Blog

22.07.2019

Fajerwerki – jest w nich chemia!


Fajerwerki zmieniają się wraz z rozwojem nauki, a zwłaszcza chemii.
Laboratoria producentów sztucznych ogni doskonalą formuły chemiczne aby uzyskać czystsze i jaśniejsze barwy fajerwerków. Elimunują składniki chemiczne, które mogą być szkodliwe dla ludzi i środowiska.

LEKCJA CHEMII - FAJERWERKI.

Kolory w fajerwerkach są zwykle generowane przez tzw. gwiazdki pirotechniczne, które po zapaleniu emitują intensywne światło.


Gwiazdki zawierają pięć podstawowych rodzajów składników:
Paliwo - które umożliwia spalanie się gwiazdek;
Utleniacz - związek, który wytwarza (zazwyczaj) tlen wspomagający spalanie paliwa;
Kolor – tzn. substancje chemiczne wytwarzające kolor;
Spoiwo - które zlepia razem składniki gwiazdek;
Źródło chloru - które dostarcza chlor w celu wzmocnienia koloru płomienia. Czasami temu celowi może służyć utleniacz.

Niektóre ze związków barwiących zestawiono w tabeli poniżej.

Kolor Pierwiastek Przykładowe związki
Czerwony Stront (intense red)
Lit (medium red)
SrCO3 (węglan strontu)
Li2CO3 (węglan litu) LiCl (chlorek litu)
Pomarańczowy Wapń CaCl2 (chlorek wapnia)
Żółty Sód NaNO3 (azotan sodu)
Zielony Bar BaCl2 (chlorek baru)
Niebieski Miedź (halogenki) CuCl2 (chlorek miedzi), w niskiej temperaturze
Indygo Cez CsNO3 (azotan cezu)
Fioletowy Potas
Rubid (violet-red)
KNO3 (azotan potasu)
RbNO3 (azotan rubidu)
Złoty Węgiel drzewny (charcoal), żelazo lub sadza (lampblack)
Biały Proszki tytanu, aluminium, berylu lub magnezu


Nie wszystkie związki, które wytwarzają kolorowy płomień są odpowiednie do barwienia fajerwerków. Idealne środki barwiące dają czysty, intensywny kolor, w umiarkowanym stężeniu. Kolor gwiazdki będzie taki sam jak w teście płomieniowym (fotografia powyżej). 
Natomiast kolor iskier, który powstaje w wyniku emisji światła z żarzących się cząstek stałych, ograniczony jest do czerwono-pomarańczowego, żółto-złotego i biało-srebrzystego. Nisko wrzące metale mogą tworzyć iskry z intensywnie zabarwioną, świecącą się powłoką otaczającą cząstkę stałą. Jest to wynikiem spalania metalu w fazie gazowej.

Najjaśniejsze gwiazdki, często nazywane Mag Stars, są zasilane aluminium. Magnez jest rzadko stosowany w przemyśle pirotechnicznym ze względu na brak zdolności do tworzenia ochronnej warstwy tlenku. Często natomiast stosowany jest stop obu metali zwany Magnalium.

Wiele substancji chemicznych używanych do produkcji fajerwerków jest nietoksycznych, jednak wiele innych ma pewien stopień toksyczności i może powodować podrażnienia skóry, lub występuje w postaci pyłu i w związku z tym stanowi zagrożenie inhalacyjne. Jeszcze inne są trucizną w przypadku bezpośredniego spożycia lub wdychania.

Tabela poniżej opisuje zastosowanie niektórych substancji w fajerwerkach.

