando catalizador, la reacción puede ser repetida varias veces.  Al final de varias adiciones el frasco esta lleno de una nube blanca de vapor de agua.

            Hemos usado este experimento exitosamente en varias “ funciones mágicas ” químicas públicas.  Marcha especialmente bien cuando se realiza una secuencia de reacciones.  Primero, el catalizador se prepara con el experimento  “ volcán ”, y luego se usa para la oxidación delamoníaco (“frasco de chispas”).  Finalmente, el resto de óxido de cromo (III) puede usarse para demostrar la reacción de la termita 6 .

 

Seguridad

Debe recordarse que el cromo (VI)  y el óxido de cromo (III) son irritantes para la piel y los ojos y especialmente el tracto respiratorio si es inspirado [9] .  Además los compuestos de cromo VI, incluido el (NH4)2Cr2O7, son sospechosos de ser agentes cancerígenos, el riesgo esta relacionado con el tiempo de exposición.  guantes y gafas de seguridad deben ser usados al manipular (NH4)2Cr2O7 y Cr2O3.  El experimento “ volcán ” debe ser realizado en un área bien ventilada.  Alternativamente, si debe hacerse en una mesa de laboratorio, esta reacción puede ser realizada dentro de un vaso de laboratorio grande cubierto con tela metálica fina.

 

Referencias

1.    G. Fowles, Lecture Demonstrations in Chemistry, 3rd ed., G. Bell & Sons Ltd, London, 1947, pp 175-180.

2.    Tested Demonstrations in Chemistry and Selected Demonstrations from the Journal of Chemical Education; G.L. Gilbert, Ed., Vol. 1, Denison University, Granville, OH, 1994, p I-35.

3.    T.S. Briggs, J. Chem. Educ. 1970, 47, A206.

4.    V.A. Volkovich and T.R. Griffiths, “Catalytic oxidation of ammonia: A sparkling experiment”, J. Chem. Educ., 2000, 77, 177.

5.    B.Z. Shakhashiri, Chemical Demonstrations, a Handbook for Teachers of Chemistry, Vol. 1, The University of Wisconsin Press, Madison, 1986, pp 81-82.

6.    Ref. 2, p H-9.

7.    H. Niiyama, K. Murata, H.V. Can, and E. Echigoya, J. Catal., 1980, 63, 1-10.

8.    H.E. Curry-Hyde, H. Musch, A. Baiker, M. Schraml-Marth, and A. Wokaun, J. Catal., 1992, 133, 397-414.

9.    G.D. Muir (ed.), Hazards in the Chemical Laboratory, The Chemical Society, London, 1997, p 199.