Respuestas sorprendentes a preguntas cotidianas
16. ¿Por qué el fuego no tiene sombra? ¿De qué están hechas las llamas?
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CAPÍTULO
16
¿Por qué el fuego no tiene sombra? ¿De qué están hechas las llamas?
Parece que el consenso actual es que los seres humanos empezamos a utilizar el fuego hace alrededor de 500.000 años, pero existen indicios de que su uso se podría remontar a épocas muy anteriores. Por ejemplo, se han encontrado unas capas de ceniza bajo el suelo de la cueva de Yuanmou, en China, que, de ser los restos de hogueras producidas de forma deliberada, indicarían que algunos de nuestros antepasados ya controlaban el fuego hace 1,7 millones de años.1
Sea como sea, no hay duda de que el fuego es uno de los descubrimientos más top de la humanidad: nos daba calor cuando hacía frío, nos proporcionaba luz cuando estaba oscuro, cocinaba nuestros alimentos cuando estaban crudos y nos ayudó a sustituir la piedra de nuestras herramientas primitivas por el metal. Ahora bien, un dato que me ha sorprendido bastante mientras leía sobre este tema es que los seres humanos no somos los únicos animales del planeta que utilizan el fuego en su beneficio, ya que, en Australia, existen varias especies de aves de presa a las que se ha observado recogiendo ramas encendidas durante los incendios y lanzándolas sobre las zonas que aún no han sido afectadas por el fuego.2
Este dato me hubiera sorprendido más si no me hubieras dicho que esto pasa en Australia. Pero ¿qué clase de proceso evolutivo absurdo acaba propiciando la aparición de pájaros pirómanos?
Pues no es absurdo en absoluto, porque esta estrategia les permite cazar con facilidad los animales que huyen despavoridos del fuego.
O sea, que llevamos siglos llamando «llamas» a los animales equivocados...
Esa no era la conclusión a la que quería llegar, voz cursiva, pero te la compro. En cualquier caso, una de las muchas cosas que nos diferencian de estos pájaros es que ellos probablemente no llevan miles de años preguntándose qué diablos son esas masas luminosas y anaranjadas que bailan ante sus ojos mientras lo reducen todo a cenizas, y no se han molestado en intentar encontrar una respuesta a esta cuestión... Un misterio que los seres humanos sí hemos logrado descifrar.
Me explico.
En el primer capítulo he comentado que la materia pasa de estado sólido a líquido o gaseoso a medida que la temperatura aumenta, y que lo que diferencia a uno de otro es la libertad de movimiento que tienen las partículas. Los átomos de un sólido están firmemente anclados en su sitio, los de un líquido conservan cierta cohesión pese a estar desparramados y los de un gas se mueven tan deprisa y chocan con tanta fuerza que se mantienen desperdigados por el espacio sin ningún orden. Pues bien, resulta que existe otro estado de la materia que no estamos acostumbrados a ver en nuestro día a día porque solo se suele manifestar cuando un gas se calienta muchísimo: el plasma.
En este caso, si la temperatura de un gas se incrementa lo suficiente, sus átomos llegarán a moverse lo bastante rápido como para que las colisiones con sus vecinos les arranquen algún electrón de su capa más externa. Estos átomos adoptarán una carga eléctrica positiva, y los electrones expulsados, con carga negativa, quedarán dispersos entre la masa caótica de gas.
Por tanto, los gases no solo se convierten en una «sopa» de cargas positivas y negativas cuando se calientan muchísimo, sino que, además, cuanto más alta sea su temperatura, mayor será la fracción de sus átomos que acabará perdiendo electrones y adoptando una carga eléctrica. Y eso es un plasma, básicamente, una masa de gas en la que una proporción mayor o menor de sus átomos tienen carga eléctrica (o están ionizados, que es lo mismo).
¿Y ya está?
¿Cómo que «ya está»?
Pues que, por las películas, tenía la impresión de que el plasma sería algo más exótico. La verdad es que es bastante decepcionante saber que no es más que un gas con un poco de carga eléctrica.
