Πυροτεχνήματα

Οι άνθρωποι απολαμβάνουν παντού τις φανταστικές εκρήξεις και τo λαμπρό φως των πυροτεχνημάτων. Ωστόσο, αυτό το θέαμα είναι πολύ περισσότερο από απλώς μια μορφή ψυχαγωγίας. Η κατανόηση του πώς το περιεχόμενο ενός πυροτεχνήματος παράγει την εντυπωσιακή ποικιλία από μορφές, χρώματα και εντάσεις ήχου απαιτεί μόνο μια απλή κατανόηση των χημικών αντιδράσεων.

Πώς παράγονται τα χρώματα των πυροτεχνημάτων

Τα χρώματα παράγονται με θέρμανση αλάτων μετάλλων, όπως χλωριούχο ασβέστιο ή νιτρικό νάτριο, που εκπέμπουν χαρακτηριστικά χρώματα. Τα άτομα καθενός στοιχείου απορροφούν ενέργεια και την ελευθερώνουν ως φως συγκεκριμένων χρωμάτων. Η ενέργεια που απορροφάται από ένα άτομο αναδιατάσσει τα ηλεκτρόνια από την κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, που ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση, μέχρι μια κατάσταση υψηλής ενέργειας, που ονομάζεται διεγερμένη κατάσταση. Η περίσσεια ενέργεια της διεγερμένης κατάστασης εκπέμπεται ως φως, καθώς τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας και, τελικά, στη θεμελιώδη. Η ποσότητα της ενέργειας που εκπέμπεται καθορίζει το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός και είναι χαρακτηριστική του στοιχείου.

Για παράδειγμα, όταν το νιτρικό νάτριο θερμαίνεται, τα ηλεκτρόνια των ατόμων του νατρίου απορροφούν θερμική ενέργεια και διεγείρονται. Αυτή η διέγερση δεν διαρκεί για πολύ, και τα ηλεκτρόνια αυτά του ατόμου του νατρίου απελευθερώνουν γρήγορα την ενέργεια τους, περίπου 200 kJ/mol, η οποία είναι η ενέργεια του κίτρινου φωτός.

Η ποσότητα της ενέργειας που απελευθερώνεται, είναι διαφορετική από στοιχείο σε στοιχείο, άρα θα προκύπτουν και διαφορετικά χρώματα. Τα βασικά χρώματα που μπορούν να προκύψουν είναι τα παρακάτω :

Χρώμα	Χημική ένωση
κόκκινο	άλατα στροντίου, άλατα λιθίου  ανθρακικό λίθιο = κόκκινο  ανθρακικό στρόντιο = έντονο κόκκινο
πορτοκαλί	άλατα  ασβεστίου π.χ. χλωριούχο ασβέστιο
κίτρινο	άλατα  νατρίου π.χ. χλωριούχο νάτριο
πράσινο	ενώσεις του βαρίου π.χ. χλωριούχο βάριο
μπλε	ενώσεις χαλκού (Ι) π.χ. χλωριούχος χαλκός (Ι)
ασημί	καύση αλουμινίου, τιτανίου ή μαγνησίου

Η Χημεία των πυροτεχνημάτων

Τα χρώματα και οι ήχοι κάθε έκρηξης είναι αποτέλεσμα πολλών χημικών αντιδράσεων - κυρίως οξειδοαναγωγικών - που πραγματοποιούνται μέσα στο πυροτέχνημα που ανεβαίνει στον ουρανό. Τα οξειδωτικά παράγουν το αέριο οξυγόνο που απαιτείται για να κάψει το μίγμα των αναγωγικών παραγόντων ώστε να διεγερθούν τα ηλεκτρόνια των ατόμων των μετάλλων στις ενώσεις.  Τα συνηθέστερα χρησιμοποιούμενα οξειδωτικά είναι τα νιτρικά, χλωρικά και υπερχλωρικά άλατα.

Τα αναγωγικά μέσα είναι ενώσεις που καίγονται εύκολα με το οξυγόνο που παρέχουν τα οξειδωτικά κατά τη διάσπασή τους. Παράδειγμα τέτοιων ενώσεων είναι το θείο και ο άνθρακας.

