Química dos Fogos de Artifício
28/06/2021
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Desenvolvidos há quase dois milénios na China antiga, os fogos de artifício são cada vez mais utilizados em celebrações culturais em todo o mundo e apreciados por quase todas as idades. Como uma das formas mais divertidas de química, os fogos de artifício apelam aos nossos sentidos de visão e audição, oferecendo uma variedade impressionante de cores, tamanhos, formas, sons e assim por diante. Adoramos ver fogos de artifício porque eles nos tiram o fôlego com sua magnificência e mistério.
No entanto, nem tudo é diversão e jogos. O negócio dos fogos de artifício (e o domínio da pirotecnia em geral) é muito sério, uma vez que a sua utilização deve ser tão segura quanto possível e também amiga do ambiente. Além dos fogos de artifício, outros tipos de pirotecnia são encontrados em todos os tipos de entretenimento, como em concertos, filmes e aplicações mais sérias de defesa e segurança (por exemplo, medidas de segurança como sinalizadores e luzes de sinalização).
Do que são feitos os fogos de artifício?
Os primeiros fogos de artifício eram bastante perigosos e eram usados para proteção e não para celebrações, e dificilmente se parecem com os que conhecemos agora.
Tudo começou na China Antiga com a invenção da pólvora, que foi criada a partir de uma mistura de carvão, enxofre e salitre (nitrato de potássio). Eventualmente, à medida que novos desenvolvimentos foram feitos para aumentar a segurança e a previsibilidade do uso desses primeiros fogos de artifício, começaram os experimentos com cores e as pessoas começaram a usá-los mais para fins não violentos. Agora existe toda uma indústria dedicada ao desenvolvimento de todos os tipos de fogos de artifício para consumidores e profissionais.
Saiba mais sobre a história dos fogos de artifício nos links abaixo:
Glossário de terminologia de fogos de artifício
![Diagrama em corte transversal de uma cápsula de fogos de artifício cheia de guarnições estelares (72) e dispositivo de ignição (70). [1]](https://s7e5a.scene7.com/is/image/metrohm/Fireworks-capsule-patent-1200px?qlt=85&wid=1600&ts=1740505945554&dpr=off "Diagrama em corte transversal de uma cápsula de fogos de artifício cheia de guarnições estelares (72) e dispositivo de ignição (70). [1]")
Um fogo de artifício, ou concha aérea como também é conhecido, consiste basicamente em três partes principais além da caixa: pólvora e um acendedor para fazer o foguete explodir, e dentro da cápsula transportada no topo existem pequenos cápsulas de guarnição geralmente chamado de «estrelas» (apesar de ter formato de esferas ou cilindros, figura 1, de [1]) que incluem vários produtos químicos para os efeitos desejados. As estrelas consistem em um corante, um combustível, um oxidante (substância que fornece oxigênio, por exemplo, cloratos ou nitratos) e um aglutinante para manter a mistura de ingredientes unida em um briquete compacto.
A indústria gastou uma quantidade significativa de tempo no desenvolvimento para fazer fogos de artifício explodirem em formas como estrelas e listras, corações ou formas ainda mais complexas, como uma figura de desenho animado, ou letras e números, se cronometrados corretamente.
Formando um arco-íris de cores
As cores vibrantes dos fogos de artifício vêm da combustão de íons metálicos que constituem até 20% dos componentes. Os metais têm sido usados para colorir chamas mesmo antes da invenção dos fogos de artifício modernos (por exemplo, Fogo de Bengala). Quimicamente falando, esses íons metálicos mudam seu estado eletrônico por aquecimento (adição de energia) e depois voltam para um estado de energia mais baixo antes de serem aquecidos. emitindo luz de uma determinada cor.
| Cor | Metal | Compostos de exemplo |
|---|---|---|
| Vermelho | Estrôncio (vermelho intenso) | SrCO3 (carbonato de estrôncio) |
| Lítio (vermelho médio) | Li2CO3 (carbonato de lítio) LiCl (cloreto de lítio) |
|
| Laranja | Cálcio | CaCl2 (cloreto de cálcio) |
| Amarelo | Sódio | NaNO3 (nitrato de sódio) |
| Verde | Bário | BaCl2 (cloreto de bário) B3N3 (nitreto de boro) |
| Azul | Halogenetos de cobre | CuCl2 (cloreto de cobre), em baixa temperatura |
| Índigo | Césio | CsNO3 (nitrato de césio) |
| Tolet | Potássio | NÃO SABE3 (nitrato de potássio) |
| Rubídio (vermelho-violeta) | RbNO3 (nitrato de rubídio) | |
| Ouro | Carvão, ferro ou negro de fumo | |
| Branco | Pós de titânio, alumínio, berílio ou magnésio |
Muito proeminente aqui é a cor amarela do sódio, que também é vista em lâmpadas de rua mais antigas em alguns países. Infelizmente, as cores mais vibrantes formadas são também as mais tóxicas para o meio ambiente, como o estrôncio (vermelho) e o bário (verde). Esses contaminantes podem ser medidos no ar, na água e até no solo – mas falaremos mais sobre isso mais tarde.
