Y se hace la luz (II): ¿Qué es el fuego?... y otras sutilezas naturales

31/12/2016 3 comentarios
Menear

La existencia de luz la damos por descontado, pero nada sería como es, sin la continua producción de luz. ¿Por qué? ¿Qué fenómenos naturales provocan luz, y cuáles son sus causas? En esta segunda parte os presento las fuentes de luz más sutiles, de ámbito químico, geológico y biológico.

En la primera parte de esta serie de artículos hemos revisado las fuentes universales de luz, tanto las estelares como las planetarias. Desde la perspectiva de nuestro minúsculo planeta, la luz del Sol es la fuente primaria de energía. Sin embargo, ya en la Tierra, las fuentes de luz son extraordinariamente variadas y cumplen una función determinante para entender nuestro entorno, tanto geológico como biológico, y ya no digamos desde el punto de vista del hombre.

El artículo anterior finalizaba haciendo referencia al fuego, la fuente natural de luz más presente, de origen terrestre. Desde este punto de vista natural, el fuego es una forma de luz, sin embargo, que surge de forma esporádica, debido a fenómenos puntuales e irregulares, como los rayos, la lava o las cenizas de los volcanes y, en algunos casos, la acción directa del Sol.

Mucho más importante es el control del fuego, por parte del ser humano. Su dominio, se calcula que hace unos 500.000 años, proporcionó una capacidad de acción sin precedentes. Se puede afirmar, sin temor a equivocarnos, que las revoluciones científica y tecnológica tienen su origen en la capacidad de obtener fuego a voluntad. El uso humano del fuego para la obtención de luz, junto con otras formas tecnológicas mucho más sofisticadas, lo trataremos con más detalle en la tercera parte de esta serie de artículos.

¡Fuego!

Centrémonos aquí en los fenómenos naturales, aunque cabe destacar que el fuego natural y el fuego creado por el hombre son, básicamente, lo mismo. Sólo cambian algunos detalles.

Hagámonos pues una buena pregunta: ¿Qué es el fuego? Otra más: ¿Por qué el fuego es capaz de brillar? Ésta nos llevará, seguro, a más interrogantes: ¿Cómo se produce? ¿Qué hay en su interior? ¿Por qué es tan caliente?

No descubriré ningún secreto: el fuego es intrigante, y el estudio de su composición apasionante. Fue precisamente este tema el motivo de una de las primeras actividades de divulgación científica. En 1848, el científico Michael Faraday presentó “La historia química de una llama” (The chemical history of a candle), mediante una serie de 6 conferencias, a un público juvenil. En ella se exponían, según los conocimientos de la época, el fundamento y la composición de una llama, junto con las propiedades de los compuestos formados.

Sin embargo, los grandes logros de Faraday, uno de los mayores científicos de todos los tiempos, no podían ser suficientes para entender la razón de la brillante emisión de luz del fuego. La razón es que el conocimiento de la naturaleza atómica de la materia no era suficiente en esa época, ni mucho menos.

Las causas de la incandescencia y de la luminiscencia, los fenómenos básicos emisores de luz, requieren conocer cómo las moléculas y la luz intercambian energía, y eso no fue posible, con un buen nivel de rigor, hasta mediados del siglo XX.

En el fuego, una rápida reacción química desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y de luz. Los fuegos más comunes los causa el oxígeno, provocando reacciones de combustión cuando ataca materia, principalmente orgánica: el oxígeno reacciona con substancias compuestas principalmente de carbono e hidrógeno, y el resultado final es dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), es decir, la incorporación del oxígeno al carbono y al hidrógeno.

La cantidad de energía liberada, y la rapidez con la que se libera, son los factores clave. Poca energía, o liberación lenta, impiden la producción de fuego. Por tanto, energía en cantidad, liberada rápidamente, provocan que la caliente masa de substancias emita luz. Esta luz se emite por dos causas básicas, como acabamos de decir: incandescencia y luminiscencia.

La incandescencia se debe, como ya hemos revisado en la primera parte de esta serie de artículos, a que las substancias que están quemando están muy calientes.

Colores de la llama, y la temperatura aproximada a la que se corresponden, cuando la emisión de luz se debe principalmente a la incandescencia.  Ésta se da cuando la combustión es pobre en oxígeno, de forma que no puede quemarse todo el combustible, y por tanto existen durante suficiente tiempo compuestos intermedios.