Bueno, a ver, que los plasmas no sean tan exóticos como sugieren las películas no significa que no tengan propiedades muy interesantes.
Una de esas propiedades es la excelente conductividad eléctrica que les proporcionan todos los iones y electrones libres que contienen, ya que, gracias a ellos, se puede calentar una masa de plasma hasta temperaturas de decenas de miles de grados simplemente pasando una corriente muy intensa a través de él. En comparación, las temperaturas más altas que se pueden producir quemando un combustible en presencia de oxígeno «solo» rondan los 5.000 ºC.3 Por tanto, no es de extrañar que se utilicen sopletes de plasma cuando se necesita cortar piezas de manera muy precisa o planchas de metal muy gruesas.
No diré que esa cifra no me haya sorprendido, pero me parece un uso del plasma demasiado específico. ¿Es que este estado de la materia no se puede encontrar en lugares más mundanos?
Pues mira, no tienes más que levantar la vista al cielo: el Sol es una bola de plasma de 1,4 millones de kilómetros de diámetro, y no solo nos influye en nuestro día a día, sino que, sin él, la vida en la Tierra ni siquiera podría exist...
Sí, vale, agradezco el dato, pero tampoco me vale. Necesito un ejemplo de plasma que pueda observar tranquilamente durante un rato sin quemarme las retinas.
Qué exigente te has puesto de repente, voz cursiva. Si tantas ganas tienes de ver un plasma, basta con que enciendas una luz de neón y... Espera, ahora que lo pienso, este ejemplo nos ayudará a entender de dónde viene el color de las llamas.
Pongámonos en contexto. En 1898, dos científicos ingleses llamados William Ramsay y Morris Travers habían llenado un recipiente de aire para extraer de él un gas noble llamado argón que representa el 1 % de la mezcla de gases que compone la atmósfera. El procedimiento consistía en introducir trozos de cobre y magnesio calientes con el objetivo de que reaccionaran con el oxígeno y el dióxido de carbono, y, al ser un elemento tan inerte, el único gas que debería quedar tras llevar a cabo este procedimiento sería el argón... O, al menos, eso pensaban ellos.
Para su sorpresa, cuando los científicos enfriaron el recipiente para que el argón se convirtiera en un líquido, también se formaron cantidades considerables de material sólido en las paredes interiores de los tubos y bajo la superficie del argón licuado. El análisis de este material congelado reveló que se trataba de un elemento desconocido hasta la fecha, otro gas noble al que bautizaron como neón, un nombre derivado del griego neo, que significa «nuevo».
Un par de científicos muy imaginativos, sin duda. Pero ¿cómo supieron que se trataba de un elemento desconocido, si el neón es un gas noble invisible que no reacciona con nada?
Porque los gases nobles tienen características diferentes que permiten diferenciarlos entre sí, como su densidad o sus propiedades cuando se encuentran en estado sólido, pero existe otra forma de distinguirlos mucho más llamativa que ahora mismo viene a cuento: cada gas emite una luz de colores diferentes cuando se introduce en un tubo de cristal y se pasa una corriente eléctrica a través de él. De hecho, Ramsay y Travers supieron que el gas que habían aislado era un elemento nuevo porque el neón emitía un color que no se había observado en ningún otro gas. En palabras de los propios científicos, cuando variaban la presión del tubo, el color del neón cambiaba «desde rojo cereza hasta un naranja brillante que no se ha visto en ningún otro elemento».4
El motivo por el que los gases empiezan a brillar cuando los atraviesa una corriente eléctrica es que los electrones que componen la corriente excitan los átomos del gas cuando chocan con ellos, o, lo que es lo mismo, empujan sus electrones más externos hacia órbitas más alejadas del núcleo. Pero, claro, esta situación es inestable, así que los electrones perturbados vuelven enseguida a su órbita original, emitiendo un rayo de luz visible durante el camino.
Esto lo has dicho muy a la ligera, pero no sé por qué el cambio de un electrón de una órbita a otra iba a producir luz visible.
