Cos’è il fuoco e cosa serve per ottenerlo

Anche se in passato era definito come uno dei "quattro elementi", oggi sappiamo che il fuoco non è uno degli stati della materia, quanto piuttosto il risultato di un processo chimico-fisico. Esso infatti si manifesta come un bagliore (detto fiamma), causando il rilascio di grandi quantità di calore e gas e spegnendosi quando la reazione finisce. Andiamo quindi a vedere come si ottiene il fuoco e per quale motivo non è considerato uno stato della materia.

Cos'è la combustione?

Per ottenere il fuoco è necessario prima definire il processo di combustione.
La combustione è una reazione chimica fra molecole che comporta l'ossidazione di un elemento, il quale perde uno o più elettroni, e la riduzione di un altro, che guadagna elettroni. Questa reazione genera calore e radiazioni elettromagnetiche, fra cui luce visibile (la fiamma). Per innescare il processo di combustione sono necessari tre "ingredienti":

• un combustibile – un materiale solido, liquido o gassoso che subisce una sottrazione di elettroni, come ad esempio zolfo, idrogeno o lunghe catene di carbonio;
• un comburente – ovvero l'agente che permette la reazione di ossidazione, come l'ossigeno;
• una sorgente di calore – ad esempio una scintilla.

Ma perché abbiamo bisogno di una sorgente di calore per accendere un fuoco?
Il combustibile deve potersi trasformare in gas e deve trovarsi a temperature elevate affinché il processo di combustione si instauri. Una volta riscaldato, infatti, il combustibile subisce il processo di pirolisi, una decomposizione chimica che permette agli atomi presenti (nel caso del legno ci riferiamo ad atomi di carbonio) di dividersi dagli altri elementi, come l’idrogeno. Il carbonio si lega poi all’ossigeno dell’aria grazie al processo di ossidazione, in cui il carbonio cede all’ossigeno un elettrone. Si cominciano quindi a formare i primi prodotti: anidride carbonica (CO₂) e acqua (H₂O). Se la reazione chimica non è completa, ovvero quando l’apporto di ossigeno è limitato, si può creare monossido di carbonio (CO), che è tossico, e fuliggine, costituita da lunghe catene di carbonio.

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La reazione di combustione è esotermica, ovvero sprigiona calore. In funzione del tipo di combustibile utilizzato, il calore rilasciato dalla combustione sarà più o meno elevato. Per definire questa proprietà termica si parla di potere calorifico. Ad esempio, la benzina ha un potere calorifico molto più elevato del legno, dunque a parità di volume bruciato sprigionerà una quantità maggiore di calore.

Come si origina? Dal fuoco alla fiamma

Una volta innescato il processo di combustione, esso si autoalimenta utilizzando il calore generato per innescare nuove reazioni. La combustione non genera solo prodotti chimici, ma è accompagnato anche da fenomeni fisici.
Il primo è la chemiluminescenza, ovvero la generazione di fotoni da parte di elettroni eccitati. Questo fenomeno spiega la formazione di luce blu attorno al punto di combustione che può arrivare a 1400 °C. Un secondo fenomeno, l’incandescenza, si può instaurare attorno a questa fiamma e genera luce di colore rosso. Questa luce è più fredda e la sua temperatura varia dai 500 °C ai 900 °C. In questo strato vi è la formazione di fuliggine, che tende a brillare a queste temperature, e si sprigiona di conseguenza anche calore.

Il colore della fiamma e la sua temperatura dipendono dal tipo e dalla quantità di comburente presente durante la reazione. Per facilitare il processo di combustione, infatti, si può pre-miscelare comburente e combustibile in quantità differenti. In carenza di ossigeno la combustione sarà meno efficiente, si creerà fuliggine e la fiamma prenderà una colorazione rossastra (1). In presenza di una miscela ricca di ossigeno il colore della fiamma apparirà blu, senza generazione di prodotti di combustione intermedi (4).

Il fuoco è quindi il risultato di tante reazioni di combustione che generano prodotti solidi e gassosi, calore e radiazioni elettromagnetiche, fra cui i fotoni. In mancanza di comburente o combustibile, la reazione si interrompe e il fuoco si spegne.

Perché il fuoco scoppietta?

Chiudiamo questo articolo con una curiosità. L’acqua, intrappolata nel combustibile, evapora a causa delle alte temperature e la pressione interna aumenta. Questo fenomeno rompe le strutture chimiche circostanti, generando il caratteristico scoppiettio.