La candela

La storia romantica di un genio
La chimica attraverso la storia di una candela
M. Moret
1791 - M. Faraday nasce a Londra
1804 - assunto da G. Riebau come fattorino e apprendista rilegatore
1812/1830 - determinazione della composizione di argille, calce naturale, acqua, polvere da sparo,
ruggine, pesce essiccato, gas, liquidi, solidi
1813 - viene assunto grazie a H. Davy come assistente alla Royal Institution
1813/1815 - viaggio scientifico con H. Davy (Francia, Svizzera, Italia)
1815 - riprende servizio presso la Royal Institution
1816 - lampada di sicurezza per i minatori (con H. Davy)
1818/1824 - preparazione e proprietà delle leghe di acciaio; metallografia
1821 - sposa S. Barnard; primi esperimenti sulle rotazioni magnetiche
1821/1822 - scopre due cloruri di carbonio
1823/1845 - liquefazione di alcuni gas (Cl2, NH3, CO2, SO2, N2O, HCl, H2S, (CN)2, C2H4);
dimostrazione dell’esistenza della temperatura critica
1825/1826 - isola e identifica benzene, isobutene, tetracloroetene, esaclorobenzene, acidi
naftalensolfonici, isomeri degli alcheni; preparazioni fotochimiche
1825/1831 - miglioramento nella produzione di vetro di qualità ottica
1829 - professore a tempo parziale presso la Royal Military Academy di Woolwich
1831 - scopre l’induzione elettromagnetica
1832 - natura unica dell’elettricità di origine voltaica, statica, termica e animale
1833/1836 - formula le leggi dell’elettrolisi; sali fusi come elettroliti; conduttori superionici
1834 - catalisi eterogenea; avvelenamento delle superfici; adsorbimento; bagnabilità dei solidi
1835 - studi sulle scariche elettriche in gas rarefatti (plasma)
1836 - studi su elettrostatica (gabbia di Faraday) e dielettrici; costante dielettrica; permittività
1840 - viene eletto “anziano” della chiesa sandemaniana
1845 - relazione tra luce, elettricità e magnetismo (magneto-ottica); diamagnetismo, paramagnetismo
1849 - tentativo di unificazione di gravità ed elettricità
1857 - tempo e magnetismo; metalli in stato colloidale
1861 - dimissioni da professore alla Royal Institution
1862 - studi degli effetti dei campi magnetici sulle linee spettrali; linee di forza e concetto di campo
1867 - muore nella casa di Hampton Court
http://www.bing.com
Faraday tiene le Christmas Lectures della Royal Institution dal 1827 al 1861
La storia chimica della candela
prima stampa Londra 1861
traduzioni: Parigi 1865, Milano 1866 (ultima stampa italiana 1982), Berlino 1871, ...
oltre 70 edizioni in lingua giapponese
“Non c’è infatti legge che governi le varie
parti dell’universo che non si manifesti in
questo fenomeno. E non c’è mezzo migliore,
né piu efficace, per entrare nel dominio
delle scienze naturali che studiare il
fenomeno fisico di una candela che arde”
La candela
dinastia Qin (221-206 a.C.)
antichi romani: candele rudimentali (cordoni di canapa immersi nella pece o nella cera animale)
VIII secolo: prime prove storiche dell'uso di candele vere e proprie
fino al 1850 candele di cera d'api o grasso animale (odore sgradevole, fuliggine)
successivamente vengono introdotte la stearina e la paraffina
composizione candela: miscela solida contenente un materiale di base e additivi
materiali di base: cera d’api, stearina (1818), paraffina (1831), gel (miscela di resina e oli minerali),
cere vegetali (di palma, di soia o cera carnauba)
additivi: cera microcristallina, cere dure, opacizzanti, coloranti, polietilene, resine, profumi
paraffina: raffinazione del petrolio (miscela di normal-paraffine, isoparaffine e cicloparaffine); è il
materiale di base più utilizzato
stearina: origine animale o vegetale; aumenta il punto di fusione, rende più rigido il materiale e aumenta
l’opacità
stoppino: cotone intrecciato (1825) al quale vengono aggiunti sali di ammonio, cloruro e/o nitrato di
potassio, borace, acido borico per ottimizzare la combustione della candela
Le cere
miscele di esteri di acidi a catena lunga con glicerolo o alcoli a catena lunga (J. von Liebig)
stearina: acido stearico C17H35COOH legato a glicerolo C3H5(OH)3
La chimica in una candela, S. Carrà,
http://www.treccani.it/scuola/dossier/2007/faraday/mainArea.html
temperatura di fusione dei diversi polimorfi:
esagonale
54,5 °C
ortorombico 64,5 °C
triclino
72,5 °C
stearina
calce spenta
2(C17H35COO)3(C3H5)
stearato di calcio
(C17H35COO)2Ca
+

3Ca(OH)2
acido solforico
+
H2SO4
glicerina
2C3H5(OH)3
acido stearico

2C17H35COOH
temperatura di fusione di alcuni acidi a catena lunga:
Acido palmitico C15H31COOH
Acido stearico C17H35COOH
Acido oleico
C17H33COOH
63,1 °C
68,8 °C
16,0 °C
stearato di calcio
+
3(C17H35COO)2Ca
solfato di calcio
+
CaSO4
Cosa accade quando una candela brucia?
