Il fenomeno della reazione di combustione, fu  spiegato in modi differenti nei tempi antichi. All’inizio del 18° sec. era diffusa la teoria del flogisto, un ipotetica sostanza, in base alla quale i corpi combustibili contenevano un ‘principio comune’ per l’appunto il flogisto, presente in vario grado, che all’atto della reazione si liberava sotto forma di calore formando la fiamma e dando inizio al processo di combustione.

Alla fine del 1700 A.L. Lavoisier dimostrò sperimentalmente che l’aria è un miscuglio di ossigeno e di azoto e che la combustione è un fenomeno d’ossidazione incontrollata nel quale l’ossigeno agisce da comburente mentre l’azoto non prende parte alla reazione.

 La Combustione

Combustione significato: la combustione è la reazione chimica di due sostante (combustibile e comburente) con sviluppo di calore. Condizioni necessarie per la suddetta reazione
chimica sono:

• presenza di combustibile
• presenza di comburente
• presenza di una sorgente di calore (innesco)

Quando uno dei tre elementi della combustione viene a mancare, questa non avviene o se già in atto, si estingue.

Questo processo di solito è rappresentato graficamente dal cosiddetto Triangolo del fuoco.

Triangolo del fuoco: cos’è?

Anche se si parla di triangolo fuoco, come spiegato bene nell’immagine, se vogliamo essere più precisi, si può affermare che l’incendio, cioè la combustione completa, è il risultato della combinazione di quattro (non solo 3)  elementi essenziali che devono accadere simultaneamente affinché esso si verifichi:

• il combustibile che è il materiale in grado di combinarsi chimicamente con l’ossigeno (o altra sostanza) con emissione di energia termica;
• il comburente che è la sostanza che alimenta la combustione mediante ossidazione del combustibile; ossia l’ossigeno.
• una sorgente che rilascia un adeguato valore di energia termica e che è in grado di dare avvio al processo di combustione (raggiungimento della temperatura di ignizione del combustibile); ad esempio, un fiammifero di legno, o la fiamma di una candela.
• la formazione o liberazione di gruppi atomici chimicamente attivi (radicali) capaci di produrre reazioni a catena (ossidazione).

Combustibile e comburente

Il Combustibile

Non tutti i materiali intorno a noi possono essere considerati dei combustibili, infatti molte sostanze sono in grado di bruciare solo a temperature altissime, che non sono raggiungibili per esempio  nel caso di incendi di vegetazione.

Il combustibile, cioè la materia che brucia, si può trovare in diverse forme: allo stato solido, liquido o gassoso.

L’ insieme di trasformazioni fisiche e chimiche di un materiale sottoposto all’azione del fuoco, stabilisce la “reazione al fuoco dei materiali” (esistono diverse reazioni di combustione). Cos è una reazione chimica?

Per esempio, quando abbiamo un combustibile liquido, questo non brucia direttamente, ma bruceranno i suoi vapori quando cominciamo a riscaldarlo, sono questi che, una volta raggiunta la temperatura di accensione, inizieranno a bruciare. Quindi non è tanto il liquido che brucia quanto i vapori che esso emette.

E’ così anche nel caso dei combustibili solidi (come la combustione del legno) comincia dai gas infiammabili emessi con il riscaldamento di questi, per poi estendersi in un secondo momento al residuo solido della distillazione.

Tipi di combustibili

CLASSE A:

• materiali esempio: legna, carta, carbone, tessuti, gomma.
• Estinguenti: Acqua, schiuma e polveri chimiche

CLASSE B:

• materiali esempio: idrocarburi, oli, grassi, alcoli, etere, solventi, carburanti, lubrificanti.
• Estinguenti: Schiuma, CO2 e polveri chimiche

CLASSE C:

• materiali esempio: GPL, metano, idrogeno, propano, butano, etilene, propilene.
• possono generare esplosioni.
• Estinguenti: CO2, polveri chimiche, alogenati

CLASSE D:

• materiali esempio: metalli alcalini terrosi leggeri quali il magnesio, il manganese, l’alluminio in polvere, i metalli alcalini quali il sodio, potassio e litio, i perossidi, i clorati e i perclorati.
• Estinguenti: CO2 e polveri chimiche

Il Comburente

Comburente significato: il comburente che partecipa alla combustione è l’ossigeno, ossia un “gas”. È per questo motivo che anche l’altro elemento in gioco, il combustibile, deve essere un gas o un vapore. Ciò spiega perché, affinché possa avviarsi la reazione di combustione è necessario che il combustibile solidovenga riscaldato sino alla temperatura a cui inizia ad emettere gas combustibili.

