Química de los fuegos artificiales
28 jun 2021
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Desarrollados hace casi dos milenios en la antigua China, los fuegos artificiales se utilizan cada vez más en celebraciones culturales en todo el mundo y son disfrutados por casi todas las edades. Como una de las formas de química más entretenidas, los fuegos artificiales apelan a nuestros sentidos de la vista y el oído, y ofrecen una asombrosa variedad de colores, tamaños, formas, sonidos, etc. Nos encanta ver los fuegos artificiales porque nos quitan el aliento con su magnificencia y misterio.
Sin embargo, no todo es diversión y juegos. El negocio de los fuegos artificiales (y el campo de la pirotecnia en general) es muy serio, ya que deben ser lo más seguros posible y también respetuosos con el medio ambiente. Más allá de los fuegos artificiales, otros productos pirotécnicos se encuentran en todo tipo de entretenimiento, como conciertos, películas y aplicaciones más serias para la defensa y la seguridad (p. ej., medidas de seguridad como bengalas y señales luminosas).
¿De qué están hechos los fuegos artificiales?
Los primeros fuegos artificiales eran bastante peligrosos y se usaban para protección más que para celebraciones, y apenas se parecen a los que ahora conocemos.
Todo comenzó en la antigua China con la invención de la pólvora, que se creó a partir de una mezcla de carbón, azufre y salitre (nitrato de potasio). Eventualmente, a medida que se hicieron nuevos desarrollos para aumentar la seguridad y la previsibilidad del uso de estos primeros fuegos artificiales, comenzó la experimentación con colores y la gente comenzó a usarlos más con fines no violentos. Ahora existe toda una industria dedicada al desarrollo de todo tipo de fuegos artificiales tanto para consumidores como para profesionales.
Obtenga más información sobre la historia de los fuegos artificiales en los siguientes enlaces:
Glosario de terminología de fuegos artificiales
![Diagrama de la sección transversal de una cápsula de fuegos artificiales llena de guarniciones de estrellas (72) y encendedor (70). [1]](https://s7e5a.scene7.com/is/image/metrohm/Fireworks-capsule-patent-1200px?qlt=85&ts=1717706188546&dpr=off&bfc=on "Diagrama de la sección transversal de una cápsula de fuegos artificiales llena de guarniciones de estrellas (72) y encendedor (70). [1]")
Un fuego artificial, o proyectil aéreo, como también se le conoce, consta básicamente de tres partes principales además de la carcasa: pólvora y un encendedor para hacer explotar el cohete, y dentro de la cápsula transportada en la parte superior hay pequeños vainas de guarnición suele llamarse «estrellas» (a pesar de tener forma de esferas o cilindros, Figura 1, desde [1]) que incluyen varios productos químicos para los efectos deseados. Las estrellas consisten en un colorante, un combustible, un oxidante (sustancia que proporciona oxígeno, por ejemplo, cloratos o nitratos) y un aglutinante para mantener la mezcla de ingredientes en una briqueta compacta.
La industria ha invertido una cantidad significativa de tiempo en el desarrollo para hacer que los fuegos artificiales exploten en formas como barras y estrellas, corazones o incluso formas más complejas como una figura de dibujos animados, o letras y números si se sincronizan correctamente.
Formando un arcoiris de colores
Los colores vibrantes de los fuegos artificiales provienen de la combustión de iones metálicos que constituyen hasta el 20% de los componentes. Los metales se han utilizado para dar color a las llamas incluso antes de la invención de los fuegos artificiales modernos (por ejemplo, fuego de bengala). Hablando químicamente, estos iones metálicos cambian su estado electrónico al calentarse (adición de energía) y luego regresan a un estado de menor energía antes emitiendo luz de cierto color.
| Color | Metal | Compuestos de ejemplo |
|---|---|---|
| Rojo | Estroncio (rojo intenso) | SrCO3 (carbonato de estroncio) |
| Litio (rojo medio) | li2CO3 (carbonato de litio) LiCl (cloruro de litio) |
|
| Naranja | Calcio | CaCl2 (cloruro de calcio) |
| Amarillo | Sodio | NaNO3 (nitrato de sodio) |
| Verde | Bario | BaCl2 (cloruro de bario) B3norte3 (nitruro de boro) |
| Azul | haluros de cobre | CuCl2 (cloruro de cobre), a baja temperatura |
| Índigo | Cesio | CsNO3 (nitrato de cesio) |
| Violeta | Potasio | KNO3 (nitrato de potasio) |
| Rubidio (violeta-rojo) | RbNO3 (nitrato de rubidio) | |
| Oro | Carbón, hierro o negro de humo | |
| blanco | Polvos de titanio, aluminio, berilio o magnesio |
Muy prominente aquí es el color amarillo del sodio que también se ve en las bombillas de alumbrado público más antiguas en algunos países. Desafortunadamente, los colores más vibrantes que se forman son también los más tóxicos para el medio ambiente, como el estroncio (rojo) y el bario (verde). Estos contaminantes se pueden medir en el aire, el agua e incluso en el suelo, pero hablaremos de eso más adelante.
