Capítulo XVIII

LLAMAS,—ILUMINANTES

~Condiciones necesarias para las llamas.~ Se ha visto que cuando dos sustancias se unen químicamente, produciendo luz y calor, el acto de unión se llama combustión. Cuando una de las sustancias que participan en la combustión permanece sólida a la temperatura generada por la combustión, puede emitirse luz, pero no hay llama. Así, un alambre de hierro ardiendo en oxígeno desprende una lluvia de chispas y está brillantemente incandescente, pero no se observa llama. Sin embargo, cuando ambas sustancias son gases o vapores a la temperatura alcanzada en la combustión, el acto de unión va acompañado de una llama.

~Llamas de líquidos o sólidos en combustión.~ Muchas sustancias que son líquidas o sólidas a temperaturas ordinarias arden con llama porque el calor de la combustión las vaporiza lentamente, y la llama se debe a la unión de este vapor con el gas que sostiene la combustión.

~Sostenedor de la combustión.~ El gas que rodea la llama y constituye la atmósfera en la que ocurre la combustión se dice que sostiene la combustión. El otro gas que se libera en esta atmósfera se denomina gas combustible. Así, en la combustión ordinaria del gas de hulla en el aire, se dice que el gas de hulla es combustible, mientras que el aire se considera el sostenedor de la combustión. Sin embargo, estos términos son completamente relativos, ya que un chorro de aire que sale en una atmósfera de gas de hulla arderá cuando se encienda, siendo el gas de hulla el que sostiene la combustión. Por lo general, cuando decimos que un gas es combustible, queremos decir que es combustible en una atmósfera de aire.

~Cualquiera de los gases puede ser el sostenedor de la combustión.~ Que los términos combustible y sostenedor de la combustión son meramente relativos puede demostrarse de la siguiente manera: Una chimenea de lámpara A se ajusta con un corcho y tubos de vidrio, como se muestra en la Fig. 62. El tubo C debe tener un diámetro de 12 a 15 mm. Se coloca una lámina delgada de asbesto, en la que se ha recortado una abertura circular de unos 2 cm de diámetro, sobre la parte superior de la chimenea. La abertura en el asbesto se cierra con la palma de la mano y se introduce gas en la chimenea a través del tubo B. El aire en la chimenea pronto es expulsado por el tubo C, y el gas mismo se enciende en el extremo inferior de este tubo. Ahora se retira la mano de la abertura en el asbesto, y la llama en el extremo del tubo asciende y aparece en el extremo dentro de la chimenea, como se muestra en la figura. El exceso de gas de hulla ahora escapa por la abertura en la lámina de asbesto y puede encenderse. La llama en la parte superior de la lámina de asbesto se debe a la combustión del gas de hulla en el aire, mientras que la llama dentro de la chimenea se debe a la combustión del aire en el gas de hulla, ya que el aire es aspirado por el tubo por el gas que escapa.

~Apariencia de las llamas.~ La llama causada por la unión de hidrógeno y oxígeno es casi incolora e invisible. El cloro y el hidrógeno se combinan con una llama violeta pálida, el monóxido de carbono arde en oxígeno con una llama azul, mientras que el amoníaco arde con una llama amarillo intenso. Por lo tanto, el color y la apariencia de las llamas suelen ser bastante característicos de la combustión particular que las produce.

~Estructura de las llamas.~ Cuando el gas que se quema sale por una abertura redonda hacia una atmósfera del gas que sostiene la combustión, como ocurre con el mechero Bunsen encendido (Fig. 63), la llama generalmente tiene un contorno cónico. Consiste en varios conos distintos, uno dentro del otro, y el límite entre ellos se marca por diferencias de color o luminosidad. En la llama más simple, de la cual la combustión de hidrógeno en oxígeno es un buen ejemplo, estos conos son dos: uno interno, formado por gas no quemado, y otro externo, generalmente más o menos luminoso, que consiste en los gases en proceso de combinación. Este cono externo está a su vez rodeado por una tercera envoltura de productos de combustión; esta envoltura a veces es invisible, como en el caso presente, pero a veces es débilmente luminosa. La parte inferior del cono interno de la llama es bastante fría y consiste en gas no quemado. Hacia la parte superior del cono interno, el gas se ha calentado a alta temperatura por la envoltura ardiente que lo rodea. Al alcanzar el sostenedor de la combustión en el exterior, está muy por encima de su temperatura de ignición, y la combustión sigue con la evolución de mucho calor. La región de combustión justo fuera del cono interno es, por lo tanto, la parte más caliente de la llama.

