¿Qué ocurre dentro y debajo de una llama de gas amarilla o azul?

Question

No estoy seguro de si esto es más química o física, pero aquí va...

Considere la posibilidad de Mechero Bunsen y la llama que produce cuando las entradas de aire están cerradas o abiertas. Según la descripción de la página de Wikipedia enlazada, la combustión es incompleta cuando las entradas de aire están cerradas, pero esencialmente completa cuando las entradas de aire se ajustan adecuadamente.

Esto plantea una serie de preguntas sobre lo que ocurre en cada escenario.

¿Por qué la combustión es incompleta cuando las entradas están cerradas? ¿No se mezclarían los gases al ascender permitiendo que ardiera la mayor parte o la totalidad del combustible? ¿Dónde se produce exactamente la combustión en relación con la incandescencia? Evidentemente, no más abajo de la punta del quemador, donde el gas combustible se encuentra con el aire, pero ¿a qué altura de la llama visible? Según la respuesta a esta pregunta la combustión sólo se produce en la capa exterior, pero ¿cómo es posible que el combustible permanezca sin exponerse al aire hasta que esté demasiado frío para reaccionar?

Parece que incluso cuando las entradas están abiertas, la combustión sólo se inicia en la punta del quemador, no en el interior del barril... ¿por qué? ¿Qué impide que la llama descienda hacia el interior del barril, donde el combustible y el aire ya se están mezclando?

El motivo de mi pregunta es el deseo de entender cómo mi chimenea de gas puede hacer una bonita llama amarilla mientras que las llamas de una encimera de gas o una barbacoa de gas son azules.

Answer 1

La emisión amarilla tiene un espectro continuo. Por tanto, no se debe a un átomo ni a una molécula. Se debe a un cuerpo negro sólido, lo suficientemente caliente como para emitir luz (alrededor de $1000$ °C). La materia sólida es carbono sólido $\ce{C_n}$ con un desconocido pero bastante alto $n$ valor. La presencia de carbono sólido puede demostrarse introduciendo un tubo de vidrio frío durante un rato en la llama amarilla. Pronto se cubre de hollín negro.

La llama azul ha sido analizada por Herzberg en $1939$ . Su espectro está formado por finas líneas pertenecientes a la molécula inestable $\ce{C2}$ . La distancia entre las líneas es típica del espectro de vibración de la molécula diatómica $\ce{C2}$ .

Así pues, cuando se quema, el escenario es el siguiente: La molécula de metano (o de cualquier otro alcane) comienza por perder su $\ce{H}$ átomos, que se queman para hacer $\ce{H2O}$ . A continuación, el resto $\ce{C}$ átomos inician la polimerización para producir la primera $\ce{C2}$ que emite una luz azul. Entonces, si hay suficiente oxígeno disponible, el $\ce{C2}$ moléculas se oxidan en $\ce{CO2}$ . Pero si falta oxígeno, la polimerización continúa hasta producir un cuerpo negro (hollín) lo suficientemente caliente como para emitir una luz continua. Al final, cuando el gas caliente sale de la llama, este polímero de carbono caliente es oxidado por el aire exterior en $\ce{CO2}$ sin producir luz.

Por supuesto, si falta mucho oxígeno, la llama puede producir depósitos negros de hollín, pero esto nunca ocurre en un mechero Bunsen.

Answer 2

Como te ha dicho Ed V, hay muchas preguntas contradictorias, pero muy interesantes. Intentaré responder a su pregunta clave.

Consideremos un mechero Bunsen y la llama que produce cuando las entradas de aire están cerradas o abiertas. Según la descripción de la página Wikipedia, la combustión es incompleta cuando las entradas de aire están cerradas, pero esencialmente completa cuando las entradas de aire se ajustan adecuadamente. adecuadamente ajustadas.

El punto clave es el principio de Bernoulli en acción en un mechero Bunsen. Si nos fijamos en la base del mechero, el combustible entra en el tubo vertical a través de un orificio muy estrecho (véase la parte "a" de la imagen). Por lo tanto, la velocidad del combustible es bastante alta en la base del quemador. Esto también crea vacío en la base del quemador. Dependiendo del tamaño de la abertura de aire en la base (ajustable en los quemadores modernos), se aspira aire.

