La Chimica dei Fuochi d’Artificio

La pirotecnica è l’arte e lo studio della fabbricazione dei fuochi d’artificio a fini di divertimento e spettacolo . La pirotecnica è nata in epoche remote in Cina. In Europa ha cominciato a svilupparsi intorno al 1300. Essa è un’antica arte che, pur essendosi sviluppata su basi essenzialmente empiriche, racchiude in sé interessanti aspetti scientifici.

Alla base di qualsiasi manifestazione pirotecnica vi è la polvere da sparo, chiamata anche polvere pirica o polvere nera, anch’essa nata in Cina e diffusa in Europa.
La polvere pirica è costituita dal 75% di nitrato di potassio (salnitro), dal 15% di carbone in polvere e dal 10% di polvere di zolfo.
La combustione della polvere pirica (e in generale di un esplosivo tradizionale) non è diversa da una normale combustione, in cui un combustibile (agente riducente) e un comburente (agente ossidante) reagiscono chimicamente tra loro.
L’unica differenza rispetto alle normali combustioni consiste nel fatto che il comburente (l’ossigeno) non viene fornito dall’aria, bensì da uno dei componenti solidi della miscela stessa (nel caso della polvere pirica il nitrato di potassio).

Durante la reazione chimica il combustibile cede elettroni al comburente, formando legami con l’ossigeno. I legami che caratterizzano i prodotti della reazione sono più stabili di quelli che caratterizzano i reagenti.
Di conseguenza la reazione produce la liberazione di energia sotto forma di calore. In seguito all’ignizione (innesco) la reazione avviene molto rapidamente, analogamente allo sviluppo di energia.

Nei fuochi artificiali la polvere pirica funge sia da propellente che da carica esplosiva. Nella polvere pirica i combustibili sono costituiti dal carbone e dallo zolfo. Oltre a questi in campo pirotecnico vengono anche utilizzati altri combustibili: zucchero (per bombe fumogene), silicio e boro (utilizzati soprattutto per le micce) ed elementi metallici, quali alluminio, magnesio e titanio.
Questi ultimi bruciano con l’ossigeno dell’aria raggiungendo elevate temperature ed emettendo una luce molto intensa e brillante (il magnesio veniva utilizzato a tale scopo anche in campo fotografico per realizzare il classico lampo).

Gli elementi metallici vengono anche utilizzati per creare le suggestive emissioni di luce che accompagnano le esplosioni pirotecniche. La luce che si vede in uno spettacolo pirotecnico deriva essenzialmente da tre meccanismi: incandescenza, emissione atomica ed emissione molecolare. Le particelle solide portate ad alta temperatura dal calore liberato dall’esplosione emettono per incandescenza un ampio spettro di radiazione. Tanto più è alta la temperatura, tanto minore è la lunghezza d’onda delle radiazioni emesse.
Nel caso della combustione del magnesio, ad esempio, le particelle di ossido che si producono raggiungono i 3000 ° C e questa temperatura determina l’emissione di una luce bianca molto intensa. Analoghi lampi si possono ottenere con miscele di perclorato di potassio e alluminio.

Molti atomi metallici, una volta eccitati fornendo loro energia, emettono radiazioni elettromagnetiche che cadono nella regione del visibile, cioè con lunghezze d’onda comprese tra 380 e 780 nanometri.
Ogni elemento ha un suo spettro di emissione proprio, caratterizzato da valori di lunghezza d’onda (e quindi colore) ben definiti. L’emissione di radiazione è dovuto alle transizioni elettroniche tra orbitali di maggiore energia (raggiunti dagli elettroni in seguito all’eccitazione) e orbitali di più bassa energia.
Ogni transizione elettronica determina l’emissione di un fotone di energia pari alla differenza di energia tra i due orbitali tra i quali la transizione è avvenuta.

Un meccanismo analogo vale anche per le molecole le quali, una volta eccitate, possono emettere radiazioni caratteristiche. Anche le molecole per essere eccitate richiedono un aumento di temperatura, tuttavia se la temperatura è troppo elevata si può determinare la decomposizione della molecola stessa. Di conseguenza è importante fare in modo che la temperatura raggiunga valori ottimali.
Le colorazioni che si vedono negli spettacoli pirotecnici derivano dalle emissioni atomiche e molecolari delle sostanze che si formano aggiungendo specifici additivi alla polvere pirica.

I materiali utilizzati per la confezione dei fuochi d’artificio sono classificabili in sei tipologie:

  • avvolgenti
  • combustibili
  • comburenti
  • coloranti
  • agglutinani
  • isolanti

I principali materiali avvolgenti sono: la carta tedesca e la carta per i passa fuochi ( come cartoni e cartocci), il cotone , lo spago.

I materiali agglutinanti servono a far presa. Tra i più importanti si annoverano: la destrina, la gomma arabica.

I materiali isolanti servono per isolare le varie componenti del botto(segatura)

Il colore di una miscela pirotecnica si ottiene da un miscuglio di un materiale ossidante, un materiale combustibile e da un materiale colorante.

I materiali ossidanti sono dei composti chimici (Perclorati di potassio, Nitrato di Bario,Nitrato di Potassio,Nitrato di Sodio)
Questi composti hanno un alto contenuto di ossigeno che viene fornito alla combustione.

I materiali combustibili sono delle sostanze che bruciando producono gas,luce e calore
I materiali combustibili usati sono: Alluminio pirotecnico(polvere finissima) , gomma caroide(ottenuto da una corteccia di albero che cresce nel perù), Magnesio in polvere,Resine, Polivinilice (Vinnolit).

I materiali comburenti sono sostanze che forniscono ossigeno nella combustione, e quindi atti ad alimentare questo rapido processo di ossidazione. L’accoppiamento del comburente con un combustibile produce, a seconda del dosaggio e della granulometria dei componenti, la miscela.

-una “combustione lenta”, in cui gas e calore si disperdono mano a mano che si sviluppano;
-una “deflagrazione”, in cui la combustione si sviluppa in regime esplosivo, con avanzamento subsonico della reazione in seno alla carica.
-La “detonazione” è un fenomeno che interessa materiali esplodenti, detti “detonanti”, vietati in pirotecnica. La detonazione è un’esplosione caratterizzata da avanzamento supersonico della reazione in seno alla carica. Le detonazioni implicano fenomenologie meccaniche assai più distruttive delle deflagrazioni: i “detonanti” sono quindi utilizzati per spaccare, tagliare e forare, in cava (campo civile) o in guerra (ambito militare).

I materiali coloranti sono in genere costituiti da sali : Carbonati di sodio,Potassio,Rame,Stronzio,i Carbonati e gli Ossidati di sodio e stronzio e ossidi di rame.
Certi coloranti danno la colorazione alla fiamma( i carbonati e gli ossalati di stronzio danno il colore rosso,i carbonati di Bario danno il colore verde,i carbonati e gli ossalati di sodio danno il colore giallo,ossidi di Rame danno il colore blu)
Come già detto l’accensione di certi colori dopo essere stati imballati in cilindri(stelle) o pallette avviene tramite la polvere pirica che è un miscuglio intimo composto da 75% Nitrato di Potassio , 15 % Carbone Vegetale(si ottiene dal legno)10% zolfo.

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