Perché la fiamma dei fornelli a gas è blu e cosa significa quando diventa giallo-rossa

Chiunque abbia una cucina a gas in casa sa che, una volta accesi, i fornelli si forma subito una fiammella blu/azzurrina, molto diversa da quella rossa/arancione generata da una candela o da un camino a legna. Potremo pensare che il colore della fiamma dipenda dal suo combustibile, che nel caso dei fornelli è tipicamente gas metano o talvolta, in aree non servite da impianti di distribuzione, GPL in bombola. In realtà, anche questi gas nelle condizioni sbagliate possono formare fiamme più rossastre: fornelli malfunzionanti portano alla formazione di residui di particelle carboniose dette comunemente fuliggine, che rese incandescenti emettono un forte colore giallo-rosso. La fiamma blu indica semplicemente la combustione completa dell'idrocarburo (metano o GPL che sia), senza residui, ottenibile solamente pre-miscelando il combustibile con la giusta quantità di aria: un principio reso famoso dal chimico tedesco Robert Wilhelm Bunsen, inventore del cosiddetto "becco Bunsen", uno strumento presente in moltissimi laboratori. Attenzione però: "combustione completa" non significa che la fiamma non liberi composti inquinanti, come gli ossidi di azoto (NO_x). Per questo è sempre importante arieggiare gli ambienti durante le cotture.

Bunsen e la perfetta miscela gas/aria

La fiamma blu è un indicatore della combustione completa di tutto il gas che utilizziamo, senza lasciare residui: significa che la combustione sta avvenendo nella maniera più ottimale, grazie a un perfetto bilanciamento dei reagenti (gas, combustibile e ossigeno, comburente). Con l'avvento della chimica moderna, gli scienziati compresero che la materia era composta di molecole ed atomi, e che le reazioni tra diversi composti seguivano precise regole matematiche: come in una ricetta, gli "ingredienti" vanno mescolati utilizzando le giuste quantità per ottenere il risultato migliore. In chimica, questo rapporto tra gli ingredienti viene definito "rapporto stechiometrico".

Nei nostri fornelli avviene una reazione chimica di combustione e il giusto rapporto stechiometrico per un gas che brucia (combustibile) si ottiene fornendo un volume adeguato di aria e quindi la giusta quantità di molecole di ossigeno (comburente).

Il chimico Robert Wilhelm Bunsen sperimentò nel 1857 diverse modifiche agli esistenti bruciatori, diffusi da decenni nei laboratori chimici delle grandi città europee, dove gas come il metano erano già usati per l'illuminazione di edifici e strade. Praticando alcune aperture a un cilindro metallico, da poter aprire o chiudere a piacimento con un apposito "collare", Bunsen riuscì a regolare e miscelare finemente metano ed aria prima di arrivare alla fiamma, ottenendo così una combustione regolabile alla perfezione e raggiungendo temperature più alte.

Ancora oggi, il raggiungimento del giusto rapporto aria/gas è indicato dal passaggio della fiamma dal colore arancione/giallo, dovuto alle particelle di fuliggine incandescenti, a una fiamma azzurrina, tipicamente divisa in una zona di colore più intenso (dove si trova l'area più calda, a circa 1500° C nel punto più alto) e una più grande area quasi invisibile.

Perché la fiamma è proprio blu e non di un altro colore

Tutto dipende dalla temperatura che si raggiunge e dalle radiazioni elettromagnetiche che alcune particelle emettono durante la reazione di combustione. Ogni materiale, scaldandosi emette una radiazione nell'infrarosso (quella che percepiamo come calore, avvicinandoci alla fiamma), ma sopra una certa temperatura, questa radiazione cade anche nel campo del visibile. Per esempio, la luce giallo/rossa è dovuta alla "radiazione di corpo nero" delle particelle di fuliggine. È quello che succede anche alle resistenze di un forno, che diventano "rosso incandescente" quando in funzione, o ai filamenti di una vecchia lampadina che a temperature più alte (3000 °C) brillano di una luce intensa e gialla.

