Show Revista de Ciência ElementarVolume 7, número 1, Março de 2019
Referência Claro, P.R., (2019) Fogo de artifício, Rev. Ciência Elem., V7(1):011 DOI http://doi.org/10.24927/rce2019.011 Palavras-chave Fogo de artifício; Quem não fica deslumbrado com a explosão de cores e formas que ilumina o céu durante um espetáculo de fogo de artifício? O fogo de artifício não é mais do que uma dança sincronizada de elementos químicos que recriam no céu as cores do arco-íris. O componente fundamental do fogo de artifício é a “concha”, normalmente um tubo de papel cheio com pólvora negra e pequenos globos de material explosivo chamados “estrelas” (FIGURA 1). FIGURA 1. Esquema de uma “concha” pirotécnica. Cada “estrela” contém quatro ingredientes químicos: um material combustível, um agente oxidante, um composto metálico responsável pela cor e um aglutinante para manter estes componentes unidos. Toda a luz, cor e som resultam destes compostos químicos. Durante a explosão, o agente oxidante e o combustível reagem de forma violenta, libertando calor intenso e materiais em fase gasosa. É a expansão brusca destes materiais gasosos que cria a onda de choque que nos chega aos ouvidos como o som da explosão. E é o calor libertado nesta reação o responsável pelo brilho e cor do fogo de artifício. As cores do fogo de artifício são obtidas essencialmente por um processo designado por “luminescência”: a energia libertada na explosão é absorvida pelos átomos dos metais presentes na composição da “estrela”, promovendo os seus eletrões do estado fundamental para níveis excitados. O regresso dos eletrões ao estado fundamental ocorre com libertação da energia sob a forma de radiação visível, ou seja, luz colorida. A cor da luz emitida varia consoante o metal utilizado: o vermelho é normalmente obtido com sais de estrôncio ou de lítio, o cor de laranja é característico de sais de cálcio, como o cloreto de cálcio, o amarelo é facilmente obtido com sais de sódio, sendo vulgarmente utilizado o cloreto de sódio, o verde é obtido com cloreto de bário, enquanto o azul é obtido com cloreto de cobre (FIGURA 2). FIGURA 2. Elementos químicos comummente utilizados em pirotecnia para a obtenção de cor. As propriedades destes sais tornam a pirotecnia uma ciência química exigente: é preciso garantir a estabilidade de alguns destes compostos, controlar rigorosamente a temperatura de explosão e impedir a contaminação que mistura as cores. Em particular, é imperioso evitar a contaminação com sódio: o brilho intenso da emissão do sódio facilmente “amarela” todo o fogo de artifício. Um pouco de história O fogo de artifício teve a sua origem quando a química ainda não existia como ciência. Há registos da utilização de misturas incendiárias em celebrações religiosas na Ásia por volta de 2000 a.C.. No entanto, a pólvora – principal componente do fogo de artifício – foi descoberta na China apenas no século IX, quando um alquimista chinês juntou, acidentalmente, salitre, enxofre e carvão e aqueceu a mistura (a pólvora tem uma composição típica de 75% de nitrato de potássio, 15% de carvão e 10% de enxofre). Os primeiros mestres pirotécnicos eram, na verdade, alquimistas que mantinham em segredo as suas receitas geradoras de fogos coloridos. O fogo de artifício, na sua forma colorida e brilhante como conhecemos hoje, surgiu com o nascimento da Química e o seu desenvolvimento está relacionado com grandes nomes desta ciência. Antoine Laurent Lavoisier, considerado pai da Química, foi responsável por revolucionar a produção da pólvora, durante a Revolução Francesa. Os seus estudos sobre as combustões acenderam o rastilho para que outros químicos procurassem elementos ricos em oxigénio, produzindo assim explosões mais violentas e temperaturas mais elevadas. Em finais do século XVIII, Claude Louis Berthollet, descobre o clorato de potássio, que ainda hoje é utilizado nos foguetes. Com o desenvolvimento da química e do conhecimento da matéria, foi aumentando a segurança, o brilho e o número de cores disponíveis, mas as bases de hoje são as mesmas que os fogueteiros tradicionais utilizavam no século XIX. E essa base consiste essencialmente na arte de saber trabalhar a composição da pólvora. A primeira função da pólvora é lançar a concha para o ar. Por sua vez, a pólvora que se encontra no interior da concha, tem como papel fornecer a energia suficiente para “acender” as estrelas. Por esta razão, a esta pólvora é adicionada perclorato de potássio ou clorato de potássio. Estes compostos são mais explosivos que os nitratos e por isso fornecem temperaturas mais elevadas – necessárias para que o material das estrelas entre em combustão. Os cloratos possuem a desvantagem de serem muito instáveis e por isso mais perigosos – um composto de clorato pode explodir apenar por cair ao chão. Uma preocupação mais, numa atividade com riscos de segurança elevados. Mas… e a cor? Os fenómenos responsáveis pelas cores do fogo de artifício estão presentes nas luzes lá de casa, nos anúncios luminosos e até quando nos aquecemos junto à lareira. Assim, para além da luminescência, os elementos podem também emitir cor por aquecimento – quem já não observou as brasas de carvão que de pretas, passam a vermelhas, alaranjadas até terminarem como cinzas brancas? A este fenómeno os químicos chamam incandescência. Metais como alumínio ou o magnésio, quando aquecidos a elevadas temperaturas, emitem uma luz branca muito brilhante. Estes elementos são muitas vezes adicionados à pólvora da concha aumentando assim a claridade da explosão. As restantes cores resultam da mistura química que se encontra no interior das estrelas. A composição desta mistura é praticamente igual à pólvora negra, variando apenas o sal que contém o elemento químico que gera a cor por luminescência. Ou seja, para se obter a cor vermelha mistura-se nitrato de estrôncio, carvão e enxofre enquanto para se obter a cor verde mistura-se nitrato de bário, carvão e enxofre. A cor azul é considerada a mais difícil de obter devido à instabilidade dos compostos de cobre. E da mesma forma que o pintor mistura o azul e o vermelho para obter o violeta, também os pirotécnicos misturam cobre e estrôncio para obter esta cor. Alguns foguetes podem começar com uma cor e terminar com outra, uma vez que no interior da mesma estrela podem existir duas misturas. E cada estrela, cada mistura, é preparada artesanalmente, num trabalho que envolve química, arte e muito, muito rigor. Fogo de artifício ecológico Para além dos bem conhecidos problemas de segurança, a beleza dos fogos de artifício tem outro senão: a poluição. E há esforços no sentido de encontrar a fórmula adequada para um fogo de artifício mais amigo do ambiente. Assim, em alguns espetáculos, os foguetes são enviados para o ar graças a um sistema de gás compressor, o que evita a utilização da pólvora no momento do lançamento. Desta forma, diminui a libertação de gases poluentes como os NOx, CO e SOx. Também os percloratos utilizados como explosivos no interior das estrelas são identificados como prejudiciais à saúde humana e por isso os químicos tem procurado substituí-los. FIGURA 3. Exemplo de um composto pirotécnico rico em nitrogénio: a bistetrazoleaminotetrazina. A libertação de energia destes compostos não envolve reações de oxidação do carbono – que ocorrem nas misturas pirotécnicas tradicionais – e os produtos de reação são essencialmente os gases N2 e H2. Os compostos com elevada percentagem de nitrogénio, como os derivados do triazole e da tetrazina (FIGURA 3), ou de oxigénio, como a nitrocelulose, têm-se revelado muito eficazes nesta área, proporcionando quase sempre uma combustão completