Pirotecnia

Se llama pirotecnia a los dispositivos que están preparados para que ocurran reacciones pirotécnicas en su interior. Las reacciones pirotécnicas ocurren por combustión no explosiva de materiales, que pueden generar llamas, chispas y humos. Los dispositivos pirotécnicos pueden contener también elementos para que ocurran algunas reacciones explosivas controladas. Las reacciones pirotécnicas pueden estar iniciadas por elementos eléctricos, y luego encender dispositivos pirotécnicos que permiten programar la ocurrencia de otras reacciones pirotécnicas. Los dispositivos pirotécnicos que tienen efectos visuales, sonoros y fumígenos con una finalidad lúdica y de espectáculo son conocidos como "fuegos artificiales" o "juegos pirotécnicos" la expresión última puede ser reemplazada incorrectamente por «fuegos pirotécnicos» lo cual es un pleonasmo; se emplean en exhibiciones, festejos, festividades, celebraciones, cumpleaños, conmemoraciones, etc. Se considera todo un arte, ya que son múltiples las variaciones, juegos y técnicas con que cuenta el artesano pirotécnico, y siempre en constante innovación. Pero la pirotecnia incluye además toda una gama para uso agrícola, industrial, etc.

Reacción química

Toda mezcla pirotécnica debe contener una serie de componentes, esencialmente: oxidantes, reductores, estabilizantes o ligantes y agentes colorantes. Así, puesto que en las reacciones químicas de los fuegos artificiales hay agentes oxidantes y agentes reductores, en sentido amplio se pueden considerar como reacciones electroquímicas de oxidación y reducción. No obstante, se trata de reacciones redox en fase gaseosa, motivo por el cual no se pueden calcular los potenciales redox con los métodos habituales, ya que los potenciales estándar de reducción tabulados son válidos en disolución.

Los oxidantes proporcionan el oxígeno necesario para producir la combustión de la mezcla, y los más utilizados son los nitratos, los cloratos y los percloratos. Estos oxidantes, en su mayoría, producen reacciones fuertemente exotérmicas, a excepción del nitrato, que son las siguientes:

Reacciones de oxidación reducción en los fuegos artificiales. Tabla procedente de “Química de los fuegos artificiales: un recurso didáctico tomado de las fiesta populares”. F. Peral y otros. UNED

Las reacciones exotérmicas, según el Principio de Le Chatelier, se favorecen a baja temperatura.

En cuanto a los agentes reductores, estos actúan como combustible reaccionando con el oxígeno producido por los oxidantes y, como consecuencia, se producen gases a alta temperatura.

Algunos de los reductores utilizados son el azufre y el carbono, que reaccionan con el oxígeno para formar dióxido de azufre (SO2) y dióxido de carbono (CO2) y que son, junto con el nitrato potásico o nitrato sódico (en proporciones de 10, 15, 75%) los componentes tradicionales de la pólvora negra.

Sustancias químicas reductoras en los fuegos artificiales. Tabla procedente de “Química de los fuegos artificiales: un recurso didáctico tomado de las fiesta populares”. F. Peral y otros. UNED

Además de los oxidantes y reductores, se adicionan otras sustancias que actúan como reguladoras de la velocidad de la reacción y como ligantes de la mezcla.

Así, se puede acelerar, o retardar, la reacción cuando se combinan dos agentes reductores; los metales se añaden a menudo para acelerarla y cuanto más fino es el polvo que se mezcla, más rápida es la reacción. Por su lado, los agentes ligantes deben tener, entre otras, las siguientes características: un fuerte poder de cohesión que permita la consolidación de la mezcla; resistencia al agua o a cualquier disolvente; dureza; estabilidad para no descomponerse durante el almacenaje; y, por último, no deben alterar el color de la llama del compuesto. El producto más usado como ligante es la  dextrina, aunque también son muy utilizados la  goma arábiga y el  parlón que, además, es útil cuando se usan sales de estroncio y bario para obtener colores rojos y verdes.

