Rieccoci a parlare di esperimenti da fare a casa, magari coinvolgendo fratelli ed amici. Oggi vi propongo una situazione dalla realizzazione estremamente semplice ma di grande effetto finale. L'obiettivo è comprendere, attraverso un'osservazione diretta, alcuni principi fondamentali della combustione e delle dinamiche dei fluidi e dei gas, un connubio di fenomeni che affascina tuttora gli scienziati.
Preparazione dell'Esperimento: Attrezzi e Materiali
Prima cosa da fare: chiamare i genitori ed avvisare che siete chimici provetti in fase di allestimento laboratoriale. Loro saranno i vostri assistenti e vi forniranno gli aggeggi utili al caso, insieme al necessario permesso per lavorare. Se foste già grandi a sufficienza per far da soli, consiglio comunque di avvisare e di fare in modo da non creare disagio.
Cominciamo con gli attrezzi da utilizzare; vi serviranno: una candela (e per candela intendo un mozzicone di quelli che finiscono nei cassetti e ci rimangono in attesa dell'eventuale black out elettrico; in alternativa penso si possa utilizzare anche il tipo di candela che è bassa e stretta, alta circa un centimetro e mezzo e molto utilizzata sui tavoli durante le cene un po' romantiche). Vi servirà anche un piatto, meglio se del tipo "fondo" (quello della pasta, per capirci); non deve essere il piatto del servizio di matrimonio dei vostri genitori, ma uno di quelli più consumati della cucina, magari uno di quelli che la mamma continua a dire di voler buttare. Andrebbe bene uno di quelli modello "picardie" (quelli delle mense, per capirci, che se cadono rimbalzano) e ancor meglio un becher in pirex.
Un elemento facoltativo, ma che aggiunge un tocco visivo notevole, è il colorante per dolci. Non è indispensabile per il funzionamento dell'esperimento, ma, volete mettere l'effetto dell'acqua colorata? Mica avete 4 mani!
Montaggio del Dispositivo Sperimentale
Una volta raccolti tutti i materiali, possiamo procedere con l'assemblaggio del nostro apparato sperimentale.
Mettere il piatto sul tavolo, in posizione agevole per poterci lavorare. Prendere la candela. Accendere la candela ed attendere un minutino che la cera cominci a fondere intorno allo stoppino. Piegare la candela sopra il centro del piatto e lasciare cadere qualche goccia di cera fusa. Prima che si raffreddi, appoggiare il fondo della candela alla cera nel centro del piatto e fissare la candela stessa. Attendere un minutino che il tutto si raffreddi. Ora che avete il piatto con la candela accesa fissata nel suo centro, è ora del liquido.
Potete optare per l'acqua, aggiungendo il colorante alimentare per un effetto visivo più marcato. In alternativa, potete utilizzare del tè, preparato in precedenza, mantenendo sempre la stessa altezza di circa un centimetro nel piatto. Il liquido non deve essere troppo profondo, giusto quel tanto che basti a coprire il bordo inferiore del bicchiere che andremo ad utilizzare.
L'Esecuzione e l'Osservazione
Adesso viene il momento cruciale e più suggestivo.
Prendete il bicchiere. Se avete scelto il becher in pirex, ancora meglio, poiché la sua trasparenza e resistenza al calore sono ideali. Adesso, con la candela accesa e con estrema accortezza, appoggiate il bicchiere rovesciato sul piatto, in modo che il suo bordo interno poggi nel liquido e contenga al suo interno la candela accesa. È fondamentale che la fiamma non vada a contatto diretto con il vetro del bicchiere; questo potrebbe causare la rottura del vetro, essendo questo esposto a uno shock termico improvviso, e spegnerebbe la fiamma prematuramente.
Una volta posizionato correttamente il bicchiere, osservate attentamente cosa accade. La candela, inizialmente, continuerà a bruciare all'interno dell'ambiente confinato dal bicchiere. Noterete che la fiamma potrebbe apparire leggermente diversa, forse più vibrante o con sfumature di colore più intense.
I Principi Scientifici Dietro il Fenomeno
Perché la candela si spegne? E perché l'acqua sale nel bicchiere? La risposta risiede in una complessa interazione di principi fisici e chimici che affascinano tuttora gli scienziati, un argomento che è stato magistralmente illustrato da figure come Michael Faraday.
Nel Natale del 1848, il grande scienziato inglese Michael Faraday tenne ben sei memorabili lezioni sulle candele, che rimangono un capolavoro di divulgazione scientifica. Sebbene sei conferenze sulle candele possano sembrare eccessive, Faraday le utilizzò come punto di partenza per esplorare una vasta gamma di concetti scientifici, dilungandosi anche su materiali e processi di lavorazione. Ma la parte più importante fu quella sulla combustione e la produzione di luce.
