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OSSERVAZIONI ED ESPERIMENTI

    La chimica, come le altre scienze sperimentali, si fonda principalmente sull’osservazione e sulla sperimentazione. Queste attività consentono di ottenere tutta una serie di informazioni sui fenomeni naturali dai quali, attraverso interpretazioni razionali, si possono ricavare conoscenze più generali. Al fine di sviluppare il senso di osservazione dello studente vogliamo proporre in questa sede un semplice esempio riferito ad un fenomeno di grande interesse per i chimici: la combustione.

   Una candela rappresenterà l’oggetto della nostra ricerca. Iniziamo allora con qualche osservazione preliminare e la misurazione di alcuni parametri fisici senza pretendere per essi una inutile precisione assoluta. Si può ad esempio osservare che la candela che abbiamo sotto gli occhi è di forma cilindrica con un diametro di circa 1,5 cm e una lunghezza di circa 8 cm. Essa è fatta di un solido bianco e traslucido di odore poco pronunciato e privo di sapore. La candela può essere scalfita con un’unghia e presenta uno stoppino che corre lungo l’asse centrale da cima a fondo. Lo stoppino, un intreccio di fili di fibra, sporge per circa un centimetro oltre la cima della candela.

    Questa si accende tenendo una fiamma per qualche secondo vicino allo stoppino e una volta accesa, si può togliere la fiamma che è servita per l’innesco e la candela continuerà ad ardere da sola. Si può notare allora che la candela brucia senza emettere alcun suono anche se ogni tanto si sente uno scoppiettio. Essa, mentre brucia, rimane fredda al tatto, ma entro un centimetro dalla punta è calda, anche se non scotta ed in quel punto è abbastanza molle perché la si possa foggiare con facilità. Si può anche notare che sotto l’azione di una corrente d’aria la fiamma ondeggia e contemporaneamente diventa molto fumosa; in assenza di correnti d’aria invece la fiamma ha una forma caratteristica a punta di lancia, che tuttavia non è mai completamente immobile.

    Osservando con attenzione ed avvicinandosi fin quanto è possibile alla fiamma, si nota che essa inizia a un quarto di centimetro dalla punta. Si nota inoltre che la fiamma alla base è azzurra mentre vicino allo stoppino è scura. La forma della zona scura è conica, larga mezzo centimetro e si allunga per un centimetro oltre la punta dello stoppino. Intorno alla parte centrale della fiamma vi è una zona di luce gialla, viva ma non accecante che si estende per un centimetro sopra la zona scura. Ai lati il contorno della fiamma è ben definito mentre la cima è piuttosto irregolare.

    Dalla base della fiamma, fino alla propria estremità, lo stoppino è nero ed ha l’apparenza di essere bruciacchiato. Solo la punta estrema è incandescente. A mezzo centimetro dall’estremità lo stoppino è ripiegato su sé stesso. Mentre si accorcia la candela si accorcia anche lo stoppino, ma il tratto emergente rimane sempre della stessa lunghezza.

    La fiamma emana calore. Tenendo un dito a mezzo centimetro dal fuoco, il calore diventa insopportabile entro una decina di secondi. C’è più calore sopra la fiamma. In cima la candela è liquida e il liquido ristagna in una fossetta regolare. Soffiando leggermente sulla fiamma questa si piega e la parete della concavità può fondere. Il liquido allora cola lungo il fianco della candela ma poi solidifica e diventa freddo. Il liquido è più caldo della parte solida della candela. Si può notare anche come esso salga lungo lo stoppino fino a dove comincia la fiamma. Inclinando la candela si vede che la fiamma si dirige sempre verso l’alto.

     Qui terminano le osservazioni che come si sarà notato non si sono succedute in ordine di importanza (ad esempio è stata data la stessa importanza al suono, alla luce e al sapore). Inoltre non sono state fatte interpretazioni sulle osservazioni e non si è mai risposto ai perché che si sono presentati nel corso della medesima.    

      Passiamo ora a qualche facile esperimento. Iniziamo con il fare aderire sul fondo di un becker un pezzo di carta da filtro imbevuto di una soluzione di cloruro di cobalto lasciata poi seccare. Il cloruro di cobalto, CoCl₂ è azzurro se anidro, rosa se idrato. Questa è una caratteristica comune a tutti i sali cobaltosi che, come è noto, servono quali indicatori della presenza di umidità nell’aria. Capovolto quindi il becker sulla candela accesa, dopo qualche minuto si nota che la carta da filtro diventa rosa, il che dimostra che la combustione della candela sviluppa umidità. Se il nostro recipiente, preparato come in precedenza, anziché sulla candela fosse stato capovolto su un fornello elettrico, non si sarebbe notato alcun cambiamento di colore.   

