Por Dra.C. Margarita Suárez Navarro
Departamento de Química Orgánica, Facultad de Química, Universidad de La Habana
C on que agrado los habaneros presenciamos el bello espectáculo de fuegos artificiales realizado el 16 de Noviembre de 2019 desde la Fortaleza San Carlos de la Cabaña y al día siguiente en la gala ofrecida en el Capitolio Nacional, por la celebración del 500 Aniversario de nuestra ciudad.
Cada fuego artificial que en esos momentos se lanzó hacia el cielo era una mezcla de productos químicos y combustible, cuidadosamente preparados para producir un efecto especial. Cada explosión, es el resultado de muchas reacciones químicas, oxidaciones y reducciones, en fase gaseosa.
Los fuegos artificiales se utilizan en muchas ocasiones como un gran final de celebraciones oficiales y espectáculos. A nivel mundial existen numerosas industrias pirotécnicas que se dedican a la confección de estos artilugios.
La palabra pirotecnia proviene de los vocablos griegos piros, fuego, y techne, arte o técnica y significa “el arte que trata de todo género de invenciones de fuego, en máquinas militares y en otros artificios para diversión y festejos”. Desde la antigüedad los pueblos chino, indio y egipcio fueron aficionados a las fiestas donde utilizaban fuegos artificiales, a los que daban color empleando sales de sodio. Ellos transmitieron sus conocimientos a los griegos y más tarde a los romanos, de los que quedan documentos que relatan su empleo en festejos nocturnos.
El empleo de los fuegos artificiales resurge en el siglo IX con la introducción de la pólvora descubierta por los chinos. El desarrollo de la técnica se llevó a cabo en toda Europa, principalmente en España e Italia, donde los pirotécnicos buscaban un mayor impacto visual en el público. También, en la escuela alemana de Nüremberg se trabajó para alcanzar un mayor conocimiento científico de los procesos involucrados en la pirotecnia.
Hasta el siglo XIX, los fuegos artificiales fueron monocromáticos, ya que casi exclusivamente se utilizaba el sodio. Se necesitaron algunos avances en la química para introducir los colores que observamos hoy. Así, por ejemplo, la introducción del color rojo se encuentra estrechamente ligada a la historia del descubrimiento de los elementos químicos, concretamente del estroncio, que fue extraído del SrCO3 por primera vez en 1807 por Davy. Este carbonato aún es uno de los componentes básicos en la fabricación de los fuegos. También se utilizaron sales de clorato para formar, a partir de ellas los cloruros que dan diferentes especies responsables del color. Por lo que, como tantos hechos de la vida cotidiana, los fuegos artificiales están relacionados con muchos conceptos químicos.
Se requiere experiencia para la preparación de las mezclas más adecuadas para producir los fuegos artificiales. La pirotecnia se basa en el empleo de varios componentes básicos que son los siguientes.
Sustancias oxidantes:
Son las encargadas de generar el oxígeno que reaccionará en la reacción de combustión. Existen fundamentalmente tres tipos de oxidantes: los nitratos, los cloratos y los percloratos, cuyos aniones son NO3-, ClO3- o ClO4- respectivamente, los que van acompañados de un catión metálico. Considerando las reacciones de descomposición de los oxidantes más utilizados, podemos observar una diferencia fundamental:
Dicha diferencia se basa en la cantidad de oxígeno que cada una cede en forma de oxígeno molecular. En el caso de los nitratos (reacción 1), de acuerdo a la estequiometria, de las tres moléculas de dioxígeno que se podrían liberar, solo se libera una para dar el correspondiente nitrito y el dioxígeno. Es decir, que los nitratos ceden un tercio del oxígeno que contienen. Por el contrario, los cloratos ceden la totalidad de su contenido en oxígeno, causando una reacción espectacular y explosiva y los percloratos ceden todo su oxígeno en forma de oxígeno molecular, pero es menos probable que exploten por efecto de un impacto. De ellas la primera reacción es la única endotérmica y por tanto resultará favorecida al elevar la temperatura. Las reacciones 2 y 3 son exotérmicas y se favorecen a baja temperatura.
Sustancias reductoras:
Son las encargadas de actuar como combustibles reaccionando con el oxígeno molecular liberado por los oxidantes, dando lugar a la producción de grandes cantidades de gases calientes. Entre las especies reductoras más comunes en pirotecnia se destacan al carbono y al azufre. Sus reacciones de combustión dan lugar a la formación de CO2 y SO2.