¿Tienen un efecto ambiental?

Aunque se los considera sinónimos de fiesta y alegría, los fuegos artificiales provocan consecuencias perjudiciales para el medio ambiente, desde ruidos y contaminación a alteración del comportamiento de la fauna e incendios forestales.

Problemas que vienen incrementándose, en la misma proporción que la cantidad de materiales pirotécnicos usados en las exhibiciones actuales. Y lo peor de todo, para su fabricación se utilizan sustancias como el perclorato de potasio o amonio, que tras las explosiones se concentran en las aguas próximas a la realización de los espectáculos.

Los costos de una exhibición de fuegos artificiales son determinantes a la hora de elegir los materiales a utilizar: las alternativas menos contaminantes son también las más costosas, y por este motivo en la mayoría de los espectáculos pirotécnicos se utilizan los materiales más económicos, aún conociéndose su impacto ambiental.

Si tienes mascotas, seguramente conoces su reacción ante la explosión de los fuegos artificiales. Los animales silvestres también sufren los mismos trastornos; según la proximidad y la persistencia de una exhibición de pirotecnia, el estrés de algunas especies -recuerda que algunos animales tienen el oído mucho más desarrollado que los humanos- podría incluso alterar sus ciclos de reproducción.

Los fuegos artificiales son también una de las principales causas de incendios forestales, porque basta con que una mecha encendida entre en contacto con la vegetación para provocar un desastre ambiental de gran magnitud y hasta consecuencias irreversibles para la biodiversidad.