     Fissiamo ora una candela accesa ad un supporto e capovolgiamoci sopra un recipiente di vetro della capacità di un litro: cronometriamo quindi il tempo che occorre perché la candela si spenga. Riaccendiamo ora la candela e ripetiamo l’operazione usando un recipiente della capacità di mezzo litro. Qual è il tempo che viene cronometrato in questo secondo esperimento per ottenere lo stesso risultato di prima? Perché in un recipiente chiuso la candela si spegne?

     Possiamo trovare la risposta impostando un nuovo esperimento. Allo scopo sistemiamo la nostra candela accesa all’interno di un becker riempito di acqua per due terzi del suo volume. Capovolgiamo ora su di esso una beuta nel modo mostrato in figura. Si noterà che prima che la candela si spenga l’acqua sarà salita all’interno della beuta fino ad occupare circa un quinto del volume dell’aria presente all’inizio dell’esperimento. Dove è andata a finire l’aria che manca?  

     Accendiamo ora la candela e lasciamola bruciare per qualche secondo. Accendiamo quindi un fiammifero e teniamolo in mano mentre spegnamo la candela con un soffio energico. Avviciniamo ora il fiammifero acceso a circa 2 centimetri dalla candela nella colonna di fumo che si sprigiona dallo stoppino. Si noterà che la candela si riaccende senza che la fiamma abbia toccato lo stoppino.

     Prendiamo ora un tubicino di vetro della lunghezza di circa 5 cm e di 6-7 mm di diametro. Tenendolo con una pinza cerchiamo di inserire un’estremità nella parte scura della fiamma della candela e dopo qualche secondo avviciniamo un fiammifero acceso all’altra estremità del tubicino. Si noterà uscire dal tubicino, rivolto verso l’alto, una fiamma. Con questo espediente siamo riusciti a fare uscire dalla fiamma un gas che è stato poi incendiato lontano dalla candela. Che cosa è in realtà che brucia della candela? Si ricorderà che abbiamo osservato che la fiamma non inizia nel punto a diretto contatto con la candela ma un po’ più in alto.

     Sistemiamo ora una piccola lastra di alluminio intorno allo stoppino, sotto la base della fiamma e sopra la cera fusa, come è rappresentato in figura. Aspettiamo qualche secondo e si noterà il verificarsi dello stesso risultato che si ottiene ponendo, mediante un contagocce alcune gocce di acqua sul liquido raccolto nell’incavo superiore della candela.

      Oltre alla candela quali altri combustibili conosce lo studente? Alcol e benzina ad esempio bruciano perché sono fatti di composti chimici simili a quelli presenti nella candela? Il legno e la carta sono fatti anch’essi dello stesso materiale? Proviamo infine a verificare se una sostanza come lo zucchero, che normalmente non viene fatta bruciare, si comporti come la candela. Prendiamo quindi una zolletta di zucchero e sistemiamoci sopra un po‘ di cenere di sigaretta che fungerà da stoppino. Avviciniamo quindi una fiamma e osserviamo lo zucchero bruciare anche dopo che si è allontanata la fiamma che è servita da innesco. Lo zucchero normalmente non brucia ma lo studente saprà senz’altro che quella sostanza è un ottimo combustibile per l’atleta, il quale si avvale di essa soprattutto durante lo svolgimento di gare molto faticose.

     Concludiamo ponendo alcune domande e fornendo alcune risposte. Per produrre una fiamma più grande è necessario disporre di una candela di diametro maggiore oppure la grandezza della fiamma dipende dalla grossezza dello stoppino? Di che cosa è fatta la candela? Sicuramente di idrogeno, il quale combinandosi con l’ossigeno dell’aria produce acqua. Gli esperimenti hanno messo in luce la presenza di acqua in seguito alla combustione e il consumo di ossigeno sottratto all’aria.

    Si è potuto anche osservare che l’interno della fiamma è formato da gas freddo e poco luminoso che non brucia. La zona più esterna della fiamma come la base è ancora poco luminosa ma molto calda perché in quel punto il gas di candela brucia a contatto con l’ossigeno dell’aria. La zona mediana infine è la zona più luminosa perché in essa vi sono particelle incombuste ma roventi di carbonio mentre ciò che brucia è l’idrogeno. Concludiamo facendo presente che le sostanze che bruciano (candela, petrolio, alcol, legno, zucchero e tante altre che lo studente potrà aggiungere all’elenco) sono fatte dei combustibili carbonio e idrogeno mentre il comburente, ossia la sostanza che garantisce la combustione, è l’ossigeno.  

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