Abbiamo tutti sentito parlare di fuoco e lo vediamo quasi ogni giorno in fiammiferi, accendini, fuochi d’artificio, piani cottura a gas e caminetti. Ma questa reazione apparentemente semplice è in realtà un evento scientifico complesso.

Cos’è esattamente il fuoco?

Il fuoco è una reazione esotermica, auto-perpetuante che si verifica quando un combustibile solido, liquido o in fase gassosa subisce una rapida ossidazione. Questo è noto come combustione, e la reazione rilascia calore, luce e ulteriori reazioni chimiche.

Pur consentendo altre reazioni, la combustione è prevalentemente caratterizzata dalla combinazione di materiali combustibili con un agente ossidante.

Quando il combustibile e un agente ossidante vengono riscaldati oltre una certa temperatura, si verificano reazioni chimiche esotermiche che vengono mantenute dall’energia termica aggiuntiva che generano continuamente.

Pertanto, affinché un incendio possa essere prodotto dalla combustione, questi quattro elementi sono essenziali. Questa relazione può essere concettualizzata nel tetraedro del fuoco.

Il modello del tetraedro del fuoco

Il tetraedro del fuoco è una rappresentazione degli elementi necessari al verificarsi di un incendio. Le quattro facce del tetraedro sono combustibile, un agente ossidante (solitamente ossigeno), energia termica e una reazione a catena disinibita.

Perché il fuoco ha bisogno di carburante?

Il carburante si riferisce a un materiale infiammabile o combustibile che viene utilizzato per iniziare il processo di combustione. Mentre il combustibile può essere solido (legno), liquido (benzina) o gas (propano), i materiali bruceranno solo quando sono in fase di vapore. Ciò significa che affinché il fuoco inizi, deve esistere una fase gassosa combustibile.

La fase gassosa si ottiene quando un materiale viene riscaldato superato il suo punto di infiammabilità al fine di esercitare una pressione di vapore che può infiammarsi in aria e sostenere la combustione.

Un esempio di materiale combustibile solido, e forse la forma più comune di combustibile, è il legno. Questo composto ha molecole ad alto peso molecolare che includono materiali come lignine e cellulosa di carboidrati presenti in natura.

Affinché il legno raggiunga la fase gassosa necessaria, questi materiali devono subire la decomposizione termica mediante pirolisi. Ciò si verifica quando il legno viene riscaldato oltre il suo punto di infiammabilità, che provoca la cellulosa, e altri materiali, a decomporsi in piccole molecole che possono quindi esistere in fase gassosa. Quando questi gas raggiungono la loro temperatura di accensione, inizia la combustione.

Energia termica

L’energia termica è necessaria per avviare l’accensione del carburante e per portarlo alla temperatura minima richiesta per diventare autosufficiente. Questo è indicato come la temperatura di accensione.

L’energia termica viene prodotta durante la combustione perché la reazione è esotermica. Il calore viene rilasciato quando i legami chimici si rompono e si formano durante le reazioni chimiche. Poiché queste reazioni sono in corso, la combustione rilascia più calore di quello necessario per sostenere un incendio. Questo è ciò che rende un fuoco auto-perpetuante, e anche ciò che lo rende caldo.

Che cos’è un agente ossidante?

È necessario un agente ossidante per sostenere la combustione reagendo con il combustibile. L’ossigeno nell’aria è l’agente più comune utilizzato. Una volta che i gas volatili rilasciati dal combustibile hanno raggiunto la temperatura di accensione, le molecole composte si rompono e si ricombinano con l’ossigeno per formare vapore acqueo, anidride carbonica, vari prodotti di combustione e più calore. Questo processo è chiamato ossidazione e può essere riconosciuto come bruciore e fumo.

Reazione a catena disinibita

La faccia finale del tetraedro è la reazione a catena disinibita abilitata dalla reazione tra carburante, calore e ossigeno. Una reazione a catena disinibita si riferisce alla capacità auto-perpetuante della combustione.

A causa delle continue reazioni che avvengono tra carburante e ossigeno, che generano quantità eccedenti di energia termica, la fiamma sarà sempre abbastanza calda da mantenere il carburante alla temperatura di accensione. Pertanto, il fuoco continuerà a bruciare finché c’è abbastanza carburante e ossigeno disponibile. Questo processo termina allo stesso modo quando queste fonti sono state spese.

Conflagrazione: come si diffonde il fuoco?

Il pericolo di queste reazioni chimiche è il fatto che sono autosufficienti. Il fuoco può diffondersi proprio a causa della reazione a catena disinibita che si verifica dalla combustione e dall’energia termica che mantiene il carburante al di sopra del punto di accensione.

Il calore delle fiamme è in grado di riscaldare il combustibile circostante, sia che si tratti di legna vicina o di liquidi infiammabili. Se questo combustibile vicino viene riscaldato superato il suo punto di infiammabilità, gas volatili saranno rilasciati come il carburante entra nella sua fase gassosa. A questo punto, le fiamme sono in grado di accendere il gas e diffondersi. Finché ci sono carburante e ossigeno disponibile, il fuoco è in grado di propagarsi.

Quando si tratta di come il fuoco viaggia, tutto si riduce alla gravità. I gas caldi nel fuoco sono più caldi e meno densi dell’aria circostante. Pertanto, si muovono verso l’alto dove c’è una pressione più bassa. Questo è il motivo per cui il fuoco viaggia in salita, e anche perché le fiamme sono puntate.

Chimica della fiamma

Ci sono una varietà di colori associati alle fiamme. Questi dipendono dalla composizione chimica del combustibile che viene bruciato, dai prodotti di reazione generati e dal calore con cui sta bruciando. Ad esempio, il colore blu in fiamme è dovuto alla presenza di carbonio e idrogeno, ma indica anche che è la parte più calda della fiamma. Se ci fossero composti di rame bruciati, d’altra parte, le fiamme sarebbero verdi.

La variazione di colore in una fiamma è dovuta alla temperatura non uniforme. Un tipico esempio di questo è quando un incendio subisce una combustione incompleta. Questo accade quando non c’è abbastanza ossigeno per tenere il passo con la combustione di carburante, ed è comunemente visto in falò. Questo perché c’è solo il 21% di ossigeno nella nostra atmosfera, e mentre questo è sufficiente a causare l’ossidazione non è sufficiente per tenere il passo con le molteplici reazioni chimiche che avvengono durante la combustione.

Non essendo in grado di reagire con l’ossigeno, parte del combustibile si carbonizza con se stesso per creare fuliggine. La fuliggine diventa estremamente calda e inizia a emettere una luce bianca visibile. Le particelle di fuliggine che si alzano nell’aria iniziano a raffreddarsi, causando lo spostamento del loro spettro di emissione all’infrarosso. Questo è il motivo per cui la parte superiore di un fuoco è di solito rosso, mentre il fondo in più giallo-bianco. Quando c’è una combustione completa, il che significa che c’è una quantità sufficiente di ossigeno, la fiamma brucerà blu. I cambiamenti nel colore della fiamma causati dai tassi di combustione sono più facilmente visibili nei bruciatori Bunsen, dove è possibile controllare manualmente la quantità di ossigeno che viene alimentata alla fiamma.