Químicos usados en los fuegos artificiales

QUÍMICO	FUNCIÓN	FORMULA
ALUMINIO	PRODUCE LLAMAS Y CHISPAS PLATEADAS Y BLANCAS. ES UN COMPONENTE COMÚN EN EL CHISPERO	Al
BARIO	PRODUCE COLORES VERDES EN LOS FUEGOS ARTIFICIALES, Y TAMBIÉN PUEDE ESTABILIZAR OTROS ELEMENTOS VOLÁTILES	Ba
CARBONO	ES UNO DE LOS COMPONENTES PRINCIPALES DE LA PÓLVORA NEGRA, UTILIZADA COMO PROPULSOR EN LOS FUEGOS ARTIFICIALES. EL CARBONO BRINDA EL COMBUSTIBLES AL FUEGO ARTIFICIAL. LAS FORMAS COMUNES INCLUYEN EL CARBONO NEGRO, EL AZUCAR O EL ALMMIDON	C
CALCIO	SE UTILIZA PARA INTENSIFICAR LOS COLORES DE LOS FUEGOS ARTIFICIALES. LAS SALES DE CALCIO PRODUCEN FUEGOS ARTIFICIALES DE COLOR NARANJA	Ca
CLORO	EN LOS FUEGOS ARTIFICIALES EL CLORO ES UN COMPONENTE IMPORTANTE DE MUCHOS OXIDANTES. MUCHAS DE LAS SALES METÁLICAS QUE PRODUCEN COLORES TIENEN CLORO	Cl
COBRE	LOS COMPUESTOS DE COBRE PRODUCEN COLORES AZULES EN LOS FUEGOS ARTIFICIALES	Cu
HIERRO	PRODUCE CHISPAS. EL CALOR DEL METAL DETERMINA EL COLOR DE LAS CHISPAS	Fe
POTASIO	AYUDA A OXIDAR LAS MEZCLAS DE LOS FUEGOS ARTIFICIALES. EL NITRATO DE POTASIO, EL CLORATO DE POTASIO Y EL PERCLORATO DE POTASIO SON TODOS IMPORTANTES OXIDANTES	K
LITIO	ES UN METAL QUE SE UTILIZA PARA IMPARTIR COLOR ROJOS A LOS FUEGOS ARTIFICIALES. EL CARBONATO DE LITIO, EN PARTICULAR, ES UN COLORANTE COMUN	Li
MAGNESIO	SE QUEMA DANDO COLOR BLANCO BRILLANTE, ENTONCES SE LE UTILIZA PARA AGREGAR CHISPAS O MEJORAR EL BRILLO GENERAL DEL FUEGO ARTIFICIAL	Mg
SODIO	IMPARTE UN COLOR DORADO O AMARILLO A LOS FUEGOS ARTIFICIALES; SIN EMBARGO, EL COLOR ES, A MENUDO, TAN FUERTE QUE OPACA FRECUENTEMENTEA OTROS COLORES MENOS INTENSOS	Na
OXIGENO	LOS FUEGOS ARTIFICIALES INCLUYEN OXIDANTES, QUE SON SUSTANCIAS QUE PRODUCEN OXÍGENOS A LOS EFECTOS DE QUE SE PRODUZCA EL FUEGO. LOS OXIDANTES SON, EN GENERAL, NITRATOS, CLORHIDRATOS O PERCLORATO. A VECES, LA MISMA SUSTANCIA SE UTILIZA PARA DAR OXIGENO Y COLOR	O
FÓSFORO	SE QUEMA ESPONTÁNEAMENTE CON EL AIRE Y ES TAMBIÉN RESPONSABLE DEL FULGOR EN LOS EFECTOS OSCUROS. PUEDE SER COMPONENTE DEL COMBUSTIBLE DEL FUEGO ARTIFICIAL	P
ANTIMONIO	SE UTILIZA PARA CREAR EFECTOS DE DESTELLOS EN LOS FUEGOS ARTIFICIALES	Sb
ESTRONCIO	LAS SALES DEL ESTRONCIO IMPARTEN UN COLOR ROJO EN LOS FUEGOS ARTIFICIALES.  LOS COMPUESTOS DE ESTRONCIO SON TAMBIÉN IMPORTANTES PARA ESTABILIZAR LAS MEZCLAS DE LOS FUEGOS ARTIFICIALES	Sr
TITANIO	EL METAL DEL TITANIO SE PUEDE ENCENDER COMO PÓLVORA O CENTELLAS PARA PRODUCIR CHISPAS PLATEADAS	Ti
ZINC	ES UN METAL BLANCO AZULADO QUE SE UTILIZA PARA CREAR EFECTOS DE HUMO EN LOS FUEGOS ARTIFICIALES Y OTRO ELEMENTOS PIROTÉCNICOS	Zn

Pues detrás de estos se encuentran esencialmente dos fenómenos: la incandescencia y la luminiscencia. En el primero, el responsable de la aparición del color es esencialmente la energía calorífica; el calor elevado provoca que una sustancia emita radiación en la región infrarroja del espectro, para después emitir radiación roja, naranja, amarilla y, finalmente, blanca si el calor suministrado es suficiente, es decir, que el color que se obtenga dependerá de la temperatura y, si ésta puede controlarse en el fuego artificial se podrá lograr el efecto deseado. Esta emisión luminosa no  está  constituida  por  longitudes de onda precisas,  sino  que es un  espectro continuo.

En cambio, tras el segundo fenómeno, la luminiscencia, se hallan esencialmente los espectros atómicos, es decir, el hecho de que cada elemento absorbe y emite energía (tras ser excitado) a distintas longitudes de onda. Si estas longitudes de onda están dentro de la región del visible, las llamamos “colores”. Lo que observamos en el caso de la luminiscencia, por tanto, es el espectro de emisión de una sustancia (concretamente de un metal, libre o combinado), y dicho espectro no es un continuo como en el caso de la incandescencia, sino que se trata de líneas discretas.

