Fumata blanca, fumata negra
Serie: Cómo la Química transforma el mundo
Juan José Borrás Almenar -Universitat de València
En la anterior entrega, publicada justamente el 21 de abril, día de la muerte del papa Francisco, hablamos del pigmento responsable del morado cardenalicio. El día 8 de mayo el Cónclave de cardenales eligió al sucesor de Francisco, León XIV. La comunicación al mundo de que los cardenales electores habían elegido al nuevo Papa, se realizó utilizando un viejo ritual. El humo blanco emergiendo de la pequeña chimenea situada en la Capilla Sixtina anunciaba la noticia. Los tres escrutinios previos en los que ninguno de los candidatos consiguió los 89 votos necesarios, se anunciaron con un humo negro. Por eso durante estos dos días esta mítica chimenea ha sido uno de los objetos más observados en este planeta.
Pero el arte de conseguir que la fumata sea blanca o negra reside en una receta química minuciosamente diseñada para garantizar que unas simples volutas de humo transmitan un mensaje claro e inequívoco: Habemus Papam!!!
Dos chimeneas en la Capilla Sixtina
Entre los preparativos del Cónclave, uno de los destacados tiene que ver con la logística relacionada con el procesado de las papeletas y con el anuncio del resultado de cada escrutinio. Hasta 2005, fecha de elección del papa Benedicto XVI, se utilizó una estufa construida en 1939. En ella se quemaban las papeletas utilizadas por los cardenales electores (asegurando así el secreto del voto). Las papeletas se mezclaban o bien con paja fina ligeramente humedecida si se deseaba una fumata blanca o bien con carbón o alquitrán de hulla si se deseaba lograr una fumata negra. Con esta estufa se procedió a la elección de los papas Pío XII (1939), Juan XXIII (1958), Pablo VI (1963), Juan Pablo I (1978), Juan Pablo II (1978) y Benedicto XVI (2005). El problema es que este tipo de combustiones generaban a menudo un humo de color gris que causaba confusión entre los expectantes ciudadanos que aguardaban en la plaza de San Pedro.
Posteriormente a la elección de Benedicto XVI se decidió mejorar el proceso, sin perder su esencia. Para ello se incorporó una segunda estufa con la finalidad de asegurar mejor el color de la fumata, evitando posibles ambigüedades. Esta estufa dispone de un dispositivo electrónico para provocar la ignición de unos cartuchos que contienen una mezcla pirotécnica. Todo ha de estar ajustado de manera minuciosa para excluir cualquier fallo técnico que podría tener unas repercusiones internacionales notables.
Llama poderosamente la atención que en un espacio decorado con los maravillosos frescos de Miguel Ángel, se haya de instalar este relativamente complejo sistema formado por dos estufas cuyos conductos de emisión de humos confluyen en uno solo, que es el que está conectado con la chimenea exterior.
Fuegos artificiales
Como les adelantaba, lo que se utiliza para conseguir el efecto deseado son, en realidad, mezclas pirotécnicas cuidadosamente preparadas y envasadas en cartuchos que se encienden de manera electrónica, de modo muy semejante a como se hace en un castillo de fuegos artificiales, tan habituales en nuestra tierra. Estos cartuchos están diseñados en cinco etapas que se activan de manera secuencial y emplean para su combustión completa aproximadamente 7 minutos.
Para lograr un humo negro, espeso y oscuro, se utiliza una mezcla de perclorato de potasio, azufre y antraceno. Por el contrario. para conseguir un humo blanco se utiliza una combinación de clorato de potasio, lactosa, y colofonia de pino.
Ya que esta columna está dedicada a explicar cómo la química está presente en nuestro entorno, permítanme que les hable sucintamente de estos compuestos que aparecen nombrados anteriormente.
Como estamos en una tierra apasionada por la pólvora, muchos de ustedes sabrán cuáles son sus principales componentes. Se trata de una mezcla de nitrato de potasio, de carbón finamente pulverizado y de azufre en unas proporciones en peso aproximadamente 75:15:10. La mezcla para conseguir la fumata negra es parecida. El perclorato de potasio, KClO4, es una sustancia oxidante, y que va a suministrar el oxígeno necesario para que la mezcla pueda quemarse correctamente. El azufre es una sustancia reductora que se convierte, casi en su totalidad, en sulfuro de potasio, K2S. La clave del humo negro está en el antraceno, un compuesto aromático policíclico de fórmula C14H10. Como todos los hidrocarburos, al reaccionar con el O2 generado por el perclorato, se produce una reacción de combustión que da lugar a CO2 y agua, mayoritariamente. Pero cuando la combustión del antraceno se produce con defecto de oxígeno, además de la combustión se produce una reacción química que se conoce con el nombre de pirolisis. El término pirolisis significa literalmente rotura por efecto de la temperatura. Efectivamente, a altas temperaturas y en defecto de dioxígeno, las moléculas de hidrocarburos pueden dar lugar a otros productos orgánicos diferentes a los óxidos de carbono. Por ejemplo, pueden dar lugar formar pequeñas partículas de carbón, lo que denominamos genéricamente hollín (ese que se encuentra en las paredes de las chimeneas de las viejas casas de campo).