El esquema muestra la relación entre los colores de la llama, y la temperatura a la que se encuentra. A medida que la llama es más caliente, su color pasa por el rojo, naranja, amarillo y finalmente el blanco. Recordemos que el blanco surge de la mezcla de todos los colores del espectro visible... siempre que las proporciones de todos los colores sean parecidas: la llama más caliente que se conoce, a 5700 ºC, es blanca–azulada, debido a que emite más en la región azul y menos en la roja. Esta llama récord se obtiene por reacción química entre el ozono, O3, y el dicianoacetileno, C4N2.

Curiosamente, la razón por la que puede llegar a una temperatura tan elevada es la ausencia de hidrógeno en la composición química del combustible, en este caso el dicianoacetileno, que impide la formación de agua. El motivo es que el agua posee una capacidad calorífica muy alta. Este hecho implica que una misma energía, liberada por la combustión, aumenta menos la temperatura de las substancias quemadas, y por tanto las llamas que producen agua son algo más frías que las que no.

Para que la incandescencia sea la fuente dominante de luz, en una llama, hace falta que la combustión no sea muy perfecta. Parece un poco incongruente, pero la razón es que la incandescencia es debida a la gran cantidad de substancias intermedias que se producen durante el desarrollo de una combustión pobre en oxígeno.

En concreto, las substancias responsables del color rojo, amarillo o blanco de las llamas son pequeños sólidos de carbono, que formarán parte de las cenizas una vez finalice el fuego. Estos sólidos se forman al quemarse parcialmente el combustible, y agruparse los fragmentos recién formados, hasta constituir pequeños sólidos de aspecto negruzco. La incandescencia de éstos da, por ejemplo, el típico color amarillo–naranja de la llama de la madera.

La escala de colores y temperaturas de la figura anterior no muestra el color azul, ni el verde, ni el violeta. Y, en cambio, conocemos llamas de esos colores.

¿Qué sucede, en estos casos? La respuesta es que en una llama también se emite luz mediante luminiscencia, es decir, la emisión fría de luz, por estimulación selectiva de alguna de las substancias químicas presentes en la llama. Por ejemplo, las llamas azules que indican que el gas natural quema correctamente, son debidas a substancias intermedias formadas por dos átomos de carbono, fragmentos C2. Dentro de la llama, estos fragmentos existen durante un corto intervalo de tiempo, pero suficiente para recibir el estímulo del entorno caliente, capturar energía, y emitirla rápidamente en forma de luz azul.

Una prueba de la emisión fría de luz la proporciona la existencia de llamas frías. Ciertos alcoholes, en ambientes de baja presión, pueden producir llamas a 65 ºC. Esta temperatura es extraordinariamente baja: podemos tener la mezcla quemando sobre nuestras manos, y soportarlo sin dificultad. El fuego frío muestra zonas de coloración azul, y otras más amarillentas, proporcionando así un contraejemplo a la correspondencia entre color y temperatura propia de la incandescencia.

Permitidme aquí una descripción más detallada de lo que ocurre en la luminiscencia. Será cortito. La elevada temperatura provoca que, en ciertos átomos o moléculas presentes en la llama, los electrones más externos experimenten un salto, ¡cuántico!, de energía, e inmediatamente retornen a su órbita habitual, emitiendo la energía capturada en forma de luz. Técnicamente, decimos que se produce una emisión resonante de luz monocromática, cuya frecuencia corresponde al color que se observa en la llama. Por ejemplo, se pueden añadir sales de metales a una llama. Diferentes elementos, en este caso metálicos, experimentan saltos cuánticos a energías diferentes, y de ahí los diferentes colores para los diferentes metales, tal como se muestra en la siguiente figura. Valga la hiperredundancia con la palabra diferente.

Cuando se añaden sales de potasio, cobre, cesio, boro o calcio, a una llama, se obtienen las coloraciones que se muestran en esta fotografía.  Los colores son debidos a la estimulación de los electrones más externos, de cada uno de los elementos químicos indicados, que liberan rápidamente la energía adquirida, en forma de luz de un solo color.  Tanto la adquisición de energía, como su liberación, son procesos que tienen lugar muy rápidamente, en menos de un femto segundo, es decir, una milbillonésima de segundo.

