Perché La Lana Di Acciaio Prende Fuoco?

Già! Perché la lana di acciaio prende fuoco?
Sembra strano che un metallo, anzi una lega metallica formata principalmente da ferro e da un basso quantitativo di carbonio, non superiore al 2,06 %, riesca a bruciare. Ed invece è quanto avviene nella realtà!

Sono sufficienti un po' di lana di acciaio, con i fili molto sottili, ed una pila da 9V per sviluppare fiamma e temperature persino superiori a 1000 °C! Insomma c'è da andarci cauti!

Ho pensato di scrivere questo articolo proprio per la potenziale pericolosità insita in un esperimento del genere, se mai venisse voglia ai ragazzi molto giovani di provare in prima persona e senza la supervisione di un adulto competente, sulla scia di gif animate, video ed immagini che circolano in rete, senza un minimo di informazioni circa la sicurezza e le precauzioni necessarie in casi come questo.

Pertanto, se siete proprio decisi a svolgere l'esperimento, ecco a voi le istruzioni da seguire:

1. procurarsi della lana d'acciaio piuttosto fine, una pirofila Pyrex resistente al calore, una base termo-resistente per appoggiare la pirofila, una pila da 9V, e una coperta spegni-fuoco, in caso di emergenza.

2. Disporre comodamente circa 20 grammi di lana d'acciaio nella pirofila resistente al calore, assicurandosi di tenere la pila lontano, in un primo momento, magari sistemandola di lato, come in figura. 

3. Posizionare la pirofila, con il suo contenuto, su una superficie resistente al calore e piuttosto stabile. Prendere la batteria da 9V e strofinare i suoi terminali in un qualsiasi punto della lana d'acciaio. 

Per assicurare il successo della reazione, soffiare delicatamente sulla lana nel punto in cui si è innescata la reazione luminosa. Assicurarsi di non soffiare via eventuali frammenti incandescenti dalla pirofila, che potrebbero provocare un incendio.

La pirofila può diventare molto calda, quindi, non bisogna toccarla per circa 10 minuti, dopo che la reazione si è fermata. Una volta che l'esperimento è riuscito, si può buttare via la lana d'acciaio avanzata. La batteria dovrebbe aver perso solo una piccola quantità di carica.

Che cosa dovreste osservare, svolgendo questo esperimento, potete vederlo nel seguente filmato.




Veniamo adesso al punto! Come mai il ferro e l'acciaio bruciano?

In natura, non si trovano normalmente allo stato puro metalli come ferro o acciaio (che consiste per lo più di ferro). Tutto l'acciaio, che vediamo intorno a noi, è estratto dagli esseri umani dai minerali del ferro.

Anche una volta estratto, il ferro di solito non rimane come metallo puro per molto tempo, ma si combina con l'acqua e l'ossigeno per formare i vari ossidi di ferro, in altre parole, arrugginisce.

Ciò dimostra che, quando c'è ossigeno sufficiente, lo stato più stabile del ferro non è nella forma di metallo puro. Esso esiste, in combinazione con l'ossigeno, come ossido di ferro.

Ci sono vari modi in cui ciò può accadere. Una serie di reazioni chimiche (arrugginimento) coinvolge acqua e ossigeno; tali reazioni possono manifestarsi a temperatura ambiente. Ma, anche se non c'è acqua intorno, il ferro può reagire direttamente con l'ossigeno, che genera calore. Questa reazione avviene molto più facilmente a temperature elevate.

Quindi, fintanto che c'è abbastanza ossigeno intorno, più caldo è l'acciaio, più è probabile che la reazione di ossidazione avvenga. Se il calore generato dalla reazione aumenta, esso può essere sufficiente ad attivare anche l'accensione delle aree di acciaio limitrofe.

Ma perché i fili della lana di acciaio bruciano, ed invece pezzi di acciaio più grandi come chiodi, viti, coltelli e forchette non lo fanno?

Il motivo si ritrova nella combinazione di due fattori:

- maggiore disponibilità di ossigeno
- più facile accumulo di calore.

In un pezzo di acciaio, gran parte del ferro è al suo interno. Se l'acciaio è stato lavorato in filamenti molto sottili, vi è una superficie molto più grande di acciaio a contatto con l'aria. Ciò significa che una maggiore quantità di ferro si può combinare con l'ossigeno dell'aria, e, di conseguenza, una gran quantità di calore si accumula in una piccola area.

Infatti, l'acciaio smette di bruciare quando l'ossido di ferro si accumula in quantità sufficiente ad impedire all'ossigeno di raggiungere i fili di acciaio. Ci possono essere ancora dei quantitativi di ferro all'interno di ogni filamento bruciato, ma non possono reagire perché l'ossigeno non può raggiungerli.

Questo effetto di superficie è in realtà un principio molto generale. Per esempio, è difficile dare fuoco al legno quando si tratta di un grosso ceppo, ma molto facile quando si presenta come carta. Ricordiamo, per inciso, che la carta si ottiene dalla cellulosa, che costituisce circa il 45% del legno ed è uno dei più importanti polisaccaridi! Ve lo ricordate, ragazzi che i polisaccaridi sono formati da un gran numero di molecole di glucosio, vero? Ed il glucosio che cos'è dal punto di vista chimico? Ma un monosaccaride, diamine! Ricordate la formuletta magica? No? Sì? Vi rinfresco la memoria: C6H12O6!...senza il punto esclamativo, ovviamente. Ricordiamo, e finisco con l'inciso, che le piante rappresentano la nostra preziosissima fabbrica di glucosio esistente in natura, grazie al processo fotochimico della fotosintesi clorofilliana. Eh, sì! La catena alimentare, e non solo, comincia di lì. 

Ma torniamo al nostro effetto di superficie, che diventa eccezionalmente rilevante quando l'esca, pardon la materia prima, è ridotta in polvere finissima! Il materiale a contatto con l'aria, ed in particolare con l'ossigeno in essa contenuto (l'aria è una miscela formata da vari gas, e l'ossigeno ne costituisce il 21%), diventa così tanto che la combustione, reazione chimica esotermica con sviluppo di fiamma ed energia sotto forma di calore, può avvenire molto rapidamente. Si registrano, purtroppo, diversi episodi di esplosioni in cartiere e fabbriche di farina, come conseguenza dell'effetto di superficie! 

La disponibilità di ossigeno, però, non è l'unico elemento a favore. L'aria non conduce molto bene il calore, ma il metallo sì. In un grosso pezzo di ferro, il calore di una reazione viene disperso rapidamente nel corpo del metallo. Ciò significa che il calore non si accumula in quantità sufficiente a sostenere una reazione. Se il metallo è ridotto in fili molto sottili, come nella lana di acciaio, il calore non può, invece, dissiparsi facilmente: una piccola quantità si disperde lungo il filo, ma quel che rimane è sufficiente ad innescare ulteriori reazioni grazie alla disponibilità di ossigeno.

Altra domanda! Lo so che vi state chiedendo: "Come può una pila da 9V dare fuoco alla lana di acciaio?"

I metalli conducono molto bene non solo il calore ma anche l'elettricità, il che succede quando si toccano i terminali positivo e negativo di una batteria con la lana d'acciaio. Una gran quantità di corrente elettrica può fluire lungo i piccoli truciolotti di lana d'acciaio che collegano i terminali: avviene quel fenomeno chiamato corto-circuito.

Pure il corto-circuito?

Eh già! La corrente elettrica è in realtà un flusso ordinato di particelle cariche; nella maggior parte dei casi si ha a che fare con cariche negative: gli elettroni, che scorrono in conduttori solidi solitamente metallici. Quando molti elettroni si muovono lungo i fili di acciaio, essi si scontrano con gli atomi di questo, che ne rallentano la "corsa": si chiama resistenza elettrica.

Rappresentazione del moto di cariche elettriche positive (+)  o negative (-)

 (tipicamente elettroni) in un conduttore. Convenzionalmente, il verso della

corrente è quello  delle cariche positive, e quindi  opposto al verso

del moto degli elettroni.

Tali collisioni producono anche calore. Una grande corrente, che scorre lungo un filo abbastanza sottile, produce calore sufficiente a dare fuoco alle cose. Infatti, quanto maggiore è la resistenza tanto più si riscalda il filo, che diventa sempre più caldo sino a fondere.

Mi auguro di aver fatto comprendere perché e percome la lana di acciaio prende fuoco!
In ogni caso, state attenti a non scherzare...con il fuoco!