Puesto que la pirotecnia se considera un arte tradicional y que, hasta el siglo XVIII, en consonancia con el oscurantismo propio de épocas pasadas, los maestros pirotécnicos trabajaban en secreto, la preparación de las mezclas para producir los fuegos artificiales se basa en fórmulas artesanales que se guardan celosamente. No obstante, toda mezcla pirotécnica debe contener una serie de componentes, que son, esencialmente: oxidantes, reductores, estabilizantes o ligantes y agentes colorantes.

En esta entrada nos centraremos en los agentes colorantes, y dejaremos los restantes para una entrada posterior.

Los agentes colorantes en los fuegos artificiales son, como hemos indicado previamente, metales que se hallan combinados en diversas sales (algunas veces se trata de un metal o de una aleación metálica en polvo, pero es menos habitual). Es únicamente el metal de estas sales, es decir, el catión, el que produce el color. Los aniones no influyen en la generación del color, únicamente en la temperatura de la llama producida, que también reviste su importancia. En la tabla siguiente se muestran algunos colores juntamente con las sustancias químicas que los producen en las mezclas de los fuegos artificiales:

Al producirse la mezcla, estas sales reaccionan con los agentes oxidantes (esencialmente nitratos, cloratos y percloratos, que aportan el oxígeno necesario para producir la combustión de la mezcla) para dar óxidos e hidróxidos. Posteriormente se producen otras nuevas especies que son las realmente responsables de los colores observados (incluso llama la atención que se producen algunos compuestos de estequiometía no convencional, como el SrCl, el CaCl o el BaCl, donde los tres metales, que son alcalinotérreos, están actuando con valencia +1. Esto se debe a que se trata de especies que pueden existir a elevadas temperaturas, como es el caso de los fuegos artificiales).

Si bien existen, como vemos en la tabla, múltiples sales y múltiples colores, la región espectral situada entre el verde y el azul no dispone todavía de sustancias adecuadas y constituye uno de los objetivos actuales de investigación de la industria pirotécnica. A ver si hay suerte y dan con la mezcla pronto, que el turquesa es uno de mis colores predilectos.

Químicos y colores para 1830

Los fuegos artificiales continúan evolucionando como grandes espectáculos de color. Antes de la década de 1830 los únicos colores eran el naranja y el blanco. A medida que el conocimiento sobre la química creció, la paleta de colores disponible hizo lo mismo. Los pirotécnicos han puesto años de investigación en la mezcla correcta de sustancias para obtener nuevos colores. Ahora, a través de la combinación de varios químicos y metales somos capaces de ver coloridos despliegues que parecen ser más intrincados a medida que pasan los años.

Naranja original

La pólvora usada para provocar las explosiones de los fuegos artificiales produce un destello naranja. Antes de la década de 1830 esta era la manera en la que se producía el color. La pólvora sigue siendo el agente explosivo más común en los fuegos artificiales, pero ahora los colores son creados usando compuestos químicos.

Colores primarios

Hoy en día los colores son creados mezclado la proporción correcta de sustancias para lograr el color y brillo deseados. El sodio se usa para crear un color amarillo. El estroncio y el litio son responsables de los colores rojos. El azul se produce mediante el cobre y los diferentes tonos son afectados por la cantidad de cloro incluido.

Otros colores

Algunos colores se producen a partir de sus propias soluciones químicas, mientras que otros pueden obtenerse mezclando soluciones de colores primarios. El bario crea un color verde y actualmente el naranja está hecho de calcio. El color oro se produce con una mezcla de hierro, carbón y carbón de leña u hollín. El color plata proviene del aluminio, titanio o magnesio. El púrpura solamente es una combinación de los compuestos rojo y azul.

Cómo funciona

La forma en la que vemos las explosiones de color proviene de un par de componentes. La pólvora o agente explosivo determina qué tanto se extiende el color. Los agentes de coloración son responsables del color que se muestra y los otros compuestos dictan la forma en la que los colores aparecen. El efecto de estrella comúnmente visto es el resultado del zinc. El hierro hace que los colores tengan destellos y el cloro afecta su brillo. Cada combinación química se crea cuidadosamente para producir el color y efecto deseados.