Se podría objetar, sin embargo, que estas llamas no pertenecen al mundo natural, puesto que las substancias que las producen son aportadas por el hombre, una vez se han sintetizado en el laboratorio. Estrictamente hablando, las llamas en la figura son, cierto, preparados de laboratorio, pero eso no significa que no puedan darse en el mundo natural.

Por ejemplo, la llama verde del cobre se obtiene si el fuego ocurre allí donde se encuentren ciertos minerales, como la chalcantita o la chalcocianita, compuestos de sufalto de cobre y agua. Éstos se pueden encontrar alrededor de las fumarolas volcánicas, como las del monte Vesubio, en Italia, o la fisura volcánica de Tolbachik, en la península rusa de Kamchatka. Por cierto, estos fuegos verdes pueden producir también vapores de ácido sulfúrico, si la temperatura del mineral supera los 400 ºC… fue así como se descubrió este corrosivo ácido, en la Edad Media.

Otro ejemplo de ocurrencia natural se da con el boro. Se observa la llama verde–amarillenta si el fuego se produce allí donde se encuentre el mineral bórax, un compuesto de boro, oxígeno, sodio y agua. Los yacimientos de bórax se dan allí donde se produce una fuerte evaporación de agua salada, en lagos estacionales de regiones predominantemente secas. No es de extrañar entonces que el bórax abunde en Turquía, California o el desierto de Atacama.

Otro caso de ocurrencia natural de llamas de colores se puede observar quemando troncos de madera que aparezcan en la playa, después de navegar a la deriva de corrientes marinas. Estos troncos absorben en su interior las sales presentes en el agua de mar, sales que contienen la mayoría de los metales emisores de llamas de colores. Quemar estas maderas puede ser, entonces, un buen espectáculo nocturno. Hay un pero, no obstante. Estas sales pueden ser contaminantes, por lo que ¡no se puede utilizar esta madera para cocinar!

Fluorescencia y fosforescencia

Aunque la luminiscencia se conozca como emisión fría, la realidad es que se necesita aportar energía para que la emisión de luz tenga lugar. El término “fría” hace referencia entonces a que no hace falta comunicar esta energía mediante el calentamiento de todo el entorno, y a que esta emisión es selectiva, es decir, no emiten todas las substancias presentes, sino tan sólo una substancia, la que puede ser selectivamente estimulada.

Las formas de estimular la materia, para que emita luz, son variadas, y los detalles también. Por ejemplo, se puede estimular ciertas substancias mediante radiación ultravioleta, de modo que el compuesto absorbe esta energía, pero en cambio cuando la emite lo hace mediante un fotón de frecuencia menor, en la región visible. La energía sin liberar se queda entonces en el interior de la molécula, en forma de vibraciones más intensas de los enlaces químicos.

En función del tiempo que se tarda en emitir la energía previamente absorbida, hablamos de fluorescencia, si la emisión es muy rápida (menos de una cienmillonésima de segundo), o de fosforescencia, si la emisión es más lenta (entre segundos y horas).

En el mundo natural, la fuente de luz ultravioleta es el Sol, y ciertos minerales son fluorescentes y algunos, muy pocos, fosforescentes. Sin embargo, ambos fenómenos son difíciles de distinguir, puesto que su emisión de luz queda enmascarada por la brillantez del día, en el caso de la fluorescencia, o por la debilidad de la emisión fosforescente, durante la noche. Aun así, los minerales que emiten luz mediante alguno de estos dos mecanismos se conocen bien. La siguiente figura muestra una buena colección de minerales fluorescentes.

Colección de minerales fluorescentes.  Podéis encontrar información sobre sus nombres, procedencia y propiedades en http://geology.com/articles/fluorescent-minerals/

Los compuestos fosforescentes son casi siempre sólidos inorgánicos, con presencia de metales pesados como el bario o el estroncio, e incluso conteniendo tierras raras como el europio o el disprosio.

El mundo vegetal también posee su cuota de substancias fluorescentes o fosforescentes. Extractos de especias, plantas y maderas muestran en la oscuridad un espectacular brillo. Ejemplos de este comportamiento se obtienen de ciertos extractos de la madera, conocidos como flavonoides. También muestran este comportamiento los alcaloides de la cinchona, entre los que destaca la quinina, uno de los compuestos orgánicos fluorescentes más conocidos.