Tienes toda la razón, voz cursiva. Para entender por qué el cambio de órbita de un electrón emite luz, hay que tener en cuenta que lo que llamamos luz no es más que una onda electromagnética, una sucesión de campos magnéticos y eléctricos que se van alternando mientras se propagan por el espacio.
OK, ya te has pasado de la raya. Cierro el libro.
¡Espera, espera! Soy consciente de que una frase así puede afectar a la moral de quien no está familiarizado con estas cosas, pero puedes imaginar las ondulaciones de la luz como si fueran olas sobre la superficie del mar, aunque, en lugar de agua, las «olas» de la luz están hechas de campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el espacio de manera tridimensional en todas las direcciones, igual que ocurre con las ondas del sonido. Ahora bien, la escala a la que se suceden estos campos eléctricos y magnéticos es mucho menor que la distancia que hay entre las olas: la separación entre las crestas de las olas del mar suele ser de entre varios centímetros a varios metros, pero los picos de las ondulaciones de los campos eléctricos y magnéticos que componen la luz visible se suceden a través de unos pocos cientos de nanómetros (nm). Esta separación entre los picos se llama longitud de onda y la de la luz visible que nuestros ojos son capaces de percibir ronda entre 380 y 740 nanómetros, para ser más concretos.
De hecho, lo que interpretamos como color no es más que la longitud de onda que tienen esas ondulaciones electromagnéticas de la luz visible que detectan nuestros ojos: las longitudes de ondas más cortas se corresponden con los tonos azulados y las más largas con los rojizos, mientras que el resto de las tonalidades del arcoíris tienen longitudes de onda intermedias.
Pues bien, resulta que lo que los electrones emiten cuando saltan a una órbita más cercana al núcleo son precisamente estas ondas electromagnéticas que nuestros ojos interpretan como luz visible. Y la longitud de onda de ese rayo de luz –o lo que es lo mismo, su color– está determinada por la distancia que cubre el electrón durante el salto: un salto más largo entre dos órbitas más alejadas produce luz con un tono más azulado, mientras que uno más corto produce luz rojiza.
O sea, que el motivo por el que los gases emiten luz cuando una corriente eléctrica los convierte en una masa caótica de átomos excitados y electrones alejados de sus núcleos es que esos electrones libres están siendo expulsados constantemente de sus átomos por la corriente y cayendo de nuevo en las órbitas de los átomos que los rodean. Y cada uno de esos electrones emite un rayo de luz durante el proceso.
Además, cada elemento químico emite unos colores diferentes cuando se excita porque los electrones están distribuidos de manera distinta alrededor de los átomos de cada uno de ellos. Como resultado, los electrones que rodean los núcleos atómicos de cada elemento recorren distancias diferentes cuando saltan de una órbita a otra, y, por tanto, la tonalidad de la luz que emiten durante el proceso es distinta en cada caso.
De hecho, una masa de gas excitado suele producir varios colores diferentes al mismo tiempo porque los electrones de sus átomos se pueden ver empujados a diferentes distancias del núcleo, dependiendo de lo energético que sea el fenómeno que los impulse. Este es el motivo por el que los átomos de una masa de gas excitado no emiten un solo color, sino varios al mismo tiempo. Por poner varios ejemplos, el neón se ilumina con un tono rojizo o anaranjado muy concreto cuando sus átomos se excitan porque esas son las longitudes de onda que sus átomos emiten con más intensidad, pero también produce un poco de luz verde. De la misma manera, el hidrógeno excitado brilla con luz roja, pero también produce tonos azulados más débiles, mientras que la luz que emite el helio es predominantemente amarilla, con trazas de azul, verde y rojo.
¡Qué curioso! ¿Y por qué no llenamos bombillas con diferentes gases y las conectamos a la corriente para que brillen con diferentes colores? ¡El resultado sería chulísimo!
Es que así es precisamente como funcionan las luces de neón, voz cursiva... Pero, pese a lo que sugiere su nombre, no todas están llenas de neón, porque cada color lo produce un gas diferente. En cualquier caso, el hecho de que cada elemento emita unas tonalidades muy concretas cuando sus átomos están excitados resulta muy útil, porque significa que es posible deducir de qué está compuesta una masa de gas analizando las tonalidades de la luz que emite.