Saiba mais informações sobre como os fogos de artifício ganham suas cores nos links abaixo:
Segurança primeiro
A segurança é sempre uma questão crítica quando se discute fogo de artifício, seja no que diz respeito à sua construção, utilização ou armazenamento. Muitos acidentes graves aconteceram ao longo dos anos envolvendo fogos de artifício.
Saiba mais sobre como lidar com fogos de artifício de maneira segura aqui:
Um dos maiores desastres com fogos de artifício registados na Europa foi o Enschede (Holanda) em 2000. Esta explosão ocorreu no armazém do SE Fábrica de fogos de artifício, localizada no centro de uma área residencial à medida que a cidade crescia e continuava a construir casas ao seu redor. Um bairro inteiro foi arrasado e a maior das explosões foi sentida até 30 quilômetros de distância.
Devido a este incidente, a venda de fogos de artifício maiores na maioria dos países europeus só é permitida ao ar livre. Acumular fogos de artifício em casa em preparação para celebrações deve ser evitado pelo menos em ambientes confinados como porões ou apartamentos. É melhor armazená-los em galpão ventilado ou estacionamento para evitar problemas em caso de incêndio. Além disso, não armazene fogos de artifício por longos períodos, pois a maioria dos fogos de artifício comerciais deve ser usada dentro de 3 a 6 meses após a produção, pois o conteúdo do papel pode ficar úmido, as substâncias iônicas podem se dissolver e recristalizar e, portanto, a probabilidade de falha aumenta.
Em caso de falha de fogos de artifício: Nunca dê uma olhada imediatamente! Espere pelo menos 15 minutos a uma distância adequada e depois use uma ferramenta para confiná-lo—nunca toque nele com as mãos desprotegidas, especialmente quando se trata de fogos de artifício ou foguetes explodindo.
Dito isto, os fogos de artifício integraram alguns recursos de segurança nos últimos anos para funcionar de forma mais adequada e confiável. Por exemplo, os propulsores foram modificados de conter pólvora negra para usar tecnologia de foguetes, como plastificantes, para melhor desempenho de queima durante o lançamento, resultando também em menos fumaça e poeira no solo. Uma cadeia específica de reações deve ser seguida, caso contrário, queimará de forma inofensiva.
Conhecimento é poder: evite acidentes com testes analíticos adequados
Para ajudar a prevenir acidentes com fogos de artifício como o de Enschede e inúmeros outros, é crucial monitorar de perto os diferentes parâmetros de qualidade, incluindo o teor de água dos fogos de artifício à base de papel, o tamanho dos grãos das partículas metálicas e a pureza e composição do corante, apenas para mencionar alguns. O controle de qualidade adequado proporciona uma experiência de fogos de artifício divertida, mas segura, mesmo nas mãos do público em geral, quando os protocolos adequados são seguidos.
A Metrohm oferece diversas tecnologias analíticas e aplicações relacionadas para esta área de pesquisa. As análises podem ser realizadas para uma ampla variedade de substâncias e parâmetros de qualidade, bem como para vestígios de materiais no laboratório, na rua e no ar, por meio de métodos químicos úmidos (por exemplo, Titulação Karl Fischer, cromatografia iônica, voltametria) ou técnicas espectroscópicas (por exemplo, espectroscopia no infravermelho próximo [NIRS] e Espectroscopia Raman).
Como mencionado anteriormente, umidade é um parâmetro de qualidade importante quando se discute a segurança de materiais explosivos. A Metrohm oferece duas técnicas diferentes para análise precisa do conteúdo de água em uma variedade de matrizes que são descritas nas postagens do blog a seguir.
Análise de Umidade – Titulação Karl Fischer, NIRS ou ambos?
Análise de umidade em nitrato de amônio
Quando se trata de determinar as concentrações individuais dos principais constituintes, algumas técnicas químicas úmidas realmente se destacam. A cromatografia de ânions suprimidos é ideal para medir os componentes iônicos de, por exemplo, pólvora de fogos de artifício, outros materiais explosivos e até mesmo em resíduos de explosões. para fins forenses. Acoplar um cromatógrafo de íons a um espectrômetro de massa (IC-MS) abre ainda mais possibilidades de análise. Leia mais sobre esses estudos (e mais) baixando nosso Notas de aplicação gratuitas.
Clorato, nitrato e perclorato em pó de fogos de artifício
Dez ânions em um extrato de explosivos
O uso de diversos sais metálicos para criar as cores vibrantes dos fogos de artifício pode ser bonito, mas também prejudicial à nossa saúde e ao meio ambiente. A voltametria (VA) é um método eletroquímico adequado para a determinação de concentrações traços e ultratraços de metais pesados e outras substâncias eletroquimicamente ativas. O VA não é apenas excelente na determinação dessas substâncias em laboratório, mas também em campo, como para medir os efeitos posteriores de uma exibição de fogos de artifício ou de um evento indesejado. Confira nossa seleção de instrumentos VA e aplicações aqui.
Metrohm: Especialistas em análise voltamétrica
Técnicas espectroscópicas como Raman podem ajudar a determinar a presença de materiais explosivos perigosos, mesmo mantendo uma distância segura, usando diferentes acessórios de instrumentos. Leia nosso white paper gratuito abaixo sobre como usar MIRA DS da Metrohm Raman com o propósito de identificar explosivos com segurança.
Criação de bibliotecas personalizadas para detecção de explosivos binários com Mira DS
Fogos de artifício ecológicos – uma contradição?
Embora os fogos de artifício sejam uma forma de entretenimento espetacular, há um grande impacto ambiental após grandes eventos culturais ou feriados nacionais. A poluição atmosférica geral após o início de uma queima de fogos de artifício pode ser observada no aumento de poeira e fumaça, mas também no conteúdo de metais pesados no ar, já que a maioria dos fogos de artifício contemporâneos os utiliza para colorir.
O material não queimado ainda contém uma quantidade significativa de metais pesados. Após cair no solo, esse material pode se dissolver e entrar nas águas subterrâneas após as chuvas. Os materiais plásticos que cobriram os fogos de artifício por razões de segurança são encontrados novamente como estilhaços de granadas quebradas ou como microplásticos. A combustão dos compostos dentro dos fogos de artifício leva ao aumento da poluição do ar na forma de aerossóis que podem ser medidos e avaliados, resultando em metais pesados no ar, poeira fina e até mesmo nanopartículas que são extremamente prejudiciais aos nossos pulmões.
A Metrohm Process Analytics desenvolveu o 2060 MARGA (Mmonitor para AeRossóis e Gases no ambiente Air) que é utilizado por agências oficiais e organismos de investigação em todo o mundo para monitorizar a qualidade do ar de forma totalmente autónoma. Este instrumento é baseado na técnica analítica de cromatografia de íons e pode ser usado como um dispositivo dedicado de monitoramento contínuo do ar que pode ser deixado sem vigilância por várias semanas seguidas, ou como um instrumento de pesquisa que pode ser usado para outros projetos quando não estiver monitorando o qualidade do ar.
Saiba mais sobre o 2060 MARGA e suas capacidades em nossa postagem do blog.
Monitoramento contínuo da qualidade do ar para material particulado nocivo e aerosóis
Para saber mais sobre o uso dos instrumentos Metrohm para monitorar a qualidade do ar, confira esta seleção de artigos revisados por pares.
Monitoramento do ar com cromatografia de íons: uma visão geral das referências da literatura
Uma nova geração de fogos de artifício «verdes» está sendo desenvolvida para uso profissional e interno para tentar minimizar o teor de metais pesados e também reduzir os agentes formadores de aerossóis. Isso os torna mais adequados para shows pirotécnicos internos e para produção de filmes. Em shows regulares ao ar livre (por exemplo, em parques temáticos), a pólvora para transporte da cápsula tem sido substituída principalmente por um mecanismo de pistola de pressão de ar.
Uma quantidade significativa de pesquisas foi dedicada à substituição de corantes à base de metais pesados por substâncias mais ambientalmente benignas, aumentando a luminosidade dos derivados de lítio substituindo-os por estrôncio, ou por usando boro em vez de bário ou compostos clorados.
Visão geral da pirotecnia verde (em alemão)
Finalmente, planeja-se que as peças plásticas comumente utilizadas para envolver os fogos de artifício sejam substituídas por misturas de celulose microcristalina com ligantes de melhor plastificação. Isto leva a uma estabilidade semelhante aos materiais plásticos atuais, mas os recipientes à base de celulose queimam completamente e não deixam materiais nocivos espalhados no chão.
O futuro dos shows de fogos de artifício
Todas as medidas de segurança aumentam a alegria dos fogos de artifício não só durante, mas também depois o evento – ser ecológico e estar seguro. Prevendo o futuro, algumas destas celebrações podem agora utilizar um grupo de drones iluminados numa dança coreografada. Isso tem acontecido de forma mais constante à medida que os drones caem de preço e aumentam suas capacidades de manuseio e programação. No entanto, os fogos de artifício já estão conosco há alguns milhares de anos e provavelmente não desaparecerão tão cedo.
Suas conclusões de conhecimento
Metrohm Application Finder: aplicativos gratuitos relacionados a explosivos e propelentes