~Llamas oxidantes y reductoras.~ Como la punta del cono externo consiste en productos de combustión muy calientes mezclados con oxígeno del aire, una sustancia capaz de oxidarse colocada en esta parte de la llama se calienta mucho y se oxida fácilmente. El oxígeno con el que se combina proviene, por supuesto, de la atmósfera y no de los productos de combustión. Esta punta externa de la llama se llama llama oxidante.

En la punta del cono interno las condiciones son bastante diferentes. Esta región consiste en un gas combustible altamente calentado, que aún no ha alcanzado un suministro de oxígeno.

Si una sustancia rica en oxígeno, como un óxido metálico, se coloca en esta región de la llama, los gases calientes se combinan con su oxígeno y la sustancia se reduce. Esta parte de la llama se llama llama reductora. Estas llamas se usan para probar ciertas sustancias, especialmente minerales. Para este propósito se producen soplando en una pequeña llama luminosa de mechero Bunsen desde un lado a través de un soplete. Este es un tubo con la forma que se muestra en la Fig. 64. La llama se dirige en cualquier dirección deseada y tiene las regiones oxidante y reductora claramente marcadas (Fig. 65). Es no luminosa por las mismas causas que hacen que la llama abierta del mechero Bunsen sea no luminosa, ya que los gases de los pulmones sirven para suministrar oxígeno y diluir el gas combustible.

~Luminosidad de las llamas.~ La luminosidad de las llamas se debe a varias causas distintas, y por lo tanto puede aumentarse o disminuirse de varias maneras.

1. Presencia de materia sólida. La causa más obvia es la presencia en la llama de materia sólida incandescente. Así, el polvo de yeso tamizado en una llama no luminosa la vuelve luminosa. Cuando los hidrocarburos forman parte del gas combustible, como ocurre en casi todos los gases y aceites de iluminación, generalmente se libera algo de carbono en el proceso de combustión. Este se calienta mucho por la llama y se vuelve incandescente, emitiendo luz. En una llama bien regulada, luego se quema, pero cuando el suministro de oxígeno es insuficiente, escapa de la llama como negro de humo o hollín. Que está presente temporalmente en una llama luminosa bien regulada puede demostrarse sosteniendo un objeto frío, como una pequeña cápsula de evaporación, en la llama durante unos segundos. Este objeto frío enfría el carbono por debajo de su temperatura de ignición y se deposita en el objeto como hollín.

2. Presión. Un segundo factor en la luminosidad de las llamas es la presión bajo la cual arden los gases. Bajo presión aumentada, hay más materia en un volumen dado de gas y la acción química es más enérgica que cuando los gases están enrarecidos. En consecuencia, hay más calor y luz. Una vela encendida en una alta montaña da menos luz que cuando arde al nivel del mar.

Si el gas se diluye con un gas no combustible, el efecto es el mismo que si estuviera enrarecido, ya que bajo estas condiciones hay menos gas combustible en un volumen dado.

3. Temperatura. La luminosidad también depende de la temperatura alcanzada en la combustión. En general, cuanto más caliente es la llama, mayor es la luminosidad; por lo tanto, enfriar los gases antes de la combustión disminuye la luminosidad de la llama que producirán, porque disminuye la temperatura alcanzada en la combustión. Así, la luminosidad de la llama del mechero Bunsen se reduce en gran medida por el aire que se introduce con el gas. Esto se debe en parte a que el gas en combustión es diluido y enfriado por el aire introducido. El oxígeno que así se introduce en la llama también causa la combustión de las partículas calientes de carbono que de otro modo tenderían a hacer la llama luminosa.

~Gases iluminantes y combustibles.~ Varias mezclas de gases combustibles, compuestas en gran parte de compuestos de carbono e hidrógeno, se utilizan ampliamente para la producción de luz y calor. Las tres variedades principales son el gas de hulla, el gas de agua y el gas natural. Ya se ha hecho referencia al uso del gas acetileno.

Gas de hulla. El gas de hulla se produce calentando carbón bituminoso en grandes retortas sin contacto con el aire. El carbón blando o bituminoso contiene, además de grandes cantidades de carbono, cantidades considerables de compuestos de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Cuando se destila, el nitrógeno se libera en parte en forma de amoníaco y cianuros y en parte como gas nitrógeno libre; el azufre se convierte en sulfuro de hidrógeno, disulfuro de carbono y óxidos de azufre; el oxígeno en agua y óxidos de carbono. El hidrógeno restante se libera en parte como hidrógeno y en parte combinado con carbono en forma de hidrocarburos. El más importante de estos es el metano, con menores cantidades de muchos otros, algunos de los cuales son líquidos o sólidos a temperaturas ordinarias. La mayor parte del carbono permanece como coque y carbono de retorta.