Elemento responsable del color:
Son las sales o metales, que se muestran en la Tabla 1.
Los agentes que producen el color se usan en forma de sales y a veces como metales en polvo. De las sales metálicas solamente el catión produce el color, mientras que los aniones no influyen directamente en el color, aunque sí lo hacen en la temperatura de la llama, que está relacionada con la excitación de las moléculas. En la Figura 1 se observan los colores asociados a cada elemento.
Además de todos los componentes que se han indicado, se adicionan otras sustancias que actúan como reguladoras de la velocidad de la reacción y agentes aglomerantes para estabilizar la mezcla, protegerla de la humedad y garantizar que durante su almacenaje no se echen a perder.
Entre estas sustancias se utilizan la goma arábiga, la dextrina, y el parlón (caucho clorado) que, además, es útil cuando se emplean sales de estroncio y bario para obtener colores rojos y verdes.
Al producirse la mezcla, los agentes productores del color tales como las sales de estroncio, bario, etc., reaccionan con los oxidantes en una primera etapa para dar óxidos e hidróxidos. En una segunda etapa, se pueden producir otras nuevas especies que son las realmente responsables de los colores observados. En varios casos, se trata de moléculas diatómicas transitorias generadas en las llamas a temperaturas elevadas, por combinación del cloro liberado de las sales de partida con los iones metálicos de los productos originales. El SrCl y el BaCl existen sólo a altas temperaturas, mientras que el CuCl es inestable en estas condiciones.
Los procesos responsables de la producción del color en los fuegos artificiales son dos: la incandescencia y la luminiscencia.
La incandescencia es la emisión de radiación (que en un intervalo de frecuencia o longitud de onda adecuada da lugar al color) como consecuencia de que el cuerpo emisor está a alta temperatura. La emisión de esta radiación suele comenzar en la zona infrarroja del espectro, y a medida que la temperatura aumenta, se desplaza hacia la zona del rojo/amarillo. El problema que tiene la incandescencia es que los únicos colores que se pueden producir son los rojizos/amarillos, o si la temperatura es muy alta, el blanco.
Por su parte, con la luminiscencia sí pueden obtenerse todos los colores del espectro visible. Para que haya color es necesario que un cuerpo emita radiación con una longitud de onda adecuada (el espectro visible está entre los 400 nm (violeta) y los 700 nm (rojo), Figura 2).
En el caso de los fuegos artificiales, el cuerpo que emite la radiación son los cationes metálicos de las sustancias que se han mostrado en la Tabla 1. Debido a las grandes cantidades de energía que se liberan en la reacción de combustión, los electrones más externos de estas sustancias metálicas son promovidos a niveles de energía superiores. Sin embargo, los electrones tienden a volver rápidamente al nivel energético que ocupaban antes de la excitación. Para ello, deben emitir el exceso de energía que han adquirido con la combustión, lo que permite observar el color (Figura 4). Cuanto más energética sea la transición más vinculada esta con los colores azules, mientras que las de menos energía estarán relacionadas con la zona roja del espectro.
Es conveniente conocer los peligros que entrañan los fuegos artificiales pues varios han sido los accidentes que se han provocado debido a la manipulación imprudente de estas sustancias. Ejemplo del mal manejo de estos dispositivos fue el suceso que ocurrió en 2017 durante la celebración de las tradicionales Parrandas de Remedios, donde varias personas sufrieron graves quemaduras.
Muchos fuegos artificiales pueden contaminar el medio ambiente con residuos y humo, por lo que los maestros pirotécnicos ya han comenzado a afrontar algunos de estos problemas y uno de los objetivos actuales de investigación de la industria pirotécnica es la búsqueda de nuevas maneras de hacer fuegos artificiales que sean más respetuosos con el medio ambiente, como la creación de compuestos que utilicen materiales abundantes en nitrógeno y nitrocelulosa, lo que produce menos humo.
Los científicos están desarrollando nuevas formas de producir llamas de colores brillantes con compuestos menos contaminantes. Por ejemplo, se han obtenido diferentes compuestos basados en el 5-aminotetrazol que se pueden utilizar como sustituto del perclorato tanto en las llamaradas rojas como en las verdes.
También se trata de sustituir los casquillos tradicionales que usan carcasas de cartón y que son desechos, por otros fabricados utilizando polímeros como el polibutadieno con grupos hidroxilos. que se queman por completo.
Estas investigaciones constituyen uno de los objetivos actuales de investigación de la industria pirotécnica.
Encuentro con la Química 