El proceso es parecido a lo que ocurre cuando aceleramos bruscamente un viejo motor diésel. El humo negro que sale del tubo de escape nos indica que el gasóleo no se está quemando de manera completa y está generando esas partículas de hollín. Los filtros de partículas de los automóviles diésel modernos, tienen la finalidad de minimizar la emisión a la atmósfera de esas partículas. Pero en el caso que nos ocupa, es justamente eso lo que se pretende, una combustión incompleta del antraceno que da lugar a esa fumata negra.
¿Qué ocurre con la mezcla química que da lugar a la fumata blanca? En esta mezcla, el compuesto que aporta el oxígeno es el clorato de potasio, KClO3, otro viejo conocido de los pirotécnicos. El lector atento puede que haya vuelto a leer el nombre, por si acaso es el mismo compuesto de potasio que mencioné en la mezcla anterior. Pero no, no es el mismo. Un átomo de oxígeno menos da lugar a un compuesto con propiedades ligeramente diferentes. La colofonia es un producto que se obtiene a partir de la resina de pino, de color ámbar tan reconocible por todos. En realidad, se trata de una mezcla compleja de diversos compuestos de naturaleza orgánica, compuestos mayoritariamente por carbono, oxígeno e hidrógeno. El otro componente es la lactosa, C₁₂H₂₂O₁₁. La lactosa es el azúcar mayoritariamente presente en la leche de cualquier mamífero. En realidad, se trata de un disacárido formado por la condensación de una molécula de glucosa y otra de galactosa. La combustión de esta lactosa, rica en oxígeno, es muy eficaz y genera CO2 y agua. No se producen procesos pirolíticos como en el caso del antraceno.
La pregunta que alguien se podría plantear es, ¿por qué el humo formado por esta segunda mezcla pirolítica es blanco? Es una cuestión muy pertinente porque el CO2 es un gas incoloro. El responsable del color blanco de este humo es, en realidad, el agua que se genera. Debido al calor liberado en cualquier proceso de combustión, las moléculas de agua están en estado gaseoso. Pero dependiendo de la temperatura del aire, muchas de ellas pueden condensar en pequeñas microgotas de agua líquida. Son estas pequeñas gotas, invisibles a simple vista, las que dispersan la luz incidente, creando ese efecto de nube blanca.
La percepción de los colores. ¿Por qué vemos las cosas blancas, negras o de color?
El color que percibe nuestro cerebro depende de cómo interacciona la luz con la materia que forma ese objeto que estamos viendo. Cuando hablamos de luz en este contexto, en realidad nos estamos refiriendo a la luz visible, que es un tipo de radiación electromagnética al igual que la radiación ultravioleta, infrarroja, de microondas o los rayos X, por citar solo algunos tipos de radiaciones. ¿Qué es lo que caracteriza a la luz visible para los humanos? Pues que su longitud de onda está en un rango muy específico, entre 400 y 700 nm. Es en ese rango de longitudes de onda en el que las estructuras celulares que configuran nuestra retina pueden ser estimuladas por esta radiación.
Sabemos desde hace siglos que la luz blanca, en realidad, es una combinación de radiaciones de diversos colores. Fue el notable científico Isaac Newton (1643–1727) quien puso de manifiesto esta característica de la luz blanca. Utilizando un prisma de vidrio, descubrió que cuando un haz de luz blanca atravesaba un prisma de vidrio, se descomponía en una sinfonía de colores. De alguna manera estaba reproduciendo en su habitación el mecanismo por el que se produce el arco iris. Podemos imaginarnos a Newton maravillado por el espectáculo que supondría desvelar ese secreto de la luz blanca.
