Wirestock Creators/Shutterstock

Juan José Borrás Almenar, Universitat de València

El foc és un dels fenòmens naturals més fascinants i, probablement, un dels més decisius en la història de la humanitat. Molt abans de l'aparició de l'agricultura, les ciutats o l'escriptura, els nostres avantpassats van aprendre a controlar una força natural que transformaria profundament la seua relació amb l'entorn. Aquest domini no va ser immediat ni trivial: va implicar l'observació, l'experimentació i la transmissió de coneixements al llarg de generacions.

El foc va proporcionar calor en ambients freds, va permetre habitar regions abans inaccessibles i va oferir protecció davant dels depredadors. No obstant això, un dels seus impactes més significatius va ser la transformació dels aliments. La cocció suposa un canvi físic i químic que modifica l'estructura de proteïnes i carbohidrats i facilita la digestió. Aquest procés redueix l'esforç metabòlic necessari per a obtenir energia i n'augmenta la disponibilitat. Diverses hipòtesis suggereixen que l'increment energètic va poder contribuir al desenvolupament de cervells més grans i complexos en l'evolució humana.

A més, el foc va tenir una dimensió profundament social. Les fogueres, que aquests dies són també protagonistes de la celebració de Sant Joan, es van convertir en punts de reunió on no sols es compartia aliment, sinó també coneixement, llenguatge i cultura. Al voltant del foc probablement van nàixer moltes formes de narració i transmissió oral que constitueixen l'origen de la cultura humana. En aquest sentit, el foc no sols va transformar la matèria, sinó també la vida social.

El triangle del foc o ingredients d'una foguera

Des d'una perspectiva científica, el foc és la manifestació visible d'un conjunt de reaccions químiques conegudes com a reaccions de combustió. Impliquen l'oxidació ràpida d'un combustible, generalment ric en carboni i hidrogen, en presència d'un comburent, normalment oxigen molecular (O₂). Durant aquest procés s'allibera, d'una banda, energia en forma de calor i radiació electromagnètica i, d'una altra, diversos productes gasosos. Depenent de la naturalesa del combustible, també es poden generar residus sòlids, les cendres.

Perquè una combustió tinga lloc, és necessari reunir tres factors fonamentals: combustible, comburent i energia d'activació. Aquest model es coneix com el triangle del foc. Si un d'aquests elements no està present o s'elimina durant el procés, o la combustió no pot iniciar-se o s'extingeix. Aquest principi és la base de les estratègies modernes de prevenció i extinció d'incendis.

Encara que el concepte general de combustió és relativament senzill, el seu desenvolupament real implica processos extremadament complexos a escala molecular.

Per què dins de l'Artemis les flames serien esfèriques

La flama és una regió de l'espai on tenen lloc simultàniament múltiples processos físics i químics. No és un objecte sòlid ni una substància, sinó un sistema dinàmic en què es combinen reaccions químiques, transferència de calor, moviment de gasos i emissió de radiació.

En l'interior d'una flama es poden distingir diferents zones: primer, una zona de preescalfament, on el combustible s'escalfa i comença a descompondre’s. Segon, una zona de reacció, on es produeixen les reaccions químiques més intenses. I, finalment, una zona de postcombustió, on s'estabilitzen els productes finals.

En condicions normals de gravetat, els gasos calents ascendeixen a causa de la seua menor densitat, i generen la forma allargada característica de la flama. En canvi, en condicions de microgravetat, l'absència de convecció provoca que les flames adopten formes esfèriques, dominades per processos de difusió.

L'origen de les flames verdes i violetes

Una de les propietats més cridaneres del foc és la seua capacitat d'emetre llum, que pot fer que una habitació s'il·lumine de tons rojos, blaus o taronges. La llum visible correspon a una fracció menuda de l'espectre electromagnètic, amb longituds d'ona entre aproximadament 400 i 700 nanòmetres. L'emissió de llum pot tenir dos orígens principals:

Per una banda, l'excitació electrònica. A altes temperatures, els electrons dels àtoms i les molècules poden absorbir energia i passar a estats excitats. Quan tornen a estats de menor energia, l'alliberen en forma de fotons. L'energia dels fotons determina el color de la llum emesa.

Per una altra banda, la incandescència. En les combustions incompletes es formen partícules sòlides de carboni (sutge). Aquestes partícules poden escalfar-se fins a emetre radiació tèrmica contínua, un fenomen conegut com a incandescència. Aquest procés és el responsable dels tons grocs i ataronjats de moltes flames.

Per tant, el color d'una flama depèn tant de la temperatura com de les espècies químiques presents:

• És roig a 600-800 °C, temperatures relativament baixes.

• És groc i taronja a 800-1200 °C, quan es dona una combustió incompleta i es produeix la formació de sutge.

• És blau a 1 300-1 600 °C, temperatures a les quals es produeix una combustió eficient, amb una mescla adequada de combustible i oxigen.

A més, alguns elements químics poden emetre colors característics quan s'exciten tèrmicament: per exemple, el sodi produeix un groc intens; el potassi, el foc de color violeta i el coure, una flama de color verd.

Com construir una foguera eficient

Quan encenem fusta, el procés no comença directament amb la combustió. Abans té lloc la piròlisi, una descomposició tèrmica dels components de la fusta, com la cel·lulosa o la lignina.

Durant la piròlisi, s'alliberen gasos inflamables que, en reaccionar amb l'oxigen, produeixen la flama. A mesura que avança el procés, s'alliberen gasos volàtils que alimenten la combustió, es forma un residu sòlid ric en carboni (brases) i, finalment, queden cendres, formades per òxids, carbonats, fosfats, etc.

Les brases poden continuar alliberant calor durant molt de temps a causa de reaccions d'oxidació més lentes.

Però de què depèn l’eficiència d'una combustió o, dit d'una altra manera, com fer una bona foguera? Primer, és imprescindible seleccionar combustible sec. Hem de començar amb materials fins i afavorir la circulació de l'aire. Quan el foc ja està fet, hem d'alimentar-lo progressivament i aprofitar les brases.

Intentem fer foc, però només ix fum

El fum és una mescla visible de gasos i partícules sòlides o líquides en suspensió en l'aire (aerosols). Es forma principalment quan la combustió és incompleta, és a dir, quan no hi ha suficient oxigen o quan la mescla de reactius no és adequada.

En condicions ideals, els productes de la combustió són diòxid de carboni i vapor d'aigua, tots dos incolors. No obstant això, en condicions reals poden generar-se: partícules de carboni (sutge), responsables del fum negre; monòxid de carboni, un gas tòxic; o hidrocarburs no cremats o compostos com ara el formaldehid (HCHO).

El fum blanc, per la seua banda, sol estar associat a la condensació del vapor d'aigua en minúscules gotes que dispersen la llum.

Comprendre el foc

El foc és una manifestació extraordinària de la química i la física en acció. Des del seu descobriment pels nostres avantpassats fins a les aplicacions modernes, ha sigut un element central en l'evolució humana.

Cada flama és el resultat d'una complexa xarxa de processos microscòpics en què la matèria es transforma en energia. Comprendre el foc ens permet no sols utilitzar-lo de manera més eficient i segura, sinó també apreciar la sofisticació d'un fenomen que, encara que quotidià, amaga una enorme complexitat.

Juan José Borrás Almenar, Catedràtic de Química Inorgànica, Universitat de València

Aquest article va ser publicat originalment a The Conversation. Llegiu l’ original.