I fuochi d’artificio sono spettacolo e magia. Dietro a questa magia si nasconde una chimica fatta di reazioni esplosive e di composti chimici sapientemente miscelati per creare forme, dinamiche e colori unici nel cielo notturno. Vedere il cielo bruciare e sentire il suono delle esplosioni accompagnate dalla luce che illumina la notte, è un’esperienza stranamente appagante per la maggior parte di noi che non può fare a meno di lasciarci a bocca aperta ogni volta. Andiamo a scoprire la chimica che rende possibile tutto questo.
Il motore chimico
Guardare uno spettacolo pirotecnico equivale a guardare un’esibizione di reazioni chimiche, pianificazione ed ingegneria. Andiamo a vedere com’è fatta una miscela pirotecnica. Una miscela pirotecnica è composta da due elementi fondamentali: un combustibile e un comburente. Con una fonte di innesco, combustibile e comburente iniziano a reagire tra di loro producendo una grande quantità di calore. Chimicamente i comburenti usati per i fuochi d’artificio sono sostanze ricche di ossigeno come il nitrato di potassio o il perclorato di potassio. Il combustibile è una sostanza che può catturare l’ossigeno come la polvere di alluminio, la polvere di magnesio, il carbone o lo zolfo. La quantità e le proporzioni tra combustibile e comburente cambiano di molto la velocità della reazione. Infatti si può passare da una reazione lenta e costante ad una rapidissima e violenta. Un esempio di combustione lenta è una candela che brucia, in cui il comburente è l’ossigeno presente nell’aria e il combustibile è la cera della candela.
Nei fuochi d’artificio si parla di deflagrazione perché la combustione è esplosiva ma in regime subsonico (si propaga più lentamente della velocità del suono). Mentre un ordigno da scavo per miniera o un ordigno bellico sfruttano una combustione esplosiva in regime supersonico. Sfruttando diverse combinazioni tra combustibile e comburente si può regolare alla perfezione il comportamento della reazione. Scegliere quanto dura la combustione, che temperatura raggiunge, se è costante oppure accelera. Ed è proprio questo che permette di avere fuochi con effetti molto diversi tra loro.
Il fenomeno dell’emissione
Per colorare le scie dei fuochi d’artificio si usano dei composti chiamati sali metallici. I sali metallici contengo elementi chimici che esibiscono una proprietà molto utile per l’impiego pirotecnico: ad alte temperature producono un fenomeno detto emissione. Innescando la combustione della miscela pirotecnica la temperatura supera senza problemi i 1.000°C. Tutta questa energia scompone i composti chimici della miscela. A questo punto gli elementi in miscela assorbono parte di quella energia passando ad uno stato eccitato. Lo stato eccitato è dato da un elettrone che è passato dal suo livello energetico fondamentale ad un livello energetico più alto. Tuttavia un elettrone può occupare solo certi livelli energetici nell’atomo, questi livelli sono descritti dalla meccanica quantistica. L’energia assorbita dalla deflagrazione del fuoco d’artificio permette all’elettrone di saltare ad un livello alto e poi tornare al livello di origine emettendo un fotone, ovvero luce di un colore specifico, che corrisponde alla differenza di energia tra i livelli del salto. Attenzione: seppur tutti gli elementi sono in grado di emettere, solo alcuni emettono luce visibile!
Il rame contenuto nel cloruro rameico produce un bellissimo colore blu, ma solamente se le temperature sono abbastanza alte, altrimenti la fiamma sarà verde. Lo stronzio contenuto nel cloruro di stronzio produce un rosso molto intenso e può fungere anche da comburente se viene usato in forma di nitrato di stronzio. Il nitrato di sodio e l’ossalato di sodio liberano sodio (chi lo avrebbe mai detto!), che emette un giallo intenso, il colore dei vecchi lampioni, che usavano appunto lampade al sodio, prima della graduale sostituzione con i led bianchi (in qualche paesino potete ancora trovarli). Il calcio sotto forma di carbonato o nitrato di calcio produce un vivido arancio. Per ottenere un bel verde serve un composto del bario; il nitrato di bario, il cloruro di bario o l’acetato di bario fanno proprio al caso. Ovviamente si possono derivare molti altri colori combinando questi sali tra di loro, come un pittore che miscela le tinte sulla tavolozza.
Per lasciarci a bocca aperta i produttori di fuochi non si limitano solo al colore, ma aggiungono anche altri composti per ottenere effetti speciali come le cascate di scintille e aumentare la luminosità del botto.La polvere di ferro è perfetta per creare una moltitudine di scintille, mentre lo zirconio viene impiegato spesso in combinazione con il titanio per creare una moltitudine di scintille argentate e il tipico effetto cascata.Alluminio e magnesio invece una volta innescati bruciano a temperature altissime creando i fuochi più luminosi in assoluto. Con tutti questi elementi a disposizione il fuoco d’artificio diventa un’opera di creatività ed ingegneria che nelle mani dell’artista giusto può creare una sequenza complessa e forme suggestive.
Come è fatto fisicamente un fuoco d’artificio?
Ora che abbiamo scoperto tutti gli ingredienti chimici per preparare un fuoco perfetto concludiamo vedendo come viene confezionata la struttura finale. Il fuoco d’artificio è essenzialmente composto da un innesco, solitamente una miccia attivata a distanza, che innesca la propulsione. La miccia prosegue fino al centro del fuoco d’artificio. All’interno dello spesso involucro di cartone troviamo una sfera di polvere nera (un tipo di polvere da sparo) circondata da strati di sferette o pellet contenenti la miscela di combustibile, comburente e sali metallici preparata ad hoc per il fuoco. Ogni pellet al momento della deflagrazione verrà innescato e proiettato ad alta velocità producendo una scia. Quindi, combinando composizione e posizione dei pellet, verrà composto il fuoco d’artificio perfetto.
La prossima volta che alzerete lo sguardo per un fuoco d’artificio, quella magia avrà perso un po’ del suo velo di mistero: dietro ogni scoppio ci sono elettroni che saltano di livello, sali metallici scelti con cura e un equilibrio calcolato tra combustibile e comburente. Adesso è il momento di passare alla pratica: sull’agenda di Eppen trovate gli appuntamenti pirotecnici e le feste patronali di tutta la provincia per andare a vedere dal vivo e con occhio più esperto tutta questa chimica in azione.