http://www.oroboro.eu/blog/2013/06/08/Candele-2-come-interpretarne-la-combustione-licnomanzia-e-ceromanzia.aspx
LICNOMANZIA, COME INTERPRETARE LA COMBUSTIONE DELLE CANDELE
Le forze intermolecolari e la bagnabilità delle superfici
acqua
mercurio
vasi comunicanti
h1
h1
h2
h3
{ { {{
h 1 < h2 < h3
P. Atkins, L. Jones, Principi di chimica,
Zanichelli ed., Copyright © 2012
Illuminare la fiamma con una sorgente luminosa
La candela di Faraday, un bell’esempio di
diffusione della cultura scientifica, P. Cerreta,
Giornale di Fisica, vol LIII, n.1 Gennaio Marzo 2012
La candela di Faraday, un bell’esempio di
diffusione della cultura scientifica, P. Cerreta,
Giornale di Fisica, vol LIII, n.1 Gennaio Marzo 2012
Leonardo di ser Piero da Vinci, Del moto della fiamma, foglio 728 del Codice Atlantico
PV=nRT
n/V=P/RT
nM/V=MP/RT
d=MP/RT
La candela di Faraday, un bell’esempio di
diffusione della cultura scientifica,
P. Cerreta, Giornale di Fisica, vol LIII, n.1
Gennaio Marzo 2012
La fiamma è cava
La candela di Faraday, un bell’esempio di diffusione della cultura scientifica,
P. Cerreta, Giornale di Fisica, vol LIII, n.1 Gennaio Marzo 2012
Perché l’acqua viene richiamata all’interno della camera?
http://invitoallanatura.it/2013/la-candela-sotto-il-barattolo/
C17H36(g)
+
26O2(g)

27 molecole
C17H36(g)
+
26O2(g)
27 molecole
17CO2(g)
+
18H2O(g)
35 molecole

17CO2(g)
+
18H2O(l )
17 molecole
gifh.wordpress.com/2011/12/19/tutto-ilfascino-della-chimica-nelle-candele-dinatale
Cosa accade quando una candela brucia?
La candela di Faraday, un bell’esempio di
diffusione della cultura scientifica, P. Cerreta,
Giornale di Fisica, vol LIII, 2012
zona I: porzione oscura all’interno della fiamma; le molecole di paraffina evaporano dalla superficie
dello stoppino e vengono scisse termicamente. Nonostante la piccola distanza che separa lo stoppino
dalle zone calde II e III, la temperatura dello stoppino arriva solo a 600°C (processo di evaporazione
della cera fortemente endotermico)
zona II: una regione luminosa con tonalità blu che corre lungo i bordi laterali e inferiori della fiamma
zona III: l’unica parte luminosa della zona di reazione, la si trova lungo i bordi superiori esterni
zona IV: l’area gialla luminosa e pallida che si estende dal centro fino alla punta visibile della fiamma
Bilancio dell'energia contenuta nei legami chimici della paraffina:
ca. 23% diventa calore ca. 4% per fondere la cera solida ca. 73% per produrre luce
una candela media produce 12,6 lumen + 40 W dissipati come calore
una lampadina a incandescenza da 40W produce 500 lumen
O. Sacks, Zio Tungsteno, Gli Adelfi 2006, (no. 422) p. 338
O
pirometro a filamento sottile (emissione radiativa)
fibra in SiC 14 mm diametro
en.wikipedia.org/wiki/Thin_filament_pyrometry
www.mwit.ac.th/~physicslab/hbase/wien.html
nella regione blu, molto calda, l’idrogeno si separa dalle molecole del combustibile
e brucia producendo vapore acqueo
CH4
La chimica in una candela, S. Carrà,
http://www.treccani.it/scuola/dossier/2007/faraday/mainArea.html
La fiamma in assenza di gravità
www.nasa.gov/centers/glenn/about/fs09grc.html
Esperimenti con microgravità fatti in “casa”
metabolismo 
C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O
 fotosintesi
https://it.wikipedia.org/wiki/Ciclo_di_Krebs
Quanto tempo impiegherebbe una candela a consumare tutto l’ossigeno presente in una stanza
perfettamente sigillata?
