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 agente comburente mentre l’azoto non prende parte alla reazione.
Secondo la normativa ISO, in particolare ISO 13571 e ISO 834, la combustione è descritta come un fenomeno che deve essere valutato in termini di energia rilasciata, tasso di propagazione del fuoco e produzione di gas e fumi, per garantire la sicurezza in ambienti industriali e civili.
La scienza moderna evidenzia come la combustione richieda tre elementi fondamentali, noti come triangolo del fuoco: combustibile, comburente e energia di attivazione. La corretta comprensione di questi fattori è cruciale per la progettazione di sistemi antincendio e la prevenzione dei rischi.
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. Proprio dal modello del triangolo si ricavano i principi base della prevenzione e dell’estinzione degli incendi: per arrestare un incendio è necessario “spezzare” il triangolo, cioè eliminare almeno uno dei tre elementi essenziali che permettono alla combustione di proseguire. In altre parole, rimuovendo il combustibile, il comburente o la fonte di calore, il fuoco non può prendere avvio oppure si estingue se è già in atto.
Che cos’è il fuoco dal punto di vista chimico e fisico?
Dal punto di vista chimico e fisico, il fuoco rappresenta semplicemente la manifestazione visibile della combustione: compare quando vengono prodotti sia calore che luce. In questa reazione, combustibile e comburente, attivati da una fonte di calore, interagiscono trasformando l’energia chimica e liberandola sotto forme percepibili.
Quando le condizioni sono favorevoli, cioè temperatura adeguata e corretto rapporto tra le sostanze coinvolte, la reazione si sostiene da sola e continua nel tempo, generando la caratteristica fiamma ed emettendo energia termica. In pratica, ciò che percepiamo come fuoco è il segnale evidente che la combustione sta avvenendo in modo continuo, entro i parametri fisico-chimici necessari perché il processo possa proseguire senza arrestarsi.
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 definizione
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?
Esaminiamo più da vicino le diverse tipologie di combustibili:
Combustibili gassosi
I combustibili gassosi si trovano allo stato di gas a temperatura e pressione ambiente. La loro capacità di miscelarsi rapidamente con l’ossigeno li rende particolarmente pericolosi: basta una minima quantità di energia, come una scintilla, per innescare la combustione della miscela.
Combustibili liquidi
Un combustibile liquido non brucia direttamente: ciò che prende fuoco sono i vapori che rilascia quando viene riscaldato. Raggiunta la temperatura di accensione, sono questi vapori a incendiarsi. A temperatura ambiente, i liquidi emettono vapori che, combinati con il comburente combustibile, formano una miscela infiammabile. La quantità di vapori prodotti aumenta con la temperatura e dipende dalla natura del liquido. Tra i combustibili liquidi più comuni troviamo benzina, gasolio, oli lubrificanti, alcoli, solventi e vernici.
Combustibili solidi
Anche nei combustibili solidi, come il legno, la combustione inizia dai gas infiammabili liberati durante il riscaldamento e solo successivamente coinvolge il residuo solido. Questo processo, chiamato pirolisi, genera gas che si combinano con il comburente e bruciano con fiamma. Il materiale restante brucia invece senza fiamma, producendo braci e lasciando infine ceneri incombustibili. Tra i combustibili solidi più diffusi ci sono legno, carta, carbone, tessuti, materie plastiche e gomma. Particolare attenzione va ai combustibili solidi in polvere, che si comportano come gas e possono favorire esplosioni.”
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
Significato di 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 solido venga 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.
Questi fenomeni sono esempi concreti di trasmissione del calore a distanza rispetto al punto in cui viene generato. Un incendio può infatti estendersi non solo tramite il contatto diretto con le fiamme, ma anche attraverso il trasferimento di calore lungo strutture metalliche o mediante la diffusione di fumi e correnti di aria o gas caldi che si spostano tra i piani attraverso scale o altri collegamenti verticali. In determinate circostanze, questo processo può mettere a rischio anche aree che inizialmente apparivano al sicuro dal pericolo di incendio.
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 è un fenomeno che si verifica quando un combustibile prende fuoco senza l’intervento di una fonte di calore esterna. Si manifesta soprattutto in condizioni particolari e con materiali, spesso di origine naturale, capaci di produrre autonomamente il calore necessario ad avviare la combustione.
Essa 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.
In questi casi, il calore generato all’interno del materiale si accumula gradualmente fino a raggiungere la temperatura di accensione, dando origine alla combustione spontanea.
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 comburenti:
- 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.
Energia di attivazione: il ruolo nel triangolo del fuoco
Perché la combustione possa iniziare, non è sufficiente che combustibile e comburente siano presenti: è necessario un innesco, cioè l’energia di attivazione. Questa rappresenta la quantità minima di energia richiesta per avviare la reazione chimica tra le due sostanze.
L’energia di attivazione può essere fornita in molti modi, ad esempio:
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una scintilla generata strofinando un fiammifero sulla scatola,
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la fiamma di una candela avvicinata a un foglio di carta,
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il calore prodotto da superfici incandescenti,
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oppure i raggi solari concentrati da una lente, come nel celebre esperimento attribuito ad Archimede.
Senza questa energia iniziale, anche in presenza di combustibile e ossigeno, la combustione non può partire: è un po’ come tentare di avviare un’auto senza girare la chiave. Solo superata quella soglia energetica, il processo si attiva, dando origine alla produzione di calore, fiamma e spesso anche fumo.
Tipi di comburenti: non solo ossigeno
Quando si parla di comburenti, si pensa subito all’ossigeno dell’aria, che rappresenta circa il 21% della sua composizione. Tuttavia, non è l’unico gas comburente, ovvero capace di sostenere una combustione.
Oltre all’ossigeno, anche altri elementi e composti possono agire come comburenti, tra cui:
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Cloro: reagisce con alcune sostanze combustibili generando calore e dando luogo a reazioni di combustione.
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Fluoro: estremamente reattivo, può innescare combustioni anche a temperature più basse rispetto all’ossigeno.
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Perossidi: composti come il perossido di idrogeno liberano ossigeno e funzionano da forti comburenti.
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Ossidi di azoto: in determinate condizioni, contribuiscono a sostenere processi combustivi.
Sebbene meno comuni negli incendi ordinari, questi comburenti trovano impiego in contesti industriali o chimici specifici e possono rendere la combustione più intensa e complessa da gestire. Per questo è necessario che anche il combustibile sia in forma gassosa o vapore. Ecco perché un combustibile solido deve essere riscaldato fino alla temperatura alla quale inizia a rilasciare gas combustibili, condizione indispensabile per dare avvio alla reazione di combustione.
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