Qual é o estado físico do fogo?

Qual é o estado físico do fogo? A resposta simples para essa pergunta é: nenhum! O fogo não possui estado físico ou estado de agregação, pois ele não é matéria, mas sim energia.

Toda matéria possui massa e volume, ocupa lugar no espaço e é composta por partículas. Dependendo da agregação dessas partículas, a matéria pode ser encontrada em três estados físicos: sólido, líquido ou gasoso. Para saber mais sobre esses estados, leia o texto Estados físicos da matéria.

Existe, porém, um quarto estado físico da matéria que não é tão comum aqui na Terra, mas por incrível que pareça, acredita-se que 99% de tudo que existe no universo esteja nesse quarto estado, o plasma.

As regiões da superfície solar são um exemplo de plasma. Como esse estado geralmente se apresenta bastante quente, muitos acreditavam que o estado físico do fogo seria o plasma. Mas vamos entender o que é esse estado para vermos que não é bem assim.

O plasma é formado quando altas temperaturas fazem com que as moléculas ou átomos de um material no estado gasoso rompam-se, formando átomos livres, que, por sua vez, perdem e ganham elétrons, gerando íons. Assim, o plasma é formado por um conjunto quente e denso de átomos livres, elétrons e íons que possuem comportamento coletivo em uma distribuição quase neutra (número de partículas positivas e negativas é praticamente igual).

Isso nos mostra que o plasma é composto, então, de partículas, ao contrário do fogo, que é energia. A energia não é um conceito tão fácil de explicar, mas geralmente ela é definida como a capacidade de produzir trabalho, movimento ou ação.

Existem vários tipos de energia (química, elétrica, potencial, mecânica, cinética, magnética etc.), e uma delas é a energia térmica do fogo. Visto que a Lei de Conservação da Energia diz que ela não pode ser criada nem destruída, mas sim transformada, de onde vem o fogo?

Bem, o fogo é formado nas reações de combustão, ou seja, quando um combustível (que pode ser sólido, líquido ou gasoso) reage com o gás oxigênio e forma gás carbônico e água, liberando energia. Essa energia vem das ligações químicas entre os átomos dos reagentes que foram rompidas.

Quando o álcool (etanol) reage com o gás oxigênio do ar motivado por uma faísca, por exemplo, ocorre uma reação de combustão, em que vemos a formação de fogo. Observe essa reação a seguir:

CH₃CH₂OH_(l) + 3 O_2(g) → 2 CO_2(g) + 3 H₂O_(g)+ energia térmica
^{combustível          comburente             produtos}                                               

Reação de álcool pegando fogo, um exemplo de combustão

O etanol e o gás oxigênio são formados por átomos ligados entre si. As atrações e repulsões entre essas partículas subatômicas originam uma energia potencial nessas substâncias, que é denominada de “energia química”. Mas para cada tipo de ligação química existe um conteúdo energético diferente, o que significa que as energias químicas dos produtos são diferentes das dos reagentes.

Assim, no momento das reações químicas, quando as ligações dos reagentes são quebradas e as ligações dos produtos são formadas, há perda e ganho de energia. Se a energia das ligações dos reagentes for maior que a dos produtos, a energia excedente será liberada para o meio, como ocorreu no caso do etanol, formando o fogo. Tivemos então a transformação da energia química em energia térmica. Esse processo é muito bem explicado no texto Conversão de Energia e as Reações Químicas.

Essa energia térmica do fogo pode ser transformada em outros tipos de energia. Por exemplo, em um sistema formado por um cilindro provido de êmbolo móvel, se ele for aquecido por meio do fogo de uma lamparina, o ar no interior do cilindro será expandido e elevará o êmbolo. Nesse caso, a energia térmica foi transformada em energia cinética. Podemos também aproveitar energia fornecida pelo fogo para cozinhar, aquecer um ambiente ou mesmo movimentar um automóvel.

Outro ponto que nos mostra que o fogo é energia e nos ajuda a entender um pouco mais sobre a sua natureza é que ele pode possuir diversas cores diferentes. Por exemplo, quando não há oxigênio suficiente, a combustão acontece de forma incompleta, produzindo menor energia, e a chama fica da cor amarela. Já a combustão completa ocorre com maior energia, produzindo um fogo de cor azul.

Chama azul em bico de Bunsen com janela de entrada de ar totalmente aberta (combustão completa com alta energia)

Se colocarmos um sal de cobre, como o sulfato de cobre II (CuSO₄), no fogo, veremos a emissão de uma cor verde; mas se o sal for de estrôncio, a cor será vermelha. Isso acontece porque os elétrons dos átomos desses elementos liberam quantidades diferentes de energia, o que resulta em cores distintas em cada caso.

Esse processo acontece da seguinte maneira: quando colocamos o sal no fogo, por exemplo, alguns elétrons dos átomos do sal ganham energia e passam para uma órbita (camada energética ou nível de energia) mais externa. Visto que esse estado é instável, os elétrons voltam rapidamente para a camada energética inicial (estado fundamental). Entretanto, para que isso ocorra, é preciso que o elétron libere a quantidade de energia que recebeu. Assim, essa energia liberada é a chama colorida que vemos. Cada cor corresponde a uma quantidade de energia. Mais detalhes sobre esse fenômeno são explicados no texto Fogos de artifício.