Imaginemos que usamos un prisma para descomponer la luz que emite una masa de gas incandescente y proyectarla sobre una pared. Si se trata de luz blanca, que, como veremos en el siguiente capítulo, contiene todos los colores, lo que aparecerá sobre la pared será un arcoíris compuesto por un degradado de todas las tonalidades posibles, del violeta al rojo. Pero, si esa luz no contiene todos los colores, las cosas cambian. Por ejemplo, pongámonos en la situación de que, en lugar de aparecer todos los colores del arcoíris, en la pared solo se proyectan tres líneas azules brillantes y otra con tonalidad rojiza que tienen, respectivamente, una longitud de onda de 410, 434, 486 y 656 nanómetros. Como el único elemento que emite esas longitudes de onda tan específicas cuando sus átomos se excitan es el hidrógeno, eso significa que esa masa de gas incandescente tiene que estar hecha de ese elemento.
También hay que tener en cuenta que la cantidad de «saltos» diferentes que puede dar el único electrón que poseen los átomos de hidrógeno es muy pequeña, así que este elemento solo emite cuatro tonalidades diferentes en el rango de longitudes de onda visibles. En cambio, cuando se descompone la luz emitida por los átomos de otros elementos que están rodeados por un número mayor de electrones, aparecen decenas o incluso centenares de líneas brillantes de diferentes tonalidades. Por ejemplo, el helio presenta 23 líneas en el rango visible, mientras que el mercurio tiene 40; el neón, 75; y el hierro, 235.5
En cualquier caso, el estudio de la composición de las cosas a partir de su luz se llama espectroscopia, y se trata de una herramienta especialmente útil en los campos de la ciencia en los que es muy difícil conseguir muestras físicas de los objetos que quieres estudiar, como la astronomía. De hecho, esta técnica es la que nos permitió descubrir que las estrellas no son más que bolas gigantes de hidrógeno y helio, con trazas del resto de los elementos de la tabla periódica.
Y entiendo que la composición de las llamas también se puede deducir a partir de la luz que emiten, ¿no?
Exactamente, voz cursiva. Las llamas son el resultado de una reacción de combustión o, lo que es lo mismo, de la combinación del oxígeno de la atmósfera con las moléculas de alguna otra sustancia, un proceso que produce moléculas nuevas. Por ejemplo, cuando prendemos fuego a un tronco, el oxígeno reacciona con el carbono y el hidrógeno de sus compuestos orgánicos, y forma dióxido de carbono y vapor de agua, pero la madera también contiene elementos que no se convierten en sustancias gaseosas cuando se evaporan, como por ejemplo el calcio, el sodio o el potasio, que simplemente forman óxidos o carbonatos sólidos que quedan atrás en forma de cenizas.
Ahora bien, el motivo por el que las llamas emiten luz es que todas estas reacciones liberan una gran cantidad de calor: las zonas en las que tiene lugar la combustión producen masas de gas muy caliente en las que los átomos chocan a una velocidad lo bastante alta como para que sus electrones sean promovidos a órbitas superiores. Y, cuando esos electrones vuelven a su órbita original, emiten un rayo de luz con un color que refleja los elementos que estaban involucrados en su creación. Por ejemplo, cerca de la base de una hoguera es frecuente ver llamas con tonalidades azuladas que deben su color a la presencia de moléculas excitadas que contienen carbono e hidrógeno. Si, por cualquier motivo, se nos ocurriera tirar óxido de cobre o algún compuesto de potasio al fuego, entonces aparecerían llamas verdosas o violetas, respectivamente.
Madre mía, estás mareando tanto la perdiz que acabaré llamando a PETA. ¿Me quieres decir ya de dónde viene el color anaranjado de las llamas?
Vale, vale, voz cursiva: la luz anaranjada que caracteriza las llamas proviene, al menos en parte, de la excitación de los átomos de sodio que contiene la madera que se está quemando.6
Pues hala, misterio resuelto, pasemos al siguiente capítulo de una vez, que ya me estoy cansando...
