amoníaco

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El amoníaco es un gas corrosivo que en casa huele a 'amoníaco'. En el espacio se forman moléculas complejas a partir de él, y en la Tierra es necesario para los fertilizantes. Su molécula es como una pirámide de nitrógeno con tres hidrógenos encima.

History

El amoníaco puro fue obtenido por Joseph Priestley en 1774, y su composición fue descifrada por Claude Berthollet en 1785. En astronomía se detectó por primera vez en 1968 en el medio interestelar mediante emisión de radio a una longitud de onda de 1.3 cm.

How it works

La molécula de amoníaco es una pirámide triangular. El nitrógeno está en el vértice y los tres hidrógenos en la base. Esta forma hace que la molécula se 'invierta' ligeramente, emitiendo ondas de radio a una frecuencia determinada, precisamente por estas 'inversiones' los astrónomos encuentran amoníaco en el espacio.

💡 En las nubes de Júpiter, el amoníaco crea las bandas marrones y blancas.

El amoníaco (NH₃) es un compuesto inorgánico, gas incoloro de olor característico y acre. La molécula tiene una estructura piramidal (grupo puntual C₃v), el átomo de nitrógeno está en hibridación sp³, y uno de los orbitales híbridos está ocupado por un par de electrones no enlazantes. El amoníaco líquido es un buen disolvente ionizante. En el espacio, el amoníaco es un componente importante del hielo y el gas interestelar, participa en la síntesis de aminoácidos y otras moléculas prebióticas. Se observa en nubes moleculares, cometas y atmósferas de planetas gigantes. En la industria se sintetiza mediante el proceso Haber-Bosch a alta presión y temperatura.

History

Aunque el amoníaco era conocido por los antiguos egipcios en forma de sal amoniacal (NH₄Cl) obtenida del estiércol de camello, el amoníaco gaseoso fue aislado por primera vez por Joseph Priestley en 1774, quien lo llamó 'aire alcalino'. Su composición fue determinada por Claude Berthollet en 1785. En astrofísica, la primera detección fiable de amoníaco interestelar fue realizada en 1968 por el grupo de Cheung y Welch mediante la transición de inversión a una frecuencia de 23.7 GHz en dirección al centro galáctico. Este descubrimiento confirmó la existencia de nubes moleculares densas. Los parámetros espectroscópicos del amoníaco se refinaron posteriormente en experimentos de laboratorio.

How it works

El amoníaco muestra un efecto cuántico de inversión: el efecto túnel del átomo de nitrógeno a través del plano de los tres hidrógenos. La curva de potencial de la molécula tiene dos mínimos, separados por una barrera de ~2020 cm⁻¹. La frecuencia de desdoblamiento por efecto túnel del estado vibracional fundamental es de 23.7 GHz (1.26 cm), lo que se utiliza en observaciones astronómicas. Las transiciones de inversión son sensibles a la temperatura y densidad del gas, lo que convierte al amoníaco en un termómetro para nubes moleculares. En el medio interestelar, el amoníaco se forma principalmente en la superficie de los granos de polvo mediante hidrogenación secuencial del nitrógeno. En las atmósferas planetarias participa en ciclos, formando nubes (en Júpiter y Saturno) y contribuyendo a la coloración. Los modos de deformación simétrica y asimétrica se encuentran en la región infrarroja (950–1100 cm⁻¹). Para la astrofísica son importantes las transiciones rotacionales e inversión-rotacionales en el rango de microondas. Espectroscópicamente, el amoníaco se describe mediante los números cuánticos J, K, donde K es la proyección del momento angular sobre el eje de simetría.

\Delta E_{inv} = h \nu_{inv}

ΔE_inv — diferencia de energía entre los dos niveles inferiores de inversión, h — constante de Planck (h ≈ 6,626×10⁻³⁴ J·s), ν_inv — frecuencia de la transición de inversión (ν_inv ≈ 23,7 GHz para el estado fundamental)

\nu_{J \to J-1} = 2B J

ν — frecuencia de transición, B — constante rotacional (B = h/(8π²I) para el NH₃), J — número cuántico rotacional del nivel superior; I — momento de inercia de la molécula respecto al eje perpendicular al eje de simetría

X(NH_3) = \frac{N(NH_3)}{N(H_2)}

X(NH₃) — contenido relativo de amoníaco, N(NH₃) — densidad columnar de moléculas de NH₃, N(H₂) — densidad columnar de moléculas de hidrógeno

Open problems & fun facts

Formación de amoníaco en el medio interestelar difuso (las reacciones en fase gaseosa son demasiado lentas); Papel del amoníaco en la química prebiótica como fuente de nitrógeno; Espectroscopia detallada de estados altamente excitados para atmósferas de exoplanetas

💡 El amoníaco es uno de los pocos compuestos cuyo emisión máser en el espacio es más potente que la del agua.

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