In assenza di fuliggine, possiamo però osservare una luce molto meno intensa e bluastra, dovuta in questo caso alle molecole intermedie nelle reazioni di combustione: si tratta di radicali, specie instabili come OH* e CH*. Gli elettroni di queste molecole possono acquistare energia per via delle alte temperature, e ricadendo allo stato fondamentale cedono l'energia in eccesso sotto forma di radiazione elettromagnetica che il nostro occhio vede come "luce". Questi radicali emettono radiazioni tra i 300 e i 500 nm, lunghezze d'onda che ai nostri occhi appaiono tra il viola e il blu-azzurro.

La diffusione delle cucine a gas

La combustione completa del gas elimina i residui carboniosi, ossia la fuliggine, che fa annerire gli oggetti in prossimità di fiamme come quelle di una candela: questo ha anche permesso di ridurre fortemente i gas incombusti (che rimangono dopo la combustione), perché un gas ben miscelata all'ossigeno brucia completamente, producendo solamente CO₂ e umidità.

La diffusione di cucine (e caldaie) a gas, costruite sfruttando questo principio, ha permesso di passare dall'uso di camini e forni a legna a metodi di cottura e riscaldamento più sicuri e puliti nelle nostre case, liberandole dalla fuliggine. In Italia quasi il 69% delle famiglie possiede una cucina a gas, nonostante la sempre crescente diffusione dei fornelli elettrici e soprattutto dei piani ad induzione.

Nei fornelli a gas il metano è pre-miscelato all'aria prima di uscire dal bruciatore, e in condizioni normali la fiamma sarà sempre blu: otturamenti dei condotti o altri problemi possono portare alla formazione di fiamme più rossastre, indicando la necessità di manutenzione.

Fa eccezione la classica fiamma gialla che vediamo quando schiuma o acqua salata fuoriescono dalla pentola su fuoco: in quel caso, il colore momentaneo delle fiamme dipende dalla presenza del sodio nell'acqua e in particolare la distribuzione dei suoi elettroni, una caratteristica sfruttata nell'analisi chimica detta "saggio alla fiamma" per identificare i sali o le polveri metalliche.

I problemi del gas

Come anticipato, però, la combustione completa non ci libera da emissioni nocive, che possono facilmente aumentare l'inquinamento indoor. Durante la combustione, infatti, il calore favorisce la formazione di ossidi di azoto (NO_x), in particolare, il biossido di azoto (NO₂) che possono causare irritazioni alle vie aeree, soprattutto nei bambini, e favorire l'insorgere di asma; oltretutto, la combustione riduce la quantità di ossigeno presente nell'aria mentre arricchisce quella della CO₂, per quanto le quantità di gas bruciato per un pasto siano ridotte.

Uno studio del CLASP, che coinvolge 7 paesi europei compresa l'Italia, evidenzia come gli NO_x siano presenti a concentrazioni fino a 3 volte più alte nelle case con fornelli a gas, soprattutto nell'area della cucina. Lo studio non è particolarmente esteso (sono solo 40 le abitazioni monitorate in Italia, di cui solamente 2 con fornelli elettrici/a induzione) ma le conclusioni sono in linea con altri studi internazionali: anche per questo motivo, oltre che per ridurre le emissioni di CO₂, lo Stato di New York (USA) ha bandito l'installazione di impianti a gas negli edifici di nuova costruzione.

Che accorgimenti possiamo prendere, oltre a cambiare elettrodomestici, una alternativa certamente costosa? Sicuramente utilizzare cappe e sistemi di aerazione che portino all'esterno i prodotti indesiderati della cottura resta la precauzione numero uno. Un altro accorgimento è quello di arieggiare bene gli ambienti: "isolare" la cucina, chiudendo le porte verso l'interno e aprendo quando possibile le finestre per favorire il ricircolo d'aria, può aiutare a ridurre ancora le concentrazioni di NO_x nelle nostre case, a patto che l'aria esterna sia relativamente pulita.

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