Chimica dei fuochi d'artificio
28 giu 2021
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Sviluppati quasi due millenni fa nell'antica Cina, i fuochi d'artificio sono sempre più utilizzati nelle celebrazioni culturali in tutto il mondo e apprezzati da quasi tutte le età. Essendo una delle forme più divertenti di chimica, i fuochi d'artificio fanno appello ai nostri sensi della vista e del suono, offrendo un'incredibile varietà di colori, dimensioni, forme, suoni e così via. Ci piace guardare i fuochi d'artificio perché ci tolgono il fiato con la loro magnificenza e mistero.
Tuttavia non è tutto divertimento e giochi. L'attività dei fuochi d'artificio (e il campo della pirotecnica in generale) è molto seria poiché dovrebbero essere resi il più sicuri possibile da usare e anche rispettosi dell'ambiente. Oltre ai fuochi d'artificio, altri oggetti pirotecnici si trovano in tutti i tipi di intrattenimento, come concerti, film e applicazioni più serie per la difesa e la sicurezza (ad esempio, misure di sicurezza come razzi e luci di segnalazione).
Di cosa sono fatti i fuochi d'artificio?
I primi fuochi d'artificio erano piuttosto pericolosi e venivano usati per protezione per celebrazioni, e difficilmente assomigliano a quelli che ora conosciamo.
Tutto ebbe inizio nell'antica Cina con l'invenzione della polvere da sparo, creata da una miscela di carbone, zolfo e salnitro (nitrato di potassio). Alla fine, quando sono stati fatti nuovi sviluppi per aumentare la sicurezza e la prevedibilità dell'uso di questi primi fuochi d'artificio, è iniziata la sperimentazione con i colori e le persone hanno iniziato ad usarli di più per scopi non violenti. Ora c'è un intero settore dedicato allo sviluppo di tutti i tipi di fuochi d'artificio sia per i consumatori che per i professionisti.
Scopri di più sulla storia dei fuochi d'artificio nei link sottostanti:
Glossario della terminologia dei fuochi d'artificio
![Schema in sezione trasversale di una capsula di fuochi d'artificio riempita con decorazioni a stella (72) e accenditore (70). [1]](https://s7e5a.scene7.com/is/image/metrohm/Fireworks-capsule-patent-1200px?ts=1645448777321&dpr=off&bfc=on "Schema in sezione trasversale di una capsula di fuochi d'artificio riempita con decorazioni a stella (72) e accenditore (70). [1]")
Un fuoco d'artificio, o conchiglia aerea come è anche noto, consiste fondamentalmente in tre parti principali oltre all'alloggiamento: polvere da sparo e un accenditore per far esplodere il razzo, e all'interno della capsula trasportata in alto ci sono dei piccoli baccelli di guarnitura di solito chiamati «stelle» (pur essendo a forma di sfere o cilindri) che includono vari prodotti chimici per gli effetti desiderati. Le stelle sono costituite da un colorante, un combustibile, un ossidante (sostanza che fornisce ossigeno, ad esempio clorati o nitrati) e un legante per tenere insieme la miscela di ingredienti in una mattonella compatta.
L'industria ha dedicato molto tempo allo sviluppo per far esplodere fuochi d'artificio in forme come stelle e strisce, cuori o forme ancora più complesse come una figura di un cartone animato o lettere e numeri se cronometrati correttamente.
Formando un arcobaleno di colori
I colori vivaci dei fuochi d'artificio provengono dalla combustione di ioni metallici che costituiscono fino al 20% dei componenti. I metalli sono stati utilizzati per colorare le fiamme ancor prima dell'invenzione dei moderni fuochi d'artificio (es Fuoco del Bengala). Chimicamente parlando, questi ioni metallici cambiano il loro stato elettronico riscaldandosi (addizione di energia) e poi tornando a uno stato energetico inferiore prima di emettere luce di un certo colore.
| Colore | Metallo | Esempi di composti |
|---|---|---|
| Rosso | Stronzio (rosso intenso) | SrCO3 (carbonato di stronzio) |
| Litio (rosso medio) | Li2CO3 (carbonato di litio) LiCl (cloruro di litio) |
|
| Arancione | Calcio | CaCl2 (Cloruro di calcio) |
| Giallo | Sodio | NaNO3 (nitrato di sodio) |
| Verde | Bario | BaCl2 (cloruro di bario) B3n3 (nitruro di boro) |
| Blu | Alogenuri di rame | CuCl2 (cloruro di rame), a bassa temperatura |
| Indaco | Cesio | CsNO3 (nitrato di cesio) |
| Viola | Potassio | KNO3 (nitrato di potassio) |
| Rubidio (rosso violaceo) | RbNO3 (nitrato di rubidio) | |
| Oro | Carbone, ferro o nerofumo | |
| Bianco | Polveri di titanio, alluminio, berillio o magnesio |
Molto prominente qui è il colore giallo del sodio che si vede anche nelle lampadine stradali più vecchie in alcuni paesi. Sfortunatamente, i colori più vivaci che si formano sono anche i più tossici per l'ambiente, come lo stronzio (rosso) e il bario (verde). Questi contaminanti possono essere misurati nell'aria, nell'acqua e persino nel suolo, ma ne parleremo più avanti.
