Si se echa un puñado de sal a la hoguera de un campamento, la llama se vuelve amarilla por un instante, y los fuegos artificiales tiñen el cielo nocturno de rojo, verde y azul. Detrás de este fenómeno, en el que el color cambia según lo que se eche al fuego, hay un principio químico: cada elemento emite luz de un color característico. El «ensayo a la llama (Flame Test)» es precisamente el experimento que permite identificar un elemento metálico en una muestra con solo observar el color de la llama.
En términos sencillos, el ensayo a la llama se refiere al fenómeno por el cual, al introducir un elemento metálico o uno de sus compuestos en una llama, aparece luz del color característico del elemento. También designa el método de análisis que aprovecha ese fenómeno para identificar elementos. Como basta una llama para hacerse una idea de la composición sin usar equipos costosos, es un experimento habitual en los laboratorios escolares, y su fundamento está ligado a la estructura del átomo y a las propiedades de la luz.
En este artículo veremos, por orden, en qué consiste el ensayo a la llama y por qué aparecen los colores, qué color produce cada elemento, cómo se descubrieron nuevos elementos y cómo se aplica el principio a los fuegos artificiales. Por último, veremos el procedimiento experimental y sus limitaciones.
El ensayo a la llama y la huella luminosa de cada elemento
¿Qué es el ensayo a la llama?
Los alquimistas ya sabían desde hacía mucho tiempo que el color de la llama cambia según la sustancia que se echa al fuego. Sin embargo, una llama común tiene de por sí tonos anaranjados y amarillos que, al mezclarse con el color que produce la muestra, dificultan distinguirlo.
Quien resolvió este problema fue Robert Bunsen, químico de la Universidad de Heidelberg, en Alemania. Bunsen diseñó un mechero que permitía regular la proporción de aire y gas en la mezcla para obtener una llama limpia y casi incolora. El mechero Bunsen sigue siendo un instrumento habitual de laboratorio. Sobre una llama incolora se distingue con claridad el color que produce la muestra, y a partir de entonces el ensayo a la llama se convirtió en un método de análisis fiable.
En el ensayo a la llama, el color lo determina el elemento metálico presente en el compuesto. Así, tanto el cloruro de sodio como el nitrato de sodio producen la misma llama amarilla porque ambos contienen sodio.
Cómo se produce el color de la llama y qué color da cada elemento
El color de la llama se debe al movimiento de los electrones dentro del átomo. El proceso puede dividirse en tres etapas.
(1) Absorción de energía
Los electrones de los átomos metálicos expuestos al calor de la llama absorben energía y pasan de su estado inicial a otro de mayor energía. A este se le llama estado excitado.
(2) Emisión de luz
El estado excitado es inestable, de modo que el electrón pronto regresa a su estado original de menor energía y emite en forma de luz la diferencia de energía entre ambos estados.
(3) Color característico
La separación entre los niveles de energía que pueden ocupar los electrones varía de un elemento a otro, por lo que también varía la longitud de onda de la luz emitida. Esa diferencia se manifiesta en el color de la llama.
Estos son los colores de la llama de algunos elementos representativos.
- Sodio (Sodium). Produce un amarillo intenso. Emite luz con gran intensidad a una longitud de onda de unos 589 nm.
- Litio (Lithium). Produce un rojo intenso.
- Potasio (Potassium). Produce un violeta claro.
- Calcio (Calcium). Produce un rojo anaranjado.
- Estroncio (Strontium). Produce un carmesí vivo.
- Cobre (Copper). Produce un verde azulado.
- Bario (Barium). Produce un verde amarillento claro.
La luz amarilla del sodio se puede ver fácilmente en la vida cotidiana. Las lámparas de sodio que iluminan de amarillo carreteras y túneles aprovechan precisamente la luz que emiten los átomos de sodio. Si el caldo se desborda al hervir y tiñe de amarillo la llama de la cocina de gas, también se debe al sodio de la sal que contiene.
Las llamas que permitieron descubrir nuevos elementos y tiñeron el cielo nocturno
El ensayo a la llama pasó de ser un experimento sencillo a convertirse en una herramienta para descubrir nuevos elementos. En 1859, Bunsen y el físico Gustav Kirchhoff construyeron un espectroscopio que utilizaba un prisma para descomponer la luz de la llama y observarla. Incluso con colores que parecían similares a simple vista, el espectroscopio revelaba líneas brillantes en posiciones distintas para cada elemento.
Nuevos elementos descubiertos con el espectroscopio
En 1860, mientras analizaban agua mineral, los dos investigadores descubrieron dos líneas de color azul celeste que jamás habían visto y dieron al elemento el nombre de cesio, a partir de una palabra latina que significa «azul celeste». Al año siguiente, unas líneas de color rojo oscuro les dieron la pista para descubrir el rubidio. Así, los propios nombres de los elementos surgieron del color de la llama. Después se descubrieron por el mismo método el talio, por su línea verde, y el indio, por su línea añil. En 1868, durante un eclipse solar total, se observó en la luz del Sol una línea amarilla que no coincidía con la de ningún elemento conocido. A ese elemento se le dio el nombre de helio, a partir de la palabra griega para el Sol, incluso antes de que se descubriera en la Tierra.
Los colores de los fuegos artificiales
Los fuegos artificiales aprovechan el mismo principio. El estroncio produce el rojo, el bario el verde, el sodio el amarillo y los compuestos de cobre el azul. Entre estos colores, el azul puro e intenso es sensible a la temperatura, por lo que los pirotécnicos lo consideran el más difícil de conseguir.
Procedimiento y limitaciones del ensayo a la llama
El ensayo a la llama que se realiza en la escuela es sencillo. Se sumerge un alambre de platino o de nicromo en ácido clorhídrico diluido y se calienta en la llama para limpiarlo hasta que deje de producir color. Después se recoge un poco de muestra con el alambre, se introduce en la zona externa de la llama, donde la temperatura es más alta, y se observa el color.
El ensayo a la llama tiene algunas limitaciones claras.
(1) Interferencia del sodio
La luz amarilla del sodio es tan intensa que incluso una cantidad muy pequeña en la mezcla enmascara los demás colores. Por eso, para comprobar si aparece el violeta del potasio, se observa la llama a través de un vidrio de cobalto que filtra la luz amarilla.
(2) Colores parecidos y subjetividad
Los tonos rojizos, como los que producen el litio, el estroncio y el calcio, son difíciles de distinguir a simple vista, y la apreciación puede variar de una persona a otra.
(3) Alcance limitado de la identificación de elementos
No todos los metales producen un color de llama bien definido y también es difícil medir con exactitud la cantidad presente. Hoy en día, para analizar con precisión la composición se emplean técnicas instrumentales como la espectrometría de emisión atómica.
El ensayo a la llama permite ver con nuestros propios ojos que cada elemento emite una luz característica. La espectroscopia nació cuando Bunsen y Kirchhoff descompusieron esa luz para observarla, y el mismo principio llegó a aplicarse al estudio de la luz de las estrellas para determinar la composición de cuerpos celestes lejanos.
Recordar que incluso el color de una sola llama revela algo sobre los átomos es el primer paso para comprender, mediante el pensamiento científico, el mundo invisible de la materia.