Volume stanza : Volume barattolo = Tempo stanza : Tempo barattolo
Vs = volume stanza
Vb = volume barattolo = 2,5 dm³
Ts = tempo consumo totale ossigeno nella stanza
Tb = tempo consumo totale ossigeno nel barattolo = 55 s
Vs : Vb = Ts : Tb
stanza di 4 m × 5 m × 3 m
60000 : 2,5 = Ts : 55
Vs = 4 × 5 × 3 = 60 m³ = 60000 dm³ (ovvero 24 000 barattoli )
Ts = 60000 × 55 : 2,5 = 1320000 s = ~15 giorni
invitoallanatura.it/2013/la-candela-sotto-il-barattolo/
Produzione annua di CO2:
32 miliardi di tonnellate ovvero 32000 miliardi di chilogrammi
equivalenti a circa 300000 miliardi di candele
Prima conferenza. Una candela: la fiamma, di cosa è fatta, la sua struttura, la mobilità, lo splendore
Le candele primitive, la candela di legno resinoso, candele ad immersione di sego, candele dei minatori, candele di cera, di
stearina e di paraffina, candele ornamentali. Il modo in cui una candela brucia. La similitudine con la lampada ad olio e il
formarsi della ciotola. Candele di forma irregolare. Le cause del gocciolamento. Come sale il fluido nello stoppino e gli
accomodamenti tra le parti della candela. L’attrazione capillare. L’azione di un asciugamano come sifone. La salita di un
fluido attraverso una canna di bambù. Perché la fiamma non raggiunge la ciotola. Il vapore combustibile proveniente da
una candela e «la striscia di fuoco». La brillantezza della fiamma. La forma della fiamma. La corrente ascendente di aria
calda. L’ombra della fiamma. Perché un oggetto così luminoso getta la propria ombra su un foglio di carta. L’ascensione
della fiamma. Cambio di direzione della fiamma. Fiamme di forme differenti. Il gioco dello snapdragon. L’analisi della
fiamma.
Seconda conferenza. Splendore della fiamma di una candela, l’aria necessaria per la combustione, la produzione di
acqua
Che fine fa la materia di cui è composta una candela? I prodotti della combustione. Il vapore uscente dalla parte interiore
della fiamma. Il vapore combustibile della cera. La combustione del vapore. La distribuzione del calore in una fiamma.
L’aria necessaria alla combustione. La Lampada di Argand. Il nerofumo proveniente da una combustione imperfetta.
Differenti condizioni di una fiamma. Combustione con e senza fiamma. La combustione del Licopodio. Il nerofumo
proveniente da una fiamma luminosa. Cause della luminosità di una fiamma. La «luce di calce», luce bianca usata nei teatri.
Combustione del fosforo. Combustione dello zinco. Luminosità del «gas illuminante». I differenti risultati della
combustione. Il Fire-balloon. L’acqua, un prodotto della combustione.
Terza conferenza. Prodotti: l’acqua dalla combustione, la natura dell’acqua, un composto, l’idrogeno
Sostanze prodotte dalla candela. Test per la presenza di acqua. L’acqua prodotta dalla candela, uno dei risultati della
combustione. Differenti condizioni dell’acqua. Acqua che congela. La forza espansiva dell’acqua che ghiaccia. Conversione
di acqua in vapore. Contrazione del vapore quando condensa. Volumi relativi di acqua e vapore. Azione del potassio
sull’acqua. Combustione dello zinco e del ferro. Azione del ferro sul vapore. Prodotti della decomposizione del vapore.
Azione dello zinco sull’acqua. L’idrogeno. La «candela del filosofo». Preparazione dell’idrogeno. Prodotto di combustione
dell’idrogeno. Leggerezza dell’idrogeno: bolle di sapone gonfiate con l’idrogeno. Palloni all’idrogeno. La batteria voltaica
Quarta conferenza. L’idrogeno nella candela, bruciando si trasforma in acqua, l’altro elemento dell’acqua, l’ossigeno
L’azione dell’acido nitrico sul rame. Decomposizione voltaica di un sale. Accensione voltaica del platino. Decomposizione
voltaica. Riduzione del rame. Decomposizione dell’acqua. Sintesi dell’acqua. I risultati della decomposizione dell’acqua.