Ahora bien, el diámetro del tubo del quemador no es muy estrecho, por lo que no hay turbulencias (especulación mía), sino que los gases (combustible y oxidante) tienen un flujo laminar. En un flujo laminar perfecto, los fluidos no deberían mezclarse en absoluto. El cono azul de la llama refleja la forma del flujo laminar de los gases. Es más rápido en el centro del tubo y más lento cerca de la periferia. La cantidad de oxígeno que entra en el orificio aún no es suficiente para quemar todo el combustible.

Tienes que confiar en la difusión de oxígeno en el aire para quemar el combustible restante.

Punto importante: En una llama azul pura no hay incandescencia. Este color azul es la emisión molecular.

Cuando la entrada está cerrada, el suministro de aire es definitivamente limitado. La llama es relativamente amarillenta. El cono desaparece y ahora tiene incandescencia de las partículas de hollín que se forman por la combustión incompleta.

Lo que es bastante interesante, y vi un video hace mucho tiempo en YouTube fue la pregunta, ¿qué pasa si el suministro de oxígeno y quemar la llama en la atmósfera del gas combustible. Todas estas estructuras de la llama desaparecen en una llamada llama inversa.

Imagen tomada de J. Chem. Educ. 2000, 77, 5, 558

EDITAR: Un lector pregunta por la evidencia del flujo laminar en el comentario. Piensa en el diámetro del tubo del mechero Bunsen, y piensa en las velocidades del gas necesarias para crear un número de Reynold superior a 2000. Con turbulencia no obtener un hermoso cono azul (indicativo de flujo laminar). Vea el ejemplo aquí Turbulencias en llamas

Answer 3

Los mecheros Bunsen son específicamente diseñado para que la llama no retropropague en el tubo

Las demás respuestas describen bien lo que ocurre en la llama en diferentes condiciones. Pero lo que falta es que los mecheros Bunsen son diseñado para conseguir las propiedades que se observan.

Para una llama "azul" en la que el aire fluye hacia el quemador por la parte inferior y está bien mezclado con el combustible (que es lo que la boquilla de gas y el tubo están diseñados para lograr), el tarifa del flujo de gas forma parte del diseño. Y esa tasa está pensada para producir una llama caliente y bien mezclada en la que el gas fluya lo suficientemente rápido como para evitar que la llama se propague por el tubo.

Cuando la entrada de aire está cerrada, el gas en el tubo es mayoritariamente combustible y la mezcla sólo se produce sobre la parte superior del tubo y es mucho menos eficaz, de ahí la llama amarilla resultante de una combustión sólo parcial. La llama no puede propagar abajo el tubo, ya que no hay aire para permitir que el combustible se queme. Por cierto, la mezcla es menos eficaz porque está limitada por la menor velocidad del gas en la parte superior del tubo en comparación con la mayor velocidad del combustible que sale por la pequeña abertura de la entrada de combustible, lo que provoca una mezcla turbulenta en el interior del tubo con el aire cuando la entrada inferior está abierta.

La mayoría de los quemadores de cocinas y fuegos están diseñados para funcionar con un combustible específico y crear el flujo ideal de aire/combustible bien mezclado a la salida de sus quemadores (y la mezcla depende del combustible, que es la razón por la que ). diferente Se necesitan quemadores para combustibles diferentes, como cuando hubo que reequipar las cocinas de gas del Reino Unido con nuevos quemadores cuando el gas de gol (una mezcla de hidrógeno y CO) fue sustituido por el gas natural (principalmente metano) en los años sesenta).

Por lo tanto, si desea ajustar una llama en su fuego para que sea amarilla para un efecto agradable, tendrá que juguetear con los cabezales del quemador para ajustar el flujo de aire entrante en esos cabezales del quemador. Esto puede ser muy difícil si los quemadores no están diseñados para ser ajustables y tendrá el efecto (posiblemente no deseado) de reducir en gran medida la cantidad de calor emitido.