Pues bien, cuando la luz blanca incide sobre cualquier objeto, las moléculas que constituyen ese objeto absorben determinadas fracciones de esa luz. El resultado es que la luz que refleja el objeto carece de esas fracciones absorbidas y, por tanto, ya no se trata de luz blanca. Ahora tendrá un color resultante de la conjunción de todos aquellos colores que no fueron absorbidos por las moléculas que conforman la superficie del objeto. De manera muy simplificada, si se absorbe el color azul, el objeto lo percibiremos amarillo, y si se absorbe el verde, lo veremos magenta. Esa es la clave para entender el color de los objetos. Es la combinación de los colores reflejados lo que percibe nuestro cerebro. Pongamos un ejemplo. La clorofila es el pigmento responsable del color característico de las plantas verdes. Esta molécula absorbe en la zona del espectro visible que corresponde con los colores azul y rojo. El color que observamos es justamente el verde.
Cuando nuestras madres y abuelas iban a comprar las telas para confeccionar un vestido, salían de la tienda para observar “a la luz del día” su verdadero color. Ellas sabían que no era lo mismo observar los colores bajo la amarillenta luz producida por las bombillas incandescentes, que bajo la luz que recibimos del sol en pleno día.
Entonces, ¿por qué percibimos ese color blanco de una camisa o una sábana recién lavadas? Porque las fibras de ese algodón puro del tejido no absorben ninguna fracción de la luz blanca. La luz blanca incidente, por tanto, se refleja en toda su integridad y, por eso, el color percibido es, en realidad, el no color (el blanco).
Hay otro mecanismo físico que nos ayuda a entender el color. Fijémonos ahora en un vaso de vidrio conteniendo agua. Ni la materia que forma el vidrio ni las moléculas de agua interaccionan apreciablemente con la luz blanca. Por tanto, la luz atraviesa el vaso y percibimos el conjunto perfectamente incoloro pero, al tiempo, transparente puesto que podemos ver lo que hay detrás. Si ahora llenamos el mismo vaso con leche, la cosa cambia dramáticamente. La leche es en realidad una dispersión de pequeñas gotitas de grasa en un medio esencialmente acuoso. Los químicos definimos este sistema como una dispersión coloidal. Esas pequeñas gotitas de grasa son de un tamaño suficientemente grande para reflejar la luz en todas direcciones. Lo que se produce ahora es una luz reflejada que contiene todos los colores y que, de nuevo, percibimos como luz blanca. Como la totalidad de la luz se ve reflejada, la dispersión es opaca a diferencia de lo que ocurre en el caso del agua líquida.
Ahora pensemos por qué las nubes que se desarrollan en las cálidas tardes de verano, a menudo, son perfectamente blancas. En realidad, una nube no es más que el resultado de una agrupación enorme de un número ingente de pequeñas gotitas de agua en estado líquido. El tamaño de estas gotitas depende mucho del tamaño de la nube y de la temperatura en su interior, etc. Pero cuando tiene un tamaño determinado, estas gotitas son capaces de dispersar la luz blanca incidente en todas direcciones (al igual que las gotitas de grasa de la leche). El resultado es que, al observarlas desde la distancia, nos da la sensación de que son blancas.
Y ya por completar la discusión solo necesitaríamos entender qué es lo que ocurre para que percibamos que un objeto es de color negro. En este caso, la materia que forma este objeto es capaz de absorber todos los colores de la luz blanca. El resultado es que no se refleja ninguna fracción de la luz incidente. En este caso nuestros ojos no reciben radiación alguna y, consecuentemente, el color visto por nuestro cerebro es el negro.
Volviendo a la fumata negra, las partículas de hollín formadas al quemar incompletamente el antraceno son capaces de absorber todos los colores de la luz blanca incidente. Por eso, a plena luz del día, observaremos un humo oscuro. Sin embargo, en la fumata blanca, son las pequeñas gotitas de agua líquida en suspensión, las responsables de dispersar la luz blanca y darnos la sensación de que el humo es blanco.
A modo de corolario final
Puede que en alguna ocasión hayan viajado por las inmediaciones de la central nuclear de Cofrentes, con sus dos enormes chimeneas emitiendo sendas columnas de “humo blanco”. En realidad, no se trata de humo resultado de ninguna combustión, sino la consecuencia del enfriamiento del vapor de agua generado para producir la electricidad. La refrigeración convierte el agua gaseosa en pequeñas gotitas de agua líquida que, al ser emitidas a la atmósfera, nos dan la misma sensación que las nubes. En general, no hay que preocuparse cuando veamos humos blancos. Pero cuando se trate de humos negros, entonces si hay que intentar alejarse todo cuanto sea posible de su origen, por si acaso.