Algunos minerales, como la calcita o la fluorita, consiguen hacer las llamas mucho más brillantes, al añadirse a un fuego ya en marcha. Se trata de ejemplos de termoluminiscencia, la emisión de luz por calentamiento. No se trata de un caso más de incandescencia, sino de luminiscencia inducida no por luz, sino por temperatura.

Quimiluminiscencia

El estímulo para emitir luz puede ser una reacción química. Es decir, la energía necesaria para estimular los electrones externos de un átomo o molécula proviene de dos moléculas que se unen para formar un nuevo compuesto, que a continuación emite esa energía extra en forma de luz. En estos casos tiene lugar el fenómeno de la quimiluminiscencia.

La ciencia química ha desarrollado un elenco de procesos quimiluminiscentes. Son por ello procesos debidos al ingenio humano, que veremos con más detalle en el siguiente artículo.

En el mundo natural, la quimiluminiscencia se manifiesta sobre todo en seres vivos. Estos casos de emisión de luz se deben siempre a reacciones de substancias orgánicas con el oxígeno. Se trata, por tanto, de una combustión, pero en vez de llama tiene lugar emisión fría de luz.

Curiosa situación, entonces. Materia orgánica, dentro de la célula, reacciona con oxígeno, pero la energía no se libera rápidamente y por tanto no se produce llama. ¿Dónde está el truco? En la mediación que realizan las proteínas. La reacción química tiene lugar en el interior de éstas. Las moléculas que van a reaccionar difunden por el interior de la estructura tridimensional de la proteína, hasta anclarse al centro activo de ésta. Este anclaje es tal que provoca que el oxígeno se una a la molécula orgánica, pero sin llegar a desmenuzarla en trocitos mínimos, como ocurre en la combustión normal.

Vemos entonces que la quimiluminiscencia en seres vivos funciona debido a tres agentes: en primer lugar, el oxígeno, en segundo, una molécula orgánica, de nombre genérico luciferina, y tercero, una proteína que actúa como mediador de la reacción de los dos anteriores. Esta función de las proteínas las etiqueta como enzimas, y aquellas que participan en este proceso de producción de luz reciben el nombre genérico de luciferasas.

Bioluminiscencia

La quimiluminiscencia en seres vivos que acabamos de describir se conoce mediante un término específico, bioluminiscencia.
 
Toda bioluminiscencia se basa en la reacción con el oxígeno; se conocen al menos cuatro moléculas diferentes que actúan como luciferinas, y bastantes más enzimas que interpretan el rol de luciferasas.
 
Se trata, por tanto, de un mecanismo común a todos los seres bioluminiscentes.  Sin embargo, se considera que la bioluminiscencia se produjo por, al menos, una veintena de procesos evolutivos diferentes. Una característica muy relevante de este tipo de bioluminiscencia es su eficiencia, pues no es raro que se aproveche, para emitir luz, más de un 90 % de la energía liberada en la reacción química.
 
Los organismos que pueden dar lugar a bioluminiscencia son muchos y muy variados. Ciertas bacterias presentes en cuerpos en descomposición pueden ser bioluminiscentes. Otro caso muy espectacular es el de ciertos protozoos asociados al plancton, que en aguas cálidas del mar de Arabia o del océano Índico pueden proliferar cerca de la costa. Su espectacular efecto es el de iluminar las noches, confiriendo al agua que rompe en la playa fantasmagóricos tonos azulados. Es el caso que se muestra en la siguiente fotografía.
 
GlowingPlankton
 
Otros organismos bioluminiscentes son hongos, insectos —el caso de la luciérnaga es probablemente el más conocido—, invertebrados marinos y algunos peces. En cambio, no se conocen plantas superiores, reptiles, aves o mamíferos con esta función.
 
El beneficio evolutivo de la emisión de luz es diverso, y no del todo conocido. Sirve de protección celular contra la toxicidad del oxígeno, como sistema de lucha y supervivencia, e incluso se considera su participación en la atracción sexual y la reproducción.
 
Hasta aquí, pues, la descripción de fenómenos naturales que emiten luz. No están todos, pero sí una buena parte de ellos. Si el lector desea conocer los detalles de algún fenómeno emisor de luz, no comentado aquí, puede hacer la petición en la sección de comentarios.
 
Os emplazo al siguiente artículo, en el que trataremos la producción tecnológica de luz, un camino hacia la sofisticación técnica y la búsqueda incesante de mayor eficiencia.