Khi nhóm lửa, những thanh củi bên dưới bốc cháy trong khi nồi nước - làm bằng kim loại với các liên kết hóa học mạnh - không ảnh hưởng.
Lửa cần một số yếu tố bắt buộc để tồn tại gồm oxy, nhiệt và nhiên liệu. Việc một số vật bắt lửa trong khi những thứ khác lại không là do các liên kết hóa học và năng lượng cần thiết để thay đổi hoặc phá vỡ các liên kết đó.
Chiếc ấm bằng kim loại không bùng lửa như những thanh gỗ bên dưới. (Ảnh: ArtistGNDphotography)
Oxy là một loại khí hiện diện trong không khí. Nhiệt có thể được tạo ra từ ma sát như quẹt diêm, hoặc theo những cách khác, ví dụ sét đánh. Nhiên liệu là thứ cháy được, có thể là bất cứ thứ gì hình thành từ vật liệu hữu cơ, theo Carl Brozek, nhà hóa học tại Đại học Oregon. Trong trường hợp này, "hữu cơ" dùng để chỉ phân tử được tạo ra từ những liên kết chủ yếu là carbon - hydro, đôi khi gồm cả oxy hoặc nguyên tử khác như phốt pho, nitơ.
Cháy là một phản ứng hóa học giải phóng năng lượng từ một hệ thống không ổn định với các liên kết hóa học tương đối yếu. Brozek cho biết, mọi thứ đều muốn ổn định hơn, đặc biệt là các phân tử hữu cơ chứa carbon, oxy, hydro và một số nguyên tố khác. Những vật liệu dễ bắt lửa như gỗ và giấy hình thành từ cellulose - phân tử chứa các liên kết giữa carbon, hydro và oxy.
"Khi cháy, vật thể sẽ giải phóng rất nhiều năng lượng vì hệ thống đang chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp hơn. Năng lượng này phải thoát đi đâu đó", Brozek nói.
Khi một vật bằng gỗ bắt lửa, cellulose chuyển đổi thành CO2 và hơi nước - cả hai đều là những phân tử rất ổn định với liên kết bền chắc. Năng lượng giải phóng từ phản ứng hóa học này kích thích các electron trong nguyên tử khí, phát ra ánh sáng nhìn thấy được. Con người gọi ánh sáng đó là lửa.
Vậy tại sao khi đốt lửa trại để đun nước, những khúc củi bên dưới bốc cháy còn nồi kim loại thì không? Sự khác biệt giữa củi và nồi kim loại liên quan đến khả năng phân phối năng lượng của vật liệu khi lửa tác động, phụ thuộc vào độ chắc chắn của các liên kết hóa học, Brozek giải thích.
Các liên kết hóa học mạnh trong kim loại không dễ bị phá vỡ. Gỗ không có các liên kết bền chặt như vậy nên không có khả năng hấp thụ năng lượng từ lửa. Thay vì hấp thụ năng lượng, gỗ giải phóng năng lượng bằng cách bắt lửa. Trong khi đó, kim loại của nồi có khả năng hấp thụ và phân tán năng lượng mạnh mẽ nên khi chạm vào nồi sẽ có cảm giác nóng.
Tăng khả năng hấp thụ nhiệt có thể ngăn gỗ bắt lửa. Brozek cho biết, nếu châm lửa vào cốc giấy chứa đầy nước, cốc sẽ không cháy vì nước trong cốc có thể hấp thụ nhiệt.
Tuy nhiên, một số kim loại vẫn có thể cháy, ví dụ kali và titan, được sử dụng để chế tạo pháo hoa. Kim loại trong pháo hoa ở dạng bột, tạo ra nhiều diện tích bề mặt hơn để phản ứng với nhiệt và oxy nhanh hơn, Brozek giải thích. Khi các kim loại này tiếp xúc với nhiệt đủ để phản ứng với oxy, mức năng lượng tỏa ra khiến chúng cháy thành những màu khác nhau.