Para el carro, voz cursiva, que por algo acabo de decir «al menos en parte». Es cierto que parte del color de las llamas proviene de la luz que emiten los átomos de sodio excitados, pero ahí no acaba la historia, porque los objetos incandescentes también emiten luz a través de otro mecanismo distinto.
Si tienes a mano una barra de acero, un soplete que produzca temperaturas muy altas, y el equipo de seguridad y la formación necesaria para manejarlo, te propongo el siguiente experimento: enciende el soplete y calienta el metal tanto como puedas. En cuanto la barra alcance los 500 ºC, empezará a emitir un brillo rojizo que irá volviéndose naranja y luego amarillo a medida que su temperatura se incremente aún más. Si tu soplete fuera capaz de producir temperaturas superiores a los 10.000 ºC, el metal debería empezar a brillar con una tonalidad blancoazulada.
He intentado hacer el experimento, pero la barra de acero se ha fundido a los 1.500 ºC, y a los 3.000 ºC se ha empezado a vaporizar, así que no he podido ver esa tonalidad blancoazulada de la que hablas.
Cierto, no había contado con este pequeño detalle. Es extremadamente difícil observar este brillo azulado en nuestro día a día porque solo se manifiesta a temperaturas tremendas, pero te propongo una alternativa. La temperatura de la superficie de una estrella es el factor principal que determina el color de la luz que emite, de manera que las más frías tienen un color rojizo y las más calientes emiten una tonalidad blanquecina azulada. Por tanto, mi sugerencia es que observes el cielo nocturno a través de unos prismáticos e intentes encontrar trazas de esa tonalidad azulada en alguna estrella masiva y caliente, como por ejemplo las del cúmulo de las Pléyades.
Espera, espera, que ya me estás liando. ¿No habíamos quedado en que el color de las cosas brillantes dependía de los elementos que las componen y de los saltos que pegan sus electrones? ¿Qué tiene que ver la temperatura con todo esto?
Mucho, voz cursiva. Hemos visto que la temperatura de un objeto simplemente refleja lo rápido que se mueven los átomos que lo componen, pero un detalle que aún no había comentado es que las partículas que tienen carga eléctrica son capaces de emitir radiación electromagnética en el rango visible cuando se aceleran, y que, además, la longitud de onda de la luz que producen es más corta (más azulada) cuanto más rápido vibran. De ahí que la luz que emite un objeto incandescente vaya pasando de ser rojiza a amarilla o azulada a medida que su temperatura aumenta.
En cualquier caso, esto nos lleva al segundo fenómeno que dota a las llamas de su tonalidad anaranjada característica: la combustión de la madera no solo genera gases, sino que también suspende en el aire una gran cantidad de pequeñas partículas sólidas incandescentes que se encuentran a una temperatura lo bastante alta como para que el rápido movimiento de sus átomos emita una luz rojiza o anaranjada. Y en cuanto estas partículas se alejan un poco de la hoguera, se enfrían y dejan de brillar, convirtiéndose en humo.
En resumidas cuentas, el color anaranjado de las llamas proviene de la luz que emiten los átomos excitados de ciertos elementos que hay en la madera, como el sodio, pero también del brillo que emiten las partículas incandescentes de hollín que se generan durante la combustión gracias a su alta temperatura.
¡Por fin! Tanto rollo para explicar de dónde viene el color de las llamas, cuando podrías haber resumido toda esa explicación en una sola frase.
Ah, ¿sí? Pues sorpréndeme, voz cursiva, ¿de dónde viene el color de las llamas?
De su pelaje.
En fin, creo que será mejor cambiar de capít...
¿No te ha gustado? Te propongo otra: si un grupo de ovejas es un rebaño, ¿qué es un grupo de llamas?
No, en serio, no hace falta que...
... Un incendio.
Uf, será mejor que sigamos hablando del origen del color. Eso sí, esta vez me voy a asegurar de utilizar un material que no dé pie a tus terribles juegos de palabras.