Symbol Nazwa Zastosowanie w fajerwerkach
Al Aluminium Aluminium jest wykorzystywane do produkcji srebrnych i białych płomieni i iskier. Jest to powszechny składnik iskier.
Ba Bar Bar jest używany do tworzenia zielonych kolorów w fajerwerkach, a także pomaga w stabilizacji innych elementów lotnych.
C Węgiel Węgiel jest jednym z głównych składników czarnego prochu, który jest wykorzystywany jako materiał pędny w fajerwerkach. Węgiel dostarcza paliwa do fajerwerków. Powszechnie spotykane formy to sadza, cukier lub skrobia.
Ca Wapń Wapń służy do pogłębiania kolorów fajerwerków. Sole wapnia produkują pomarańczowe fajerwerki.
Cl Chlor Chlor jest ważnym składnikiem wielu utleniaczy w fajerwerkach. Kilka soli metali, które produkują kolory, zawiera chlor.
Cs Cez Związki cezu pomagają utleniać mieszanki fajerwerków.
Związki cezu wytwarzają kolor indygo w fajerwerkach.
Cu Miedź Związki miedzi produkują niebieskie kolory w fajerwerkach.
Fe Żelazo Żelazo jest wykorzystywane do produkcji iskier. Ciepło metalu decyduje o kolorze iskier.
K Potas Związki potasu pomagają utleniać mieszanki fajerwerków. Azotan potasu, chloran potasu i nadchloran potasu to ważne utleniacze. Potasu nadaje iskrom fioletowy kolor.
Li Lit Lit jest metalem używanym do nadawania fajerwerkom czerwonego koloru. W szczególności węglan litu jest powszechnie stosowanym barwnikiem.
Mg Magnez Magnez spala się bardzo jaskrawo-biało, więc jest używany do dodawania białych iskier lub poprawy ogólnej blasku fajerwerków.
Na Sód Sód nadaje fajerwerkom złoty lub żółty kolor, jednak kolor jest często tak jasny, że maskuje inne, mniej intensywne kolory.
O Tlen Fajerwerki zawierają utleniacze, które są substancjami produkującymi tlen w celu spalenia. Utleniacze to zwykle azotany, chlorany lub nadchlorany. Czasami ta sama substancja jest używana do dostarczania tlenu i koloru.
P Fosfor Fosfor spala się spontanicznie w powietrzu i jest również odpowiedzialny za blask w ciemnych efektach. Może być składnikiem paliwa do fajerwerków.
Ra Rad Rad tworzy intensywne zielone kolory w fajerwerkach, ale jest zbyt niebezpieczny w użyciu.
Rb Rubid Związki rubidu pomagają utleniać mieszanki fajerwerków. Związki rubidu wytwarzają fioletowo-czerwony kolor fajerwerków.
S Siarka Siarka jest składnikiem czarnego proszku i jako taka znajduje się w paliwie fajerwerków.
Sb Antymon Antymon jest używany do tworzenia efektów brokatu fajerwerków.
Sr Stront Sole strontu nadają fajerwerkom czerwony kolor. Związki strontu są również ważne dla stabilizacji mieszanek fajerwerków.
Ti Tytan Tytan może być spalany jako proszek lub płatki w celu wytworzenia srebrnych iskier.
Zn Cynk Cynk jest niebieskawo-białym metalem używanym do tworzenia efektów dymnych.


ZANIECZYSZCZENIA

Zanieczyszczenia pochodzące z fajerwerków budzą obawy ze względu na potencjalne zagrożenia dla zdrowia związane z niebezpiecznymi produktami ubocznymi. Jest to temat poddawany wielu dyskusjom ponieważ duże zanieczyszczenia z innych źródeł utrudniają pomiar ilości zanieczyszczeń pochodzących konkretnie z fajerwerków.

Fajerwerki wytwarzają dym i pył, który może zawierać pozostałości metali ciężkich, związków siarki i niektórych toksycznych substancji chemicznych o niskim stężeniu. W przypadku osób cierpiących na astmę lub wieloczynnikową wrażliwość chemiczną dym z fajerwerków może pogłębić istniejące problemy zdrowotne.

Metale ciężkie i inne chemikalia pochodzące z fajerwerków mogą zanieczyścić wodę. Nadchloran, sól w postaci stałej, rozpuszcza się i szybko przemieszcza w wodach gruntowych i powierzchniowych. Nawet w niskich stężeniach w wodzie pitnej, nadchloran działa hamująco na pobór jodu przez gruczoł tarczycowy. Niektóre firmy produkujące fajerwerki podjęły już zdecydowane kroki w celu zmniejszenia, a docelowo wyeliminowanie nadchloranu z ich produktów.

Produkty uboczne spalania fajerwerków różnią się w zależności od mieszanki składników danego fajerwerku (np. kolor zielony może być wytwarzany przez dodanie różnych związków i soli baru, z których część jest toksyczna, a część nie jest). Na ewentualną toksyczność każdego opadu może mieć również wpływ ilość użytego czarnego prochu, rodzaj utleniacza, generowane kolory fajerwerków i sposób wystrzelenia ładunków.

Niektórzy twierdzą, że rzekoma obawa o zanieczyszczenie środowiska pochodzące z fajerwerków stanowi temat zastępczy, ponieważ ilość tych zanieczyszczeń jest znikoma w porównaniu z emisjami ze źródeł takich jak spalanie paliw kopalnych. Wiele instytucji i samorządów próbuje lokalnie ograniczać korzystanie z fajerwerków, a jednocześnie niewiele z nich podejmuje skuteczne działania w celu ogranicza zanieczyszczeń pochodzących ze spalania paliw kopalnych, takich jak olej napędowy czy węgiel. Samo wytwarzanie energii elektrycznej z węgla kamiennego jest niewspółmiernie większym źródłem zanieczyszczenia środowiska metalami ciężkimi niż fajerwerki.

Nie mniej, nie ulega wątpliwości, że większość fajerwerków konsumenckich pozostawia po sobie pewną ilość stałych zanieczyszczeń, w tym zarówno składników łatwo ulegających biodegradacji, jak i nie ulegających degradacji elementów z tworzyw sztucznych.

Obawy związane z bezpieczeństwem konsumentów i zanieczyszczeniami ograniczyły sprzedaż i korzystanie z fajerwerków konsumenckich w wielu krajach. Natomiast profesjonalne pokazy sztucznych ogni niezmiennie cieszą się wielką popularnością na całym świecie.