Revetlla de Sant Joan plena de Química

Posted on 23/06/2011 per Pep Anton Vieta

Aquesta nit tots els catalans i catalanes celebrarem la revetlla de Sant Joan encenent fogueres, brandant bengales i llençant petards. Bombetes pels més menuts, coets pels amants de l’astronomia, masclets pels sorollosos, fonts de colors pels més romàntics, traques pels més agosarats… tot plegat, molta Química!

Però quina és la química dels petards i els focs artificials? A més a més de la pólvora (que prepararem amb la mescla KNO3/C/Sofre {6:5:4 en volum; empíricament he trobat que és una bona proporció}), propulsora dels coets i focs artificials, també és bàsica la presència de sals amb diferents cations metàl·lics, els quals cremen presentant un o altre color.

Aprofitant l’avinentesa, presento un fragment d’una entrada que vaig fer al meu bloc el juliol de 2009, sobre la química dels focs artificials (en referència al Concurs de Focs d’Artifici de la Costa Brava; els Focs de Blanes).

Pirotècnia Martarello. Sa Palomera, Blanes, 23 de juliol de 2009.

L’origen dels focs artificials va lligat amb el descobriment de la pólvora, com és evident. Hi ha una llegenda que explica que el seu descobriment va ésser per la, tant habitual en ciència, serendípia (serendipity en anglès). Molts descobriments científics són supostas a la serendípia segurament pel seu caràcter romàntic i misteriós, creant en alguns casos pures llegendes perfectes per l’argument d’una pel·lícula. Segurament el cas de serendípia més conegut mundialment és el descobriment de la penicil·lina per Fleming. Però tornant al cas que ens ocupa, la llegenda diu que qui va fer el primer foc artificial va ser un cuiner xinès qui, pot fer més de 2000 anys, va vessar salpetre sobre el fogó de cocció i va veure la generació d’una intensa flama. El salpetre (o salnitre), que juntament amb el sofre i el carbó és un dels components de la pólvora, no és més que el nitrat de potassi (KNO₃), el qual antigament s’utilitzava en cuina com a salt per donar gust als plats.

Pirotècnia Vulcano. Sa Palomera, Blanes, 25 de juliol de 2009.

Deixant de banda el descobriment de la pólvora {la qual és bàsica en els focs artificials com a propulsora d’aquests. A la imatge inferior veiem la pólvora (nombre 8), la qual es situa a la part inferior de la bomba i és encesa per la metxa d’ignició(10)} un detall dels focs artificials molt lligat a la química i força complex és el dels colors dels focs artificials.

Els colors dels focs artificials són generats per 2 mecanismes diferents, la incandescència i la luminiscència. La incandescència és la llum produïda per calor. L’augment de temperatura escalfa un material fins a fer-lo brillar, que comença emetent a l’IR, després vermell, taronja, groc i, finalment, llum blanca a mida que es va tornant més calent. Quan la temperatura d’un foc artificial és controlada, la brillantor dels components, com el carbó, pot ésser manipulada fins al color (temperatura) desitjat al moment desitjat. Metalls com l’alumini, el magnesi o el titani, cremen emetent molta brillantor i són utilitzats per incrementar la temperatura d’un foc artificial. Per altra banda la luminiscència és la llum produïda mitjançant diferents fonts d’energia que la calor. Per produir luminiscència, l’energia és absorbida per un electró d’un àtom de manera que aquest passa del seu estat fonamental (el de menor energia, el més estable) a un estat excitat (de més elevada energia, corresponent a la seva de l’estat fonamental + la que ha absorbit de l’exterior, ara aquest àtom és més inestable). Aquest àtom inestable tornarà al seu estat fonamental d’energia (s’estabilitzarà) emetent l’energia que “li sobra” en forma de fotó (llum). Depenent de l’Energia del fotó emès (depenent de la freqüència de l’ona emesa) s’emetrà una llum d’un color o d’un altre. En aquest espectre electromagnètic es pot veure la relació entre la freqüència (o longitud d’ona; les quals són inversament proporcionals segons l’equació 1) d’una ona de la zona del visible i el seu color, així com el pas de les ones IR (infraroig) als visibles vermell, taronja, groc … que hem comentat abans en la incandescència d’un material (a l’augmentar la temperatura del material aquest emet ones més energètiques, de longitud d’ona més petita; l’Energia és directament proporcional a la freqüència [com veiem a l’equació 2] i inversament proporcional a la longitud d’ona, com hem vist a l’equació 1).

Espectre electromagnètic amb la zona del visible (entre 700 nm i 400 nm de longitud d’ona) ampliada.

$f = \frac{c}{\lambda}$

Equació 1 (on f: frequència; λ: longitud d’ona i c: velocitat de la llum)

E = hf

Equació 2 (on E: energia; f: frequència i h: constant de Planck)

D’aquesta manera l’addició de diferents sals (de diferents metalls de la taula periòdica) a la mescla de deflagració donarà al foc artificial un color o un altre. Sals de diferents metalls cremen emetent llum a diferent longitud d’ona (per la teoria que ja hem explicat), és a dir, cremen donant llum de diferent color. Per altra banda l’addició de pols d’alguns metalls com el ferro o l’alumini, crea l’efecte d’espurnes brillants a la combustió. En aquest vídeo que he gravat al laboratori podem veure l’efecte de la combustió de 2 sals de diferents metalls, el clorur de liti que crema emetent a color vermell i el sulfat de coure que crema emetent a blau-verdós (mecanisme d’emissió per luminiscència que hem explicat anteriorment), i l’efecte de la combustió de la pols d’alumini, la qual genera unes espurnes brillants (mecanisme d’emisió per incandescència que hem explicat anteriorment). Per demostrar-ho ho hem fet amb 3 experiments. En el primer addicionem els compostos citats a la mescla sucre + clorat de potassi en la qual addicionem unes gotes d’àcid sulfúric per iniciar la deflagració (vídeo de la deflagració).

Clicant a la següent imatge anem a parar a una Taula Periòdica dels elements més usats pels focs artificials, on podem clicar sobre els elements destacats per conèixer la seva aplicació en pirotècnia. Per exemple trobarem que el K i el Cl són usats en forma de clorat o perclorat de potassi,forts oxidants necessaris per oxidar les mescles pirotècnies (exemple, vídeo de la oxidació del sucre pel clorat de potassi). Amb la següent Taula Periòdica també podem llegir que les sals de Cu donen colors blavosos als focs artificials, o que l’Al és usat per a produir espurnes brillants (l’Al també el trobem a les típiques bengales de Sant Joan), tal com hem experimentat al laboratori i presentem amb el vídeo anterior.

M’agradaria acabar amb un petit detall que no és més que un consell per tal de, al pròxim concurs de focs d’artifici, mirar els focs d’una forma més crítica. La qualitat dels focs també és observable mirant l’espectacle. Els colors purs, com és evident, requereixen compostos purs. De manera que, per exemple, unes petites traces d’impureses de sodi (crema a color groguenc-taronjós) a qualsevol sal és suficient per alterar-ne el color de combustió. Fins i tot una formulació curosa dels compostos que es posaran a les “bombes” pot evitar un excés de fum i residus que emmascarin els colors desitjats. En focs artificials el cost (puresa dels compostos i cura al laboratori) és directament proporcional a la qualitat de l’espectacle, de manera que l’habilitat del fabricant com el temps que fa que la “bomba” està preparada abans del llançament afectarà a la qualitat dels focs artificials.