L’idrogeno dall’acqua. L’ossigeno dall’acqua. Preparazione dell’ossigeno.
Quinta Conferenza. L’ossigeno presente nell’aria, la natura dell’atmosfera, sue proprietà, altri prodotti della
candela, l’acido carbonico, sue proprietà.
Idrogeno e ossigeno. Prove per la presenza di ossigeno. Come mai nell’aria la candela brucia meno bene che nell’ossigeno?
L’ossigeno e l’azoto presenti nell’aria. L’importanza dell’azoto nell’aria. Le proprietà dell’azoto. La composizione
dell’atmosfera. Un metodo per pesare i gas. Il peso dell’atmosfera. La ventosa. La pressione dell’atmosfera. La pistola
giocattolo. La compressibilità e l’elasticità dell’aria. Altri prodotti della candela. Prodotti gassosi della combustione.
Proprietà del nuovo gas. Acido carbonico dalla candela e da altre fonti. Preparazione dell’acido carbonico. La solubilità in
acqua dell’acido carbonico. La densità dell’acido carbonico.
Sesta Conferenza. Il carbonio o carbone di legna, gas dal carbon fossile, la respirazione e la sua analogia con la
combustione della candela, conclusione
Le candele giapponesi. L’acido carbonico. Il carbonio nell’acido carbonico. La formazione dell’acido carbonico. Combustione
del carbonio. Il carbonio brucia emettendo scintille. Composizione dell’acido carbonico. Analisi dell’acido carbonico e
dimostrazione che è composto di carbonio e ossigeno. Il carbonio nel legno e nel gas illuminante. I prodotti di combustione
gassosi. Combustione del piroforo di piombo. Prodotti solidi della combustione. Combustione e respirazione. L’alito estingue
la combustione. I prodotti della respirazione. L’importanza della ventilazione. Azione dell’aria emessa dai polmoni sull’acqua
di calce. Cosa è la respirazione? L’acido carbonico formato dalla respirazione. Il carbonio presente nel cibo. Il carbonio
bruciato durante la respirazione. L’importanza dell’acido carbonico per le piante. Crescita degli alberi e delle piante. Il
piombo brucia subito. Il carbonio ritarda la sua azione. Respira zione e combustione.
Letture consigliate:
Michael Faraday: la storia romantica di un genio, J. M. Thomas (traduzione L. Dei), Firenze university press, 2006
The chemical history of a candle: a course of six lectures delivered before a juvenile auditory at the Royal Institution
of Great Britain during the Christmas holidays of 1860-1 , M. Faraday, Mineola, N.Y., Dover, 2002
Michael Faraday: a very short introduction, F. A. J. L. James, Oxford university press, 2010
La candela di Faraday, un bell’esempio di diffusione della cultura scientifica, P. Cerreta, Giornale di Fisica, vol LIII, n.1
Gennaio-Marzo 2012
Wikipedia
https://archive.org/details/acoursesixlectu01croogoog
www.treccani.it/scuola/tesine/faraday_e_la_diffusione_della_scienza/1.html
gifh.wordpress.com/2011/12/19/tutto-il-fascino-della-chimica-nelle-candele-di-natale/
www.itis.arezzo.it/index.php?option=com_content&view=article&id=297:michael-faraday-qla-storia-chimica-di-unacandela-q&catid=85:storiachimica&Itemid=98
invitoallanatura.it/2013/la-candela-sotto-il-barattolo/
www.cosediscienza.it/metodo/08_osservazioni_ed_esperimenti.htm
www.funsci.com/fun3_it/candela/piatto.htm
www.chimicaspettacolare.it/fiammacandelacome.htm
www.nasa.gov/mov/196821main_056_Combustion_Experiments.mov
www.youtube.com/watch?v=aEjR4EbZosY
dott. Esposito
www.youtube.com/watch?v=EKwYmmOkwBg
dott. Esposito
www.youtube.com/watch?v=swVfNLlu8s0
Lecture1 (Geoffrey Ritchey)
www.youtube.com/watch?v=c-WOGFo4zJg
Lecture2 (Geoffrey Ritchey)
www.youtube.com/watch?v=NBrBt3jcen
Ian Russell