Τα οξειδωτικά που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι τα νιτρικά άλατα, το κύριο συστατικό της μαύρης πυρίτιδας. Το πιο κοινό οξειδωτικό είναι το νιτρικό κάλιο, το οποίο διασπάται προς οξείδιο καλίου, αέριο άζωτο, και αέριο οξυγόνο : 2ΚΝΟ₃ → Κ₂Ο + Ν₂ + 5/2 Ο_­2.

 Επειδή η οξείδωση δεν έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση όλων των διαθέσιμων οξυγόνων, η αντίδραση δεν είναι τόσο έντονη όπως εκείνη των άλλων οξειδωτικών και είναι περισσότερο ελεγχόμενη. Αυτός είναι ο λόγος που τα νιτρικά χρησιμοποιούνται ως το κύριο συστατικό της μαύρης πυρίτιδας. Σε πυροτεχνήματα κύριος σκοπός τους είναι να παρέχουν την αρχική ώθηση.

Ένα άλλο οξειδωτικό είναι τα χλωρικά άλατα, τα οποία ελευθερώνουν όλα τα οξυγόνα κατά την αντίδραση : 2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

Αυτό οδηγεί σε μια πολύ πιο έντονη και θεαματική αντίδραση.

Τα τελευταία χρόνια, χρησιμοποιούνται πιο συχνά τα υπερχλωρικά άλατα. Σε αυτά, κάθε άτομο χλωρίου είναι συνδεδεμένο με το μέγιστο αριθμό ατόμων οξυγόνου, έτσι τα υπερχλωρικά είναι περισσότερο σταθερά από τα χλωρικά. Τα υπερχλωρικά κατά τη διάσπασή τους απελευθερώνουν και τα τέσσερα άτομα οξυγόνου : KClO₄ → KCl + 2O₂

Το οξυγόνο που απελευθερώνεται από τα νιτρικά, χλωρικά και υπερχλωρικά άλατα αντιδρά άμεσα με τα αναγωγικά μέσα.

Τα πιο κοινά αναγωγικά μέσα είναι το θείο και ο άνθρακας - στοιχεία της μαύρης πυρίτιδας - τα οποία αντιδρούν με το οξυγόνο για να παράγουν διοξείδιο του θείου και διοξείδιο του άνθρακα, αντίστοιχα.

Οι αντιδράσεις που παράγουν αυτά τα αέρια απελευθερώνουν επίσης μεγάλη θερμική ενέργεια, οπότε δεν είναι μόνον τα αέρια που παράγονται, αλλά λόγω της μεγάλη θερμοκρασίας ο όγκος τους αυξάνεται γρήγορα. Αυτό προσθέτει στην εκρηκτική δύναμη της αντίδρασης.

Τα πυροτεχνήματα χρησιμοποιούνται τόσο συχνά σήμερα στις εορταστικές εκδηλώσεις που είναι εύκολο να ξεχάσουμε ότι είναι επικίνδυνα εκρηκτικά. Κάθε χρόνο πολλοί άνθρωποι υποφέρουν από τραυματισμούς που προκαλούνται από την προσωπική χρήση των πυροτεχνημάτων. Σχεδόν τα μισά από τα θύματα είναι παιδιά. Γι' αυτό πάντοτε απαιτείται πολύ μεγάλη προσοχή κατά τη χρήση τους.

Οι χημικοί συνεχίζουν να διερευνούν τρόπους για να παρασκευάσουν νέες ενώσεις και μείγματα που είναι φιλικά προς το περιβάλλον. Δύο πρόσφατες παρασκευές περιγράφουν πυροτεχνήματα κατασκευασμένα από αζωτούχες ενώσεις που παράγουν λιγότερο καπνό και σωματίδια και μπορούν να αντικαταστήσουν οξειδωτικά όπως τα υπερχλωρικά άλατα.

Τα πυροτεχνήματα και ο Handel

H "Μουσική για τα βασιλικά πυροτεχνήματα" γράφτηκε από τον George Frideric Handel το 1749 για τη ρίψη των πυροτεχνημάτων κατά τον εορτασμό στο Λονδίνο του τέλους του Πολέμου της Αυστριακής Διαδοχής και την υπογραφή της Συνθήκης Aix-la- Chapelle.

Ακούστε την εδώ

Ειδικά για την πυρίτιδα, ένα άλλο άρθρο εδώ

Πηγή : Chemical of the week