Amoniakové svetlušky

Koncentrovaný amoniak z roztoku ľahko prchá, takže po miernom zahriatí je celá banka plná jeho pár zmiešaných so vzduchom. Kým v banke nie je nič iné, nedeje sa takmer nič – amoniak s kyslíkom za bežných podmienok reaguje len veľmi pomaly.

Všetko sa zmení, keď do banky nasypeme horúci oxid chromitý (Cr₂O₃). Na povrchu jeho zrniek sa amoniak začne rýchlo oxidovať na oxid dusnatý a vodu:

$$4\,\text{NH}_3(g) + 5\,\text{O}_2(g) \xrightarrow{\text{Cr}_2\text{O}_3} 4\,\text{NO}(g) + 6\,\text{H}_2\text{O}(g)$$

Reakcia je silno exotermická – uvoľňuje veľa tepla. Toto teplo zohrieva padajúce zrnká katalyzátora natoľko, že sa rozžeravia a zasvietia. Každá „svetluška“ je teda maličké zrnko oxidu chromitého, na ktorom práve prebieha reakcia.

Bezfarebný oxid dusnatý potom so vzdušným kyslíkom ďalej reaguje na oxid dusičitý, ktorý v banke vidno ako hrdzavohnedé pary:

$$2\,\text{NO}(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow 2\,\text{NO}_2(g)$$

Katalyzátor je látka, ktorá urýchľuje chemickú reakciu, ale sama sa pri nej nespotrebuje. Na konci pokusu je oxidu chromitého v banke rovnako veľa ako na začiatku.

Aby reakcia prebehla, musia sa častice zraziť s dostatočnou energiou – tzv. aktivačnou energiou. Katalyzátor ponúka reakcii „skratku“: iný priebeh s nižšou aktivačnou energiou. Viac zrážok je potom úspešných a reakcia sa zrýchli.

V našom pokuse ide o heterogénnu katalýzu – katalyzátor je pevná látka a reagujúce látky sú plyny. Prebieha v troch krokoch:

1. Molekuly amoniaku a kyslíka sa naviažu na povrch katalyzátora (adsorpcia).
2. Na povrchu sa väzby v molekulách oslabia a prebehne reakcia.
3. Produkty (NO a H₂O) sa z povrchu uvoľnia a miesto sa uvoľní pre ďalšie molekuly.

Preto záleží na veľkosti povrchu – jemný prášok s veľkým povrchom funguje lepšie ako jeden veľký kúsok. A preto musí byť katalyzátor horúci: studený oxid chromitý reakciu nenaštartuje.

Oxidácia amoniaku je redoxná reakcia – niektoré atómy odovzdávajú elektróny a iné ich prijímajú. Vidno to na oxidačných číslach:

Prvok	Pred reakciou	Po reakcii	Čo sa s ním deje
dusík (N)	−III v NH3	+II v NO, +IV v NO2	oxiduje sa (stráca elektróny)
kyslík (O)	0 v O2	−II v NO a H2O	redukuje sa (prijíma elektróny)

Amoniak je v tejto reakcii redukovadlo a kyslík oxidovadlo.