Llama (química)

Cuando se produce la combustión de un inflamable en una atmósfera rica en oxígeno, se observa una emisión de luz, que puede llegar a ser intensa, denominada llama (más culto, aunque anglicismo proveniente del latín, flama). Todas las reacciones de combustión son muy exotérmicas y desprenden gran cantidad de energía en forma de calor. La llama es provocada por la emisión de energía de los átomos de algunas partículas que se encuentran en los gases de la combustión, al ser excitados por el intenso calor generado en este tipo de reacciones.

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La incandescencia de las velas proviene de la presencia de partículas sólidas en la parte luminosa y caliente de la llama. Estas partículas, que son fundamentalmente carbono elemental, se pueden depositar en la hoja de una espátula colocándola directamente en la flama.

La cera de la vela está compuesta, esencialmente, por hidrocarburos de masa molar elevada. El calor de la llama de la vela funde la cera, quedando el pabilo (mecha que está en el centro de la vela) sumergido en ella. El calor adicional evapora la cera del pabilo. Algo de vapor de la cera se quema formando dióxido de carbono CO₂ y agua, otra parte se convierte en hidrocarburos de menor masa molecular, fragmentos de moléculas y carbono. Eventualmente, algunos de estos intermediarios también se transforman en dióxido de carbono y agua en el proceso de combustión.

En los laboratorios de química se usan frecuentemente los llamados mecheros bunsen, cuyo nombre es debido al químico alemán Robert Wilhem Bunsen. En este tipo de aparatos, el gas utilizado puede ser metano, propano o butano. Si el abastecimiento de gas es constante, la temperatura de la llama depende de la cantidad de aire premezclado con el gas comburente antes de la combustión.

Cuando la válvula de entrada de aire de la parte inferior del mechero está cerrada, la llama presenta una coloración amarillenta, lo cual indica que el proceso de combustión es incompleto (esto quiere decir que no todo el metano que se introduce en el mechero se convierte en dióxido ce carbono y agua, parte se transforma en carbono elemental como en el caso de la vela).

Cuando la válvula de entrada de aire está abierta por completo, el metano gaseoso se transforma, en gran medida, en dióxido de carbono y agua:

CH₄(g) + 2O₂(g) = CO₂(g) + 2H₂O(l)

En este proceso se libera más calor que en el caso anterior, por lo que la temperatura de la llama aumenta y el color cambia de amarillo a azul. El gas de uso doméstico (metano, propano, butano) que se utiliza para cocinar es usualmente premezclado con aire para hacer que la flama azul (se trata de asegurar la combustión completa del gas introducido en los quemadores).

Se puede obtener una combustión aún más completa del metano premezclándolo con oxígeno gaseoso puro en lugar de aire.

En el laboratorio se utiliza, cuando se trabaja con vidrio, un soplete de oxígeno/metano para el soplado del vidrio científico. Su flama es lo suficientemente caliente como para fundir el cuarzo (el punto de fusión del cuarzo es de unos 1.600 ºC).

En la industria se necesitan flamas de mayor temperatura para cortar y soldar metales. El soplete oxhídrico (oxígeno/hidrógeno) premezcla los gases hidrógeno y oxígeno antes de la combustión.

2H₂(g) + O₂(g) = 2H₂(l)

Mediante el proceso anterior se llegan a alcanzar temperaturas de flama de unos 2.500 ºC.

La reacción entre el acetileno (etino según la IUPAC) y el oxígeno es aún más exotérmica:

C₂H₂(g) + 5O₂(g) = 4CO₂(g) + 2H₂(l)

El soplete de oxiacetileno, basado en esta reacción tiene una llama cuya temperatura es mayor de 3.000 ºC. Dicho soplete se usa con frecuencia para soldar las vigas de acero que se usan en las estructuras de edificios de gran altura como los rascacielos.

Ensayo a la llama

El ensayo a la llama es un método de análisis cualitativo muy usado para identificar la presencia de un elemento químico determinado en una muestra. Para llevarlo a cabo hay que disponer de un mechero de gas. Usualmente un mechero Bunsen, ya que la temperatura de la llama es lo suficientemente elevada como para llevar a cabo la experiencia (no sirve un mechero de mecha con depósito de alcohol). Primero se ha de ajustar la temperatura de la llama del mechero Bunsen hasta que deje de ser amarillenta y presente una tonalidad azulada en el cuerpo de la llama y una envolvente incolora. Después se impregna la punta de una varilla limpia de platino o de nicromo (una aleación de níquel y cromo), o en su defecto de vidrio, de una pequeña cantidad de la sustancia que se desea analizar y, seguidamente, se introduce la varilla en la llama, procurando ubicar la punta en la parte menos coloreada de la llama.

A nivel microscópico, la interpretación de los sucesos es la siguiente: la energía, en forma de calor, suministrada por la llama excita fuertemente a los átomos que componen la muestra. Los electrones de estos saltarán a niveles superiores desde los niveles inferiores e, inmediatamente (el tiempo de que puede estar un electrón en niveles superiores es del orden de los nanosegundos), emitirán energía en todas direcciones en forma de radiación electromagnética, (luz) de frecuencias características. Es lo que se denomina un espectro de emisión atómica.

A nivel macroscópico se observa que la muestra, al ser calentada en el seno de la llama, proporcionará un color característico a esta. Por ejemplo, si se impregna la punta de una varilla con una gota de disolución de Ca²⁺, (la notación anterior indica que se trata del ion calcio, es decir, el átomo de calcio que ha perdido dos electrones), el color observado es rojo ladrillo.