¿Como se hacen y como funcionan?

Los fuegos artificiales funcionan como una combinación de petardos y bengalas. Por lo general constan de un cartucho o contenedor, una carga explosiva semejante a un petardo en el centro, y esferas, cubos o cilindros (llamados estrellas) colocadas a su alrededor, con una composición semejante a la de una bengala. Además cuentan con una mecha para retrasar la explosión hasta que haya alcanzado la altura adecuada.

El cartucho es lanzado desde un mortero, un tubo de acero con una carga de pólvora que al explotar impulsa al cartucho hacia arriba y que de paso, enciende la mecha. A cierta altura la mecha ya habrá ardido hasta hacer explotar la carga explosiva central, que enciende las estrellas y las arroja en diferentes direcciones.

Cambiando la estructura del cartucho y la disposición de las estrellas en su interior, se pueden obtener efectos muy diferentes, como luces brillantes en formación esférica, lluvia en forma de sauce, círculos de colores cambiantes, serpentinas y muchos efectos más. Aquí os dejo un vídeo de cómo los hacen.

Conozca la historia de la pirotecnia

Los fuegos artificiales tienen su origen en China, en la región llamada Liu Yang. Allí un hombre llamado Li Tang desarrolló las primeras fórmulas, de allí se sabe es la primera mezcla explosiva llamada polvo negro, que fue procesada artesanalmente a partir de la dinastía Tang (s.VII-X).

En un principio, la utilización de la pirotecnia estaba limitada a las ceremonias religiosas, en las que se la usaba para espantar a los malos espíritus. En el siglo XI con la dinastía Song comienza a popularizarse, pero por siglos se seguirá fabricando de manera artesanal. La leyenda dice que un cocinero de la antigua China halló una mezcla de sulfuro, salitre y carbón de leña, mezcla de por sí, más que inflamable y posible de estallar en un espacio pequeño. Su primer fin tuvo que ver con celebrar la prosperidad y la paz y espantar espíritus malignos. Los chinos, una vez que descubrieron las propiedades de ese polvo negro, siguieron investigando para perfeccionarla. A partir de obtener una fórmula mejorada, encontraron que podía ser utilizada fácilmente como combustible para los cohetes que usaban para sus festividades.

Los primeros cohetes que fueron pirotecnia, estaban construidos en madera, tallados a mano, artesanales, con la dimensión imaginaria de un dragón, esto ya es en el Siglo VI. Por esta misma época, comenzaron a propulsar sus flechas en las avanzadas de batalla con este polvo negro. Así, impulsaron el ataque contra los mongoles, por ejemplo. Fue el principio de movimiento de estos cohetes a propulsión lo que dio origen a la pirotecnia. A partir de distintas expediciones que llegaron a la China, se expandió el conocimiento de este polvo negro combustivo. Así partió del lejano Oriente y llegó al Medio Oriente y se hizo conocida en Arabia. Estamos hablando de las inmediaciones del siglo XI. Los mongoles se adjudican el uso de la pólvora china, ya por los alrededores del 1200. En 1258 existe un primer registro escrito en Europa del uso de pirotecnia. Pero hasta el siglo XIX una característica esencial faltó en la pirotecnia: el color. La pirotecnia comenzó a utilizar entonces una combinación de clorato de potasio y de varias sales metálicas que propugnaban una fusión en colores brillantes. Las sales de estos metales en sus reacciones químicas y físicas producen diversos colores, a saber: el estroncio al quemarlo reacciona y sufre una transformación que visualmente da el color rojo. Así por otra parte, el cobre transforma en azul, el vario brilla intensamente en color verde, y el sodio, estalla en amarillo. El magnesio, el aluminio y el titanio se descubrió que originaban el color blanco o bien, el destello o flash que produce el estallido.