Encuentre más información sobre cómo los fuegos artificiales obtienen sus colores en los enlaces a continuación:
¿Cómo obtienen los fuegos artificiales sus gloriosos colores?
Seguridad primero
La seguridad siempre es un tema crítico cuando se habla de fuegos artificiales, ya sea en relación con su construcción, su uso o su almacenamiento. A lo largo de los años, han ocurrido demasiados accidentes graves relacionados con los fuegos artificiales.
Uno de los mayores desastres con fuegos artificiales registrados en Europa fue en Enschede (Países Bajos) en 2000. Esta explosión ocurrió en el depósito de la SE Fábrica de fuegos artificiales, que estaba ubicada en el centro de una zona residencial a medida que la ciudad crecía y continuaba construyendo viviendas a su alrededor. Todo un barrio fue arrasado y la mayor de las explosiones se sintió hasta 30 kilómetros de distancia.
Debido a este incidente, la venta de fuegos artificiales más grandes en la mayoría de los países europeos solo se permite al aire libre. Debe evitarse la acumulación de fuegos artificiales en el hogar en preparación para las celebraciones, al menos en entornos confinados como sótanos o apartamentos. Es mejor guardarlos en un cobertizo ventilado o en un parking para evitar problemas en caso de incendio. Tampoco almacene los fuegos artificiales durante períodos prolongados, ya que la mayoría de los fuegos artificiales comerciales están destinados a usarse dentro de los 3 a 6 meses posteriores a la producción porque el contenido del papel puede humedecerse, las sustancias iónicas pueden disolverse y recristalizarse y, por lo tanto, aumenta la probabilidad de falla.
En caso de falla de los fuegos artificiales: ¡Nunca eches un vistazo inmediatamente! Espere al menos 15 minutos a una distancia adecuada y luego use una herramienta para confinarlo después—nunca lo toques con tus propias manos, especialmente cuando se trata de fuegos artificiales o cohetes que explotan.
Habiendo dicho esto, los fuegos artificiales han integrado algunas características de seguridad en los últimos años para funcionar de manera más adecuada y confiable. Por ejemplo, los propulsores se han modificado de contener pólvora negra a usar tecnología de cohetes como plastificantes para un mejor rendimiento de combustión durante el lanzamiento, lo que también da como resultado menos humo y polvo en el suelo. Se debe seguir una cadena de reacciones dedicada, de lo contrario se quemará de manera inofensiva.
El conocimiento es poder: prevenga accidentes con pruebas analíticas adecuadas
Para ayudar a prevenir accidentes con fuegos artificiales como el de Enschede y muchos otros, es crucial monitorear de cerca diferentes parámetros de calidad, incluido el contenido de agua de los fuegos artificiales a base de papel, el tamaño de grano de las partículas de metal y la pureza y composición del colorante, solo por mencionar algunos. Un control de calidad adecuado proporciona una experiencia pirotécnica entretenida pero segura, incluso en manos del público en general, cuando se siguen los protocolos adecuados.
Metrohm ofrece varias tecnologías analíticas y aplicaciones relacionadas para esta área de investigación. Los análisis se pueden realizar para una amplia variedad de sustancias y parámetros de calidad, así como materiales traza en el laboratorio, en la calle y en el aire, ya sea a través de métodos químicos húmedos (por ejemplo, Titulación de Karl Fischer, cromatografía iónica, voltamperometría) o técnicas espectroscópicas (por ejemplo, espectroscopia de infrarrojo cercano [NIRS] y espectroscopia Raman).
Como se mencionó anteriormente, humedad es un parámetro de calidad importante cuando se habla de la seguridad de los materiales explosivos. Metrohm ofrece dos técnicas diferentes para el análisis preciso del contenido de agua en una variedad de matrices que se describen en las siguientes publicaciones de blog.
Análisis de humedad: ¿valoración de Karl Fischer, NIRS o ambos?
Análisis de humedad en nitrato amónico
Cuando se trata de determinar las concentraciones individuales de los componentes principales, algunas técnicas de química húmeda realmente se destacan. La cromatografía de aniones suprimidos es ideal para medir los componentes iónicos de, por ejemplo, pólvora de petardos, otros materiales explosivos e incluso en residuos de explosiones. con fines forenses. El acoplamiento de un cromatógrafo iónico a un espectrómetro de masas (IC-MS) abre aún más posibilidades de análisis. Lea más sobre estos estudios (y más) descargando nuestro Notas de aplicación gratuitas.