Scopri maggiori informazioni su come i fuochi d'artificio ottengono i loro colori nei link sottostanti:
In che modo i fuochi d'artificio ottengono i loro colori gloriosi?
La sicurezza prima
La sicurezza è sempre una questione critica quando si parla di fuochi d'artificio, sia per quanto riguarda la loro costruzione, il loro utilizzo o il loro stoccaggio. Nel corso degli anni si sono verificati troppi incidenti gravi che hanno coinvolto fuochi d'artificio.
Scopri di più su come gestire i fuochi d'artificio in modo sicuro qui:
Uno dei più grandi disastri di fuochi d'artificio registrati in Europa fu Enschede (Paesi Bassi) nel 2000. Questa esplosione è avvenuta nel magazzino della SE Fabbrica di fuochi d'artificio, che si trovava al centro di una zona residenziale mentre la città cresceva e continuava a costruire case intorno ad essa. Un intero quartiere è stato raso al suolo e la più grande delle esplosioni è stata avvertita 30 chilometri di distanza.
A causa di questo incidente, la vendita di fuochi d'artificio più grandi nella maggior parte dei paesi europei è consentita solo all'aperto. L'accumulo di fuochi d'artificio a casa in preparazione alle celebrazioni dovrebbe essere evitato almeno in ambienti confinati come scantinati o appartamenti. È meglio conservarli in un capannone ventilato o in un parcheggio per evitare problemi in caso di incendio. Inoltre, non conservare i fuochi d'artificio per lunghi periodi, poiché la maggior parte dei fuochi d'artificio commerciali devono essere utilizzati entro 3-6 mesi dalla produzione perché il contenuto della carta può diventare umido, le sostanze ioniche possono dissolversi e ricristallizzarsi e quindi aumenta la probabilità di un guasto.
In caso di guasto dei fuochi d'artificio: Mai dare un'occhiata subito! Attendi almeno 15 minuti a una distanza adeguata e poi usa uno strumento per confinarlo in seguito:non toccarlo mai a mani nude, soprattutto quando si tratta di fuochi d'artificio o razzi esplosivi.
Detto questo, negli ultimi anni i fuochi d'artificio hanno integrato alcune funzioni di sicurezza per funzionare in modo più corretto e affidabile. Ad esempio, i propellenti sono stati modificati dal contenere polvere nera all'utilizzo della tecnologia di razzi come plastificanti per migliori prestazioni di combustione durante il lancio, con conseguente riduzione di fumo e polvere a terra. È necessario seguire una catena di reazioni dedicata, altrimenti brucerà in modo innocuo.
La conoscenza è potere: prevenire gli incidenti con adeguati test analitici
Per aiutare a prevenire incidenti con fuochi d'artificio come quello di Enschede e innumerevoli altri, è fondamentale monitorare da vicino diversi parametri di qualità tra cui il contenuto d'acqua dei fuochi d'artificio a base di carta, la granulometria delle particelle di metallo e la purezza e la composizione del colorante, solo per citarne alcuni. Un controllo di qualità adeguato fornisce un'esperienza di fuochi d'artificio divertente, ma sicura anche nelle mani del pubblico in generale, quando vengono seguiti i protocolli appropriati.
Metrohm offre diverse tecnologie analitiche e relative applicazioni per quest'area di ricerca. Le analisi possono essere eseguite per un'ampia varietà di sostanze e parametri di qualità, nonché per i materiali in traccia in laboratorio, per strada e nell'aria tramite metodi chimici a umido (ad es. Titolazione Karl Fischer, cromatografia ionica, voltammetria) o tecniche spettroscopiche (es. spettroscopia nel vicino infrarosso [NIRS] e spettroscopia Raman).
Come menzionato prima, umidità è un parametro di qualità importante quando si discute della sicurezza dei materiali esplosivi. Metrohm offre due diverse tecniche per un'analisi accurata del contenuto d'acqua in una varietà di matrici che sono descritte nei seguenti post del blog.
Analisi dell'umidità – Titolazione Karl Fischer, NIRS o entrambi?
Analisi dell'umidità nel nitrato di ammonio
Quando si tratta di determinare le singole concentrazioni dei costituenti principali, spiccano alcune tecniche di chimica umida. La cromatografia anionica soppressa è ideale per misurare i componenti ionici di, ad esempio, polvere di petardi, altro materiale esplosivo e persino nei residui di esplosione per scopi forensi. L'accoppiamento di un cromatografo ionico con uno spettrometro di massa (IC-MS) apre ulteriori possibilità di analisi. Leggi di più su questi studi (e altro) scaricando le nostre Application Notes gratuite.