Fabricación del gas de hulla. En la fabricación del gas de hulla es necesario separar de los componentes volátiles formados por el calentamiento del carbón todas aquellas sustancias que sean sólidas o líquidas a temperatura ordinaria, ya que obstruirían las tuberías de gas. También deben eliminarse ciertos componentes gaseosos, como el sulfuro de hidrógeno y el amoníaco. El método utilizado para lograr esto se muestra en la Fig. 66. El carbón se calienta en retortas herméticas ilustradas por A. Los productos volátiles escapan por la tubería X y burbujean en el líquido alquitranado en la gran tubería B, conocida como el colector hidráulico, que corre en ángulo recto respecto a las retortas. Aquí se deposita la mayor parte de los productos sólidos y líquidos, formando una masa alquitranada conocida como alquitrán de hulla. Gran parte del amoníaco también permanece disuelto en este líquido. El gas parcialmente purificado pasa entonces a las tuberías C, que sirven para enfriarlo y eliminar aún más la materia sólida y líquida. Luego el gas pasa a D, que está lleno de coque sobre el cual se rocía un chorro de agua. El agua enfría aún más el gas y al mismo tiempo elimina parcialmente productos gaseosos como el sulfuro de hidrógeno y el amoníaco, que son solubles en agua. En E el gas pasa sobre algún material como la cal, que elimina las últimas porciones de los compuestos de azufre, así como gran parte del dióxido de carbono presente. Desde E el gas pasa al gran gasómetro F, desde donde se distribuye por tuberías a los lugares donde se quema.

Una tonelada de buen carbón gasífero produce aproximadamente 10,000 pies cúbicos de gas, 1,400 libras de coque, 120 libras de alquitrán y 20 galones de licor amoniacal.

No solo el amoníaco obtenido en la fabricación del gas es de gran importancia, sino que el alquitrán de hulla también sirve como fuente de muchas sustancias muy útiles, como se explicará en el Capítulo XXXII.

Gas de agua. El gas de agua es esencialmente una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno. Se produce haciendo pasar vapor de agua sobre carbón antracita muy caliente, cuando ocurre la reacción mostrada en la siguiente ecuación:

C + H{2}O = CO + 2H.

Cuando se requiere únicamente para producir calor, el gas está listo para usarse de inmediato. Cuando se fabrica para fines de iluminación debe ser enriquecido, es decir, se le deben añadir sustancias luminosas, ya que tanto el monóxido de carbono como el hidrógeno arden con llamas no luminosas. Esto se logra haciéndolo pasar a calentadores que contienen aceites de petróleo altamente calentados. El gas absorbe gases hidrocarbonados formados en la descomposición de los aceites de petróleo, lo que hace que arda con una llama luminosa.

El gas de agua es muy efectivo como combustible, ya que tanto el monóxido de carbono como el hidrógeno arden con llamas muy calientes. Tiene poco olor y es muy venenoso. Por lo tanto, su uso implica cierto riesgo, ya que las fugas en las tuberías pueden pasar desapercibidas fácilmente.

Gas natural. Esta sustancia, tan abundante en muchas localidades, varía mucho en composición, pero está compuesta principalmente de metano. Cuando se utiliza para iluminación generalmente se quema en un quemador similar a un Bunsen abierto, proporcionando la iluminación un manguito incandescente. Este es el caso del conocido quemador Welsbach. Contrariamente a lo que se afirma con frecuencia, el gas natural no contiene hidrógeno libre.

TABLA QUE MUESTRA LA COMPOSICIÓN DE LOS GASES

=====================+================+========+========+========== GAS DE HULLA DE PENNSYLVANIA GAS DE AGUA GAS DE AGUA ENRIQUECIDO GAS NATURAL —+—+—+—+— Hidrógeno 41.3 52.88 30.00 Metano 90.64 43.6 2.16 24.00 Iluminantes 3.9 12.05 Monóxido de carbono 6.4 36.80 29.00 Dióxido de carbono 0.30 2.0 3.47 0.30 Nitrógeno 9.06 1.2 4.69 2.50 Oxígeno 0.3 1.50 Vapores hidrocarbonados 1.5 1.50 =====================+================+========+========+==========

Estos son análisis de muestras reales y pueden considerarse como el promedio aproximado para los diferentes tipos de gases. Cualquiera de ellos puede variar considerablemente. El nitrógeno y el oxígeno en la mayoría de los casos se deben a una ligera mezcla de aire que es difícil de excluir completamente en la fabricación y manejo de los gases.