Di per sé, la combustione è un processo apparentemente semplice. A contatto con la fiamma, la cera, che è un idrocarburo, non brucia direttamente allo stato solido. Il calore della fiamma la fa prima fondere, creando una piccola "piscina" liquida. Successivamente, questo liquido viene aspirato verso l'alto dallo stoppino per capillarità, dove il calore intenso lo trasforma in gas. A contatto con l'ossigeno dell'aria presente all'interno del bicchiere, le molecole del gas di cera reagiscono chimicamente in un processo di ossidazione rapida. Questa reazione genera calore e luce, i prodotti visibili della fiamma, nonché sottoprodotti come l'anidride carbonica (CO2) e l'acqua (H2O), questi ultimi sotto forma di vapore a causa delle alte temperature. Il processo continua finché la cera disponibile non è esaurita o, nel nostro caso, finché l'ossigeno all'interno del bicchiere non si esaurisce.
L'Esaurimento dell'Ossigeno e la Pressione
Il motivo per cui la fiamma si spegne è legato all'esaurimento dell'ossigeno. La combustione è un processo che richiede ossigeno per avvenire. All'interno del bicchiere, il volume di aria è limitato. Man mano che la candela brucia, consuma l'ossigeno presente e produce anidride carbonica e vapore acqueo. La concentrazione di ossigeno diminuisce progressivamente, mentre quella di CO2 e vapore acqueo aumenta. Quando la quantità di ossigeno scende al di sotto di una soglia critica, la combustione non può più sostenersi e la fiamma si estingue.
Ma cosa causa l'innalzamento dell'acqua? La risposta si lega alla temperatura e alla pressione. Quando la candela brucia, riscalda l'aria all'interno del bicchiere. L'aria calda tende a espandersi. Tuttavia, il volume del bicchiere è fisso. Una volta che la fiamma si spegne, la temperatura dell'aria all'interno del bicchiere inizia a diminuire. L'aria calda, raffreddandosi, si contrae. Questa contrazione crea una zona di pressione inferiore (una depressione o vuoto parziale) all'interno del bicchiere rispetto alla pressione atmosferica esterna che agisce sulla superficie dell'acqua nel piatto.
La differenza di pressione tra l'esterno e l'interno del bicchiere è sufficiente a spingere l'acqua dal piatto verso l'alto, all'interno del bicchiere, fino a quando la pressione interna e quella esterna non si bilanciano, o fino a quando il bicchiere non è pieno d'acqua. L'acqua sale quindi per compensare la riduzione di volume dell'aria che si è raffreddata e contratta. È un principio che dimostra come le variazioni di temperatura influenzino la densità e la pressione dei gas, e come queste variazioni possano generare forze in grado di muovere liquidi.
La combustione di una candela
La Fiamma: Colori e Processi Interni
Michael Faraday, nelle sue celebri lezioni, dedicò ampio spazio all'analisi della fiamma di una candela, descrivendola come un fenomeno complesso e affascinante, una manifestazione visibile di principi fisici e chimici interconnessi. La fiamma non è un'entità uniforme, ma presenta diverse zone, ciascuna con caratteristiche e processi chimici distinti, che contribuiscono alla sua luminosità e al suo calore.
Un aspetto fondamentale per il buon funzionamento della candela è la "tazza" che si forma sulla sua sommità quando la cera si scioglie, e al cui interno brucia la fiamma. Questa tazza, o bacino di cera fusa, è essenziale perché contiene il combustibile liquido pronto per essere vaporizzato. Anch'essa è dovuta in parte alla corrente d'aria che scorre verso l'alto lungo i bordi della candela, raffreddandone leggermente i lati esterni e impedendo alla cera di sciogliersi troppo velocemente o di colare lungo il corpo della candela.
I colori della fiamma sono un indicatore diretto dei processi chimici in atto. C'è una parte di un blu intenso, visibile spesso alla base della fiamma. Questa è la zona dove avviene la combustione più completa, ricca di ossigeno. Qui, le molecole di idrocarburi presenti nel gas di cera si spezzano in singoli atomi. L'idrogeno, che si separa per primo, reagisce rapidamente con l'ossigeno, producendo acqua (in forma di vapore, a causa delle temperature elevate). Questa zona blu è molto calda ma emette poca luce visibile perché la combustione è efficiente e non produce particelle incandescenti.
Subito sopra la zona blu, si sviluppa una zona più luminosa, spesso di colore giallo o arancione. Questa parte della fiamma si verifica in condizioni di scarso apporto di ossigeno. In questa zona, il carbonio, che non ha reagito completamente nella zona blu, inizia a bruciare in modo incompleto. Le particelle di carbonio finemente suddivise (fuliggine) vengono riscaldate a temperature molto elevate e diventano incandescenti, emettendo la luce gialla o arancione che percepiamo come la parte più luminosa della fiamma. Queste particelle di carbonio, se non riescono a reagire completamente con l'ossigeno disponibile, possono fuoriuscire dalla fiamma come fumo, o depositarsi sulle superfici come fuliggine. La combinazione di questi processi fisici e chimici determina la forma, il colore e l'intensità della fiamma, trasformando una semplice candela in un vero e proprio laboratorio scientifico portatile.
