La ciencia de los fuegos artificiales

Hace una semanas se celebró la festividad de San José. Por culpa de la pandemia este año no pudimos disfrutar de los espectaculares castillos de fuegos artificiales que en muchas localidades dejan embobados a grandes y pequeños. En honor a este espectáculo de pólvora, luz y color, he decidido escribir sobre la ciencia que hay detrás de esta tradición popular. 

La mayoría de los fuegos artificiales están formados básicamente por la mezcla de una sustancia que aporta oxigeno (agente oxidante) y un combustible (agente reductor). Cuando se aplica calor, se produce una reacción de óxido-reducción que libera energía y desencadena una serie maravillosos procesos químicos y físicos

El principal compuesto químico que se usa es la pólvora negra. Inventada por los chinos hace más de mil años y reinventada en Europa por el inglés Roger Bacon (monje y alquimista) durante la Edad Media, la fórmula secreta fue revelada en 1242 durante su defensa contra las acusaciones de brujería: 7 partes de salitre, 5 de carbón vegetal  y 5 de azufre. Esta fórmula evolucionó en el siglo XVIII a 75% de nitrato de potasio, 15% de carbón vegetal y 10% de azufre. En el caso de la pirotecnia, la receta explosiva se cambia un poco. Se sustituye el nitrato por clorato de potasio, ya que su combustión junto al azufre y el carbón se produce de forma más rápida. La mezcla es tan estable que puede almacenarse durante decenas de años sin sufrir ningún deterioro, siempre que se mantenga seca y a bajas temperaturas.

Cada componente de la pólvora tiene su función. El clorato potásico actúa como oxidante. Es el encargado de generar el oxígeno que reaccionará en la reacción de combustión. El carbono y el azufre son los elementos reductores. Son los responsables de actuar como combustibles para reaccionar con el oxígeno molecular liberado por el oxidante, dando lugar a la producción de grandes cantidades de gases calientes.

No solo se emplea la pólvora en la elaboración de un cohete. También sales metálicas que proporcionan los diferentes colores que vemos en el cielo. Para el rojo se usa cloruro de litio o nitrato de estroncio; para el amarillo intenso sales de sodio; para el verde nitrato de bario; para el naranja cloruro de calcio; para el dorado polvo de hierro o zinc; para el blanco sales de magnesio o aluminio; para el azul nitrato de cobre; para el violeta una mezcla de nitrato de estroncio (rojo) y cobre (azul) y para los destellos blancos y plateados se emplea titanio. Pero además de diferentes colores, los elementos químicos también aportan otros efectos a los fuegos artificiales. El magnesio incrementa el brillo y la luminosidad; el antimonio deja una nube de partículas brillantes como si fueran purpurina y el calcio aumenta la intensidad de los colores obtenidos. 

Como decía un profesor de Química Inorgánica en la Universidad de Murcia, “un castillo de fuegos artificiales es una Tabla Periódica en el cielo”.

Fuente de la imagen: REVISTA QUO

Pero, para producir color, la química necesita apoyarse en otra gran disciplina científica: la física. Lo hace a través de dos propiedades: la incandescencia y la luminiscencia. La incandescencia es la emisión de radiación como consecuencia de que el cuerpo emisor está a alta temperatura. El problema que tiene la incandescencia es que los únicos colores que se pueden producir son los rojizos/amarillos, o si la temperatura es muy alta, el blanco. Este problema se supera gracias a la luminiscencia, la propiedad que tienen ciertos cuerpos de emitir luz tras haber absorbido energía de otra radiación sin elevar su temperatura. Gracias a ella pueden obtenerse todos los colores del espectro visible.

¿Cómo son los cohetes de fuegos artificiales? Suelen tener dos cámaras. En cada una de ellas se produce una explosión. La primera cámara tiene una carga de pólvora y una salida por la parte inferior que es la que impulsa el proyectil hacia el cielo. La segunda cámara del cohete explota en el cielo al quemarse por completo la primera. En ella es donde se encuentran las sales que dan lugar a los colores y formas especiales (anillos, palmeras, etc.). Para disparar los cohetes antiguamente se pinchaban en el suelo y una persona encendía la mecha. Ahora se emplean tubos que se disparan a distancia mediante ignición eléctrica. Así se gana en seguridad y se logra controlar la trayectoria del cohete y el ritmo del espectáculo. 

¿Por qué unos efectos luminosos duran más que otros en el cielo? Cuestión de tamaño. Las partículas metálicas más grandes mantienen su calor durante más tiempo que los polvos finos y pueden proseguir su combustión tomando el oxígeno del aire. Estas partículas producen chispas blancas, en vez de un fogonazo instantáneo. Cuanto mayores son las partículas, más duran las chispas.

¿De donde proceden los silbidos que se oyen en algunos fuegos artificiales y que tanto gustan a grandes y pequeños? Ciertas mezclas de perclorato potásico como oxidante y una sal de ácido orgánico (como el salicilato de sodio) son capaces de arder capa a capa y producen emisiones intermitentes de gas. Comprimidas estas mezclas en unos tubos de pequeño diámetro, los rápidos chorros sucesivos del gas que emiten producen silbidos.

¿Y de dónde salen las estrellas u otros efectos que se ven en el cielo? Del dibujo que previamente se haya hecho en el cohete. Las asombrosas formas y las direcciones que toman se deben a una mera cuestión de diseño de los cartuchos y de cómo se organiza en su interior la pólvora y el resto de sustancias.

Estimados lectores, me fascinan los grandes avances científicos. Es maravilloso ver cómo logramos posar una nave en Marte o como, en tiempo record, somos capaces de desarrollar vacunas contra un terrible virus. Pero los habituales de esta sección saben que también soy un fiel defensor de la ciencia de la vida cotidiana. La encontramos en nuestras necesidades diarias, en nuestros hobbies y, como hoy les he mostrado, en algo tan querido como nuestras tradiciones populares

Jose

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