Combustibles. Se utilizan diversas sustancias como combustibles, siendo las más importantes la madera, el carbón y los diversos gases mencionados anteriormente. La madera consiste principalmente en compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno. La composición del carbón y los gases combustibles ya ha sido dada. Como estos combustibles están compuestos principalmente de carbono e hidrógeno o sus compuestos, los principales productos de la combustión son dióxido de carbono y agua. Debe desaprobarse la práctica de calentar habitaciones con estufas portátiles de gas o petróleo sin ninguna disposición para eliminar los productos de la combustión, ya que el dióxido de carbono se genera en cantidades suficientes para hacer que el aire sea inadecuado para respirar. Las habitaciones así calentadas también se vuelven muy húmedas debido a la gran cantidad de vapor de agua formado en la combustión, el cual en clima frío se condensa en los cristales de las ventanas, haciendo que el vidrio "sude". Tanto el carbón como la madera contienen cierta cantidad de sustancias minerales que constituyen las cenizas.

El horno eléctrico. En los últimos años los hornos eléctricos se han utilizado ampliamente en operaciones que requieren temperaturas muy elevadas. Se pueden alcanzar fácilmente temperaturas de hasta 3,500 grados, mientras que la llama oxihidrógena más caliente no supera mucho los 2,000 grados. Estos hornos se construyen según uno de dos principios generales.

1. Hornos de arco. En un tipo, la fuente de calor es un arco eléctrico formado entre electrodos de carbono separados ligeramente entre sí, como se muestra en la Fig. 67. La sustancia que se va a calentar se coloca en un recipiente, generalmente un crisol de grafito, justo debajo del arco. Los electrodos y el crisol están rodeados de materiales que se funden con gran dificultad, como el óxido de magnesio, y las paredes del horno están diseñadas de modo que reflejen el calor hacia abajo sobre el contenido del crisol.

2. Hornos de resistencia. En el otro tipo de horno, el calor se genera por la resistencia que ofrece el horno al paso de la corriente eléctrica. En su forma más simple puede representarse por la Fig. 68. El horno es simplemente una caja rectangular construida con ladrillos sueltos. Los electrodos E, cada uno compuesto por un haz de varillas de carbono, se introducen por los lados del horno. Los materiales a calentar, C, se colocan en el horno hasta los electrodos, y una capa de coque triturado se dispone de modo que se extienda de un electrodo al otro. Luego se coloca más carga sobre el coque. Al pasar por el coque triturado, la corriente eléctrica encuentra gran resistencia. Esto genera mucho calor y la carga que rodea el coque alcanza una temperatura muy alta. La ventaja de este tipo de horno es que la temperatura puede regularse a la intensidad deseada.

EJERCICIOS

1. ¿Por qué el carbón vegetal generalmente arde sin llama? ¿Cómo explicas la llama que a veces se observa cuando arde?

2. ¿Cómo explicas el hecho de que una vela arda con llama?

3. ¿Qué dos propiedades debe poseer el manguito utilizado en la lámpara Welsbach?

4. (a) ¿En qué aspectos se parece el uso del manguito Welsbach al de la cal en la luz de calcio? (b) Si el manguito estuviera hecho de carbono, ¿serviría para el mismo propósito?

5. ¿Sería adecuado el carbón antracita para la fabricación de gas de hulla?

6. ¿Cómo podrías demostrar la formación de dióxido de carbono y agua en la combustión de gases de iluminación?

7. Sugiere una forma probable en la que se haya formado el gas natural.

8. El carbón frecuentemente contiene un sulfuro de hierro. (a) ¿Qué dos compuestos de azufre es probable que se formen cuando se produce gas a partir de dicho carbón? (b) Sugiere algún método adecuado para la eliminación de estos compuestos.

9. ¿Por qué el uso del fuelle en la fragua del herrero produce un calor más intenso?

10. ¿Qué volumen de oxígeno es necesario para quemar 100 l de gas de los pantanos y qué volumen de dióxido de carbono se formaría, midiendo todos los gases en condiciones normales?

11. Supón que se quema un metro cúbico de gas natural de Pennsylvania, medido en condiciones normales. ¿Cuánta agua en peso resultaría?