Il comburente per poter bruciare il combustibile deve trovarsi alla giusta concentrazione di calore di combustione, per esempio un grosso tronco brucerà più lentamente perché la superfice esposta all’aria è minore che quella di un ramoscello in rapporto alla sua massa totale.

Più ossigeno c’è nell’aria (percentuale volumetrica ≥del 21%) più aumenta la facilità di inizio del processo di combustione.

• materiali che prima sembravano incombustibili diventano combustibili.
• la velocità del fronte di propagazione e la stessa velocità di combustione aumentano visibilmente;
• la temperatura di ignizione (necessaria all’innesto per dare il via alla combustione) diminuisce.
• a parità di tutte le altre condizioni , la temperatura in un ambiente chiuso raggiunge valori più alti.

L’Innesco

L’Innesco è l’elemento che, quando entra in contatto con la miscela infiammabile , avvia la reazione di combustione. Questo può essere costituito da qualunque sorgente di calore.

Affinché il processo di combustione abbia inizio, l’innesco dovrà avere una temperatura di combustione superiore alla temperatura di accensione del combustibile. Le fonti di innesco possono essere suddivise in quattro categorie:

Accensione diretta:

Si definisce accensione diretta, quando una fiamma, una scintilla o un altro materiale incandescente entra a contatto con un materiale combustibile in presenza di ossigeno. es. fiammiferi e mozziconi di sigaretta, saldature, parti elettriche ecc.

Accensione indiretta:

Si dice accensione indiretta quando il calore d’innesco avviene nelle forme della convezione, conduzione e irraggiamento termico. es. correnti di aria calda generate da un incendio e diffuse attraverso un vano scala;  propagazione di calore attraverso elementi metallici strutturali degli edifici.

Attrito:

Si dice che l’innesco della causa di combustione è l’attrito quando il calore è prodotto dallo sfregamento di due materiali . es. legno con pietra focaia,  malfunzionamento di parti meccaniche rotanti quali cuscinetti, motori.

Autocombustione:

L’autocombustione avviene quando il calore viene prodotto dallo stesso combustibile come ad esempio
lenti processi di ossidazione, reazione chimiche, decomposizioni esotermiche in assenza d’aria, azione biologica. es: cumuli di carbone, stracci o segatura imbevuti di olio di lino, polveri di ferro o nichel, fermentazione di vegetali.

I prodotti della combustione:

La propagazione della reazione di combustione si realizza  senza apporto di energia dall’esterno, sfruttando il calore prodotto dalla combustione stessa.
Il processo di combustione diventa così un fenomeno a catena detto auto-catalisi, ossia in grado di autoalimentarsi. Il calore prodotto supera quello disperso e la reazione procede indefinitamente, fino all’esaurimento del combustibile o del comburente, senza alcun bisogno di energia termica esterna.

La reazione di combustione origina le seguenti sostanze:

• Gas di combustione: I gas di combustione sono quei prodotti della combustione che rimangono allo stato gassoso anche quando raggiungono raffreddandosi la temperatura ambiente di riferimento 15 °C. (anidride carbonica, ossido di carbonio, anidride solforosa, monossido di carbonio, combustione del metano ecc.)
• Fiamme: Le fiamme sono costituite dall’emissione di luce e calore conseguente alla combustione di una sostanza solida, liquida o gassosa.
• Fumo: I fumi sono formati da minuscole particelle solide (aerosol), liquide (nebbie o vapori condensati). Le particelle solide sono sostanze incombuste che si formano quando la combustione avviene in carenza di ossigeno e vengono trascinate dai gas caldi prodotti dalla combustione stessa. Le particelle liquide, invece, sono costituite essenzialmente da vapore d’acqua che al di sotto dei 100°C condensa originando fumo di colore bianco.
• Calore: Il calore è la causa principale della propagazione degli incendi. Realizza l’aumento della temperatura di tutti i materiali ed i corpi esposti, provocandone il danneggiamento fino alla distruzione.