Esta es la ciencia de los fuegos artificiales
Tras los festivos fuegos artificiales hay mucha ciencia. Desde las leyes de Newton hasta la química de la pólvora o la física cuántica de las transiciones electrónicas entre orbitales. Este divertimento tan colorido y llamativo puede enseñarnos mucha ciencia y ser una oportunidad fantástica para aprender.
En España despedimos el año con doce uvas y damos la bienvenida al nuevo año con fuegos artificiales. Aunque lo de las uvas sea algo único de nuestro país, usar explosiones coloridas para celebrar el año nuevo, o cualquier otra fiesta, es algo bastante común en muchas partes del mundo. Los fuegos artificiales pueden remontar su historia hasta la antigua China, donde se introducía pólvora en las ramas de bambú para hacerlas explotar. Desde entonces la técnica ha mejorado considerablemente y hoy somos capaces de producir explosiones de muchos colores y formas diferentes acompañadas de varios efectos de sonido. Detrás de este entretenimiento que gusta a niños y adultos por igual hay, como en tantas otras cosas, mucha ciencia detrás.
Todo comienza con los fuegos artificiales situados en tierra, ordenados y preparados para el espectáculo. Pero si los hiciéramos explotar aquí abajo perderían parte de su espectacularidad y, más importante, no podrían verse a kilómetros de distancia. Es por eso que necesitamos llevarlos al cielo. Para conseguirlo se utiliza el mismo principio que el de un cohete, aunque con una química diferente. Tanto en un cohete de los que son capaces de llevar cargas a la Luna y más allá como en unos fuegos artificiales, la idea es expulsar material hacia abajo a altísimas velocidades para que aprovechando la tercera ley de Newton impulse al cohete hacia arriba.
En el caso de los fuegos artificiales se utiliza pólvora negra. Esta pólvora consiste principalmente en nitrato de potasio con cierta cantidad de carbón y azufre. Al prender la mecha, conseguiremos empezar la combustión de la pólvora negra. Al arder se creará gran cantidad de gases rápidamente. Si esta pólvora está encerrada herméticamente, el gas generado no tendrá dónde escapar, aumentará la presión y acabará explotando. Pero si dejamos una zona abierta, el gas podrá escapar por ahí propulsando al resto del casquete. Los cohetes convencionales modernos utilizan diferentes mezclas de oxígeno líquido, metano líquido u otros componentes, capaces de generar mucho más impulso con menor cantidad de combustible. Para los fuegos artificiales esto no es factible pues estos componentes necesitan refrigeración extrema, son mucho más complejos de manipular y, además, más caros que la pólvora.
Esta es la ciencia de los fuegos artificiales
Conforme va quemándose la pólvora el casquete sigue ascendiendo. Según la cantidad de pólvora llegará a mayor o menor altura, pero los casquetes más potentes pueden alcanzar varios cientos de metros de altura y ser visibles desde decenas de kilómetros de distancia. Hacia el final del ascenso la pólvora prende una segunda mecha, situada en el interior, que será la que haga detonar lo que entendemos realmente como fuego artificial. En este caso tendremos dos reacciones, protagonizadas por compuestos diferentes. Empezaremos con una explosión de pólvora negra. En este caso esta pólvora estará completamente sellada por lo que al prender no podrá sino explotar violentamente, liberando gran cantidad de calor y energía y dispersando el resto de componentes. Algunos fuegos artificiales generan un silbido mientras ascienden para más tarde explotar. Este silbido se consigue dejando un pequeño orificio en la carcasa, por el cual puede salir el gas a presión y provocar este sonido. Según la forma y el tamaño del orificio el silbido será más agudo o más grave.
Entre esta pólvora encontraremos también diferentes “estrellas”, en disposiciones diferentes según el efecto que queramos obtener y de composiciones diferentes según el color con el que queramos que brillen. Estas estrellas están compuestas de materiales similares al de una bengala: sales metálicas principalmente. Las estrellas se colocarán de una forma u otra dentro del casquete según queramos conseguir un efecto de bola, de palmera, de estrella de cinco puntas, etc. Si por ejemplo colocamos las estrellas de forma simétrica alrededor de un casquete esférico, conseguiremos un efecto bola. Si las colocamos todas en la parte superior o en forma de estrella, conseguiremos efectos diferentes.
El color viene determinado únicamente por la composición química de dichas estrellas. No todos los materiales arden emitiendo el mismo tipo de luz. Mediante prueba y error y a lo largo de los siglos se han ido descubriendo diferentes sales metálicas que al arder brillaban con tonos rojizos, verdes o azulados. El litio o el estroncio por ejemplo arden con un intenso tono rojo, el calcio con un tono naranja, el sodio con un tono amarillo, el bario con un tono verde y el cobre con un tono azul. Luego hay otros metales, como el magnesio, que arden con una luz blanca. Combinando estos metales podemos conseguir nuevos tonos y diferentes tonalidades de ellos.
La diferencia entre el color que emite cada compuesto químico de los que componen los fuegos artificiales viene dada por la física cuántica en última instancia. Al calentarlos y hacerlos arder lo que estamos consiguiendo (entre otras cosas) es que los electrones de estos átomos ganen energía y suban a niveles orbitales más energéticos. Cuando se enfríen de nuevo, estos electrones bajarán a sus niveles originales, emitiendo la diferencia de energía entre ambos niveles en forma de luz. Algunos átomos emitirán luz ultravioleta o infrarroja que no podamos ver, pero estos mencionados emiten luz con unas energías muy concretas y por tanto unos colores muy concretos y por eso mismo los utilizamos.
Referencias:
"The Evolution of Fireworks", Smithsonian Science Education Center. ssec.si.edu.
“The science of fireworks”, Ontario Science Center, ontariosciencecentre.ca
Lederle, Felix et al, 2019, "Colored Sparks". European Journal of Inorganic Chemistry. 2019, doi:10.1002/ejic.201801300