Clorato, nitrato e perclorato in polvere di petardo
Dieci anioni in un estratto di esplosivo
L'uso di diversi sali metallici per creare i colori vivaci dei fuochi d'artificio può essere bello ma anche dannoso per la nostra salute e quella del nostro ambiente. La Voltammetria (VA) è un metodo elettrochimico adatto per la determinazione di concentrazioni in tracce e ultratracce di metalli pesanti e altre sostanze elettrochimicamente attive. Non solo VA è eccellente nel determinare queste sostanze in laboratorio, ma anche sul campo, ad esempio per misurare gli effetti collaterali di uno spettacolo pirotecnico o di un evento indesiderato. Dai un'occhiata alla nostra selezione di strumenti e applicazioni VA sul nostro sito web.
Metrohm: Esperti in analisi voltammetrica
Tecniche spettroscopiche come Raman possono aiutare a determinare la presenza di materiali esplosivi pericolosi anche mantenendo una distanza di sicurezza utilizzandone diversi allegati dello strumento. Leggi il nostro White paper gratuito su come usare MIRA DS da Metrohm Raman allo scopo di identificare gli esplosivi in modo sicuro.
Creazione di librerie personalizzate per il rilevamento di esplosivi binari con Mira DS
Fuochi d'artificio ecologici: una contraddizione?
Sebbene i fuochi d'artificio siano una forma di intrattenimento spettacolare, c'è un notevole impatto ambientale dopo grandi eventi culturali o feste nazionali. L'inquinamento atmosferico generale dopo l'inizio di uno spettacolo pirotecnico può essere visto in un aumento di polvere e fumo, ma anche nel contenuto di metalli pesanti nell'aria poiché la maggior parte dei fuochi d'artificio contemporanei li utilizza per la colorazione.
Il materiale incombusto contiene ancora una quantità significativa di metalli pesanti. Dopo essere caduto a terra, questo materiale può dissolversi ed entrare nelle acque sotterranee dopo la pioggia. I materiali plastici che coprivano i fuochi d'artificio per motivi di sicurezza vengono ritrovati come frammenti di proiettili rotti o come microplastiche. La combustione dei composti all'interno dei fuochi d'artificio porta ad un aumento dell'inquinamento atmosferico sotto forma di aerosol che possono essere misurati e valutati con conseguente formazione di metalli pesanti nell'aria, polveri sottili e persino nanoparticelle estremamente dannose per i nostri polmoni.
Metrohm Process Analytics ha sviluppato il 2060 MARGA (Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air) che viene utilizzato da agenzie ufficiali ed enti di ricerca in tutto il mondo per monitorare la qualità dell'aria in modo completamente autonomo. Questo strumento si basa sulla tecnica analitica della cromatografia ionica e può essere utilizzato come dispositivo di monitoraggio continuo dell'aria dedicato che può essere lasciato incustodito per diverse settimane, o come strumento di ricerca che può essere utilizzato per altri progetti quando non si monitora la qualità dell'aria.
Scopri di più sul 2060 MARGA e le sue capacità nel nostro post sul blog:
Monitoraggio continuo della qualità dell'aria per polveri sottili e aerosol nocivi
Per saperne di più sull'uso degli strumenti Metrohm per monitorare la qualità dell'aria, dai un'occhiata a questa selezione di articoli sottoposti a revisione paritaria.
Monitoraggio dell'aria con cromatografia ionica: una panoramica dei riferimenti della letteratura
Una nuova generazione di fuochi d'artificio «green» è in fase di sviluppo sia per uso professionale che interno per cercare di ridurre al minimo il contenuto di metalli pesanti e anche di ridurre gli agenti che formano aerosol. Questo li rende più adatti per spettacoli pirotecnici indoor e per la produzione di film. Nei normali spettacoli all'aperto (ad es. nei parchi a tema), la polvere da sparo per il trasporto della capsula è stata per lo più sostituita con un meccanismo di pistola ad aria compressa.
Una notevole quantità di ricerche è stata dedicata alla sostituzione dei coloranti a base di metalli pesanti con sostanze più rispettose dell'ambiente aumentando la luminosità dei derivati del litio sostituendoli con lo stronzio, o usando il boro al posto del bario o dei composti clorurati.
Panoramica della pirotecnica green (in tedesco)
Infine, le parti in plastica comunemente utilizzate per circondare i fuochi d'artificio sono previste per essere sostituite da miscele di cellulosa microcristallina con leganti migliori plastificanti. Questo porta ad una stabilità simile rispetto agli attuali materiali plastici, ma i contenitori a base di cellulosa bruciano completamente e non lasciano materiali nocivi sparsi per terra.
Il futuro degli spettacoli pirotecnici
Tutte le misure di sicurezza aumentano la gioia dei fuochi d'artificio non solo nel corso, ma anche dopo l'evento: essere ecologici ed essere al sicuro. Predicendo il futuro, alcune di queste celebrazioni potrebbero ora utilizzare un gruppo di droni illuminati in una danza coreografata. Ciò è avvenuto in modo più costante poiché i droni diminuiscono di prezzo e aumentano le loro capacità di gestione e programmazione. Tuttavia, i fuochi d'artificio sono già con noi da un paio di migliaia di anni e probabilmente non scompariranno presto.