Clorato, nitrato y perclorato en polvo de petardos
Diez aniones en un extracto de explosivos
El uso de varias sales metálicas diferentes para crear los colores vibrantes de los fuegos artificiales puede ser hermoso pero también dañino para nuestra salud y la de nuestro medio ambiente. La voltametría (VA) es un método electroquímico adecuado para la determinación de concentraciones de trazas y ultratrazas de metales pesados y otras sustancias electroquímicamente activas. VA no solo es excelente para determinar estas sustancias en el laboratorio, sino también en el campo, por ejemplo, para medir los efectos posteriores de un espectáculo de fuegos artificiales o un evento no deseado. Consulte nuestra selección de instrumentos y aplicaciones VA aquí.
Metrohm: expertos en análisis voltamétrico
Las técnicas espectroscópicas como Raman pueden ayudar a determinar la presencia de materiales explosivos peligrosos incluso cuando se mantiene una distancia segura mediante el uso de diferentes accesorios de instrumentos. Lea nuestro libro blanco gratuito a continuación sobre cómo usar MIRA DS de Metrohm Raman con el fin de identificar explosivos de forma segura.
Creación de bibliotecas personalizadas para la detección de explosivos binarios con Mira DS
Fuegos artificiales ecológicos: ¿una contradicción?
Aunque los fuegos artificiales son una forma de entretenimiento muy espectacular, existe un gran impacto ambiental después de grandes eventos culturales o fiestas nacionales. La contaminación atmosférica general después de que se ha disparado un espectáculo de fuegos artificiales se puede ver en un aumento de polvo y humo, pero también en el contenido de metales pesados en el aire, ya que la mayoría de los fuegos artificiales contemporáneos los usan para colorear.
El material no quemado todavía contiene una cantidad significativa de metales pesados. Después de caer al suelo, este material puede disolverse y entrar en el agua subterránea después de la lluvia. Los materiales plásticos que cubrieron los fuegos artificiales por razones de seguridad se encuentran nuevamente como metralla rota o como microplásticos. La combustión de los compuestos dentro de los fuegos artificiales conduce a una mayor contaminación del aire en forma de aerosoles que se pueden medir y evaluar, lo que da como resultado metales pesados en el aire, polvo fino e incluso nanopartículas que son extremadamente dañinas para nuestros pulmones.
Metrohm Process Analytics ha desarrollado el 2060 MARGA (METROmonitor para AmiRosoles y GRAMOases en ambiente Air) que es utilizado por agencias oficiales y organismos de investigación en todo el mundo para monitorear la calidad del aire de forma totalmente autónoma. Este instrumento se basa en la técnica analítica de la cromatografía iónica y se puede usar como un dispositivo de monitoreo de aire continuo dedicado que se puede dejar desatendido durante varias semanas seguidas, o como un instrumento de investigación que se puede usar para otros proyectos cuando no se monitorea el calidad del aire.
Obtenga más información sobre el MARGA 2060 y sus capacidades en nuestra publicación de blog.
Monitoreo continuo de la calidad del aire para detectar partículas y aerosoles nocivos
Para obtener más información sobre el uso de instrumentos Metrohm para monitorear la calidad del aire, consulte esta selección de artículos revisados por pares.
Se está desarrollando una nueva generación de fuegos artificiales «verdes» para uso tanto profesional como de interior para intentar minimizar el contenido de metales pesados y también reducir los agentes formadores de aerosoles. Esto los hace más adecuados para espectáculos pirotécnicos de interior y para la producción de películas. En espectáculos regulares al aire libre (p. ej., en parques temáticos), la pólvora para el transporte de la cápsula se ha sustituido principalmente por un mecanismo de pistola de aire comprimido.
Una cantidad significativa de investigación se ha centrado en la sustitución de colorantes a base de metales pesados con sustancias más benignas para el medio ambiente al aumentar la luminosidad de derivados del litio sustituyéndolos por estroncio, o por usando boro en lugar de bario o compuestos clorados.
Descripción general de la pirotecnia verde (en alemán)
Por último, se prevé sustituir las piezas de plástico habitualmente utilizadas para envolver los fuegos artificiales por mezclas de celulosa microcristalina con mejores ligantes plastificantes. Esto conduce a una estabilidad similar en comparación con los materiales plásticos actuales, pero los contenedores a base de celulosa se queman por completo y no dejan materiales nocivos esparcidos por el suelo.
El futuro de los espectáculos de fuegos artificiales
Todas las medidas de seguridad aumentan la alegría de los fuegos artificiales no solo durante, pero también después el evento: ser ecológico y estar seguro. Prediciendo el futuro, algunas de estas celebraciones ahora pueden usar un cuadro de drones iluminados en un baile coreografiado. Esto ha estado sucediendo de manera más constante a medida que los drones bajan de precio y aumentan sus capacidades de manejo y programación. Sin embargo, los fuegos artificiales ya han estado con nosotros durante un par de miles de años y probablemente no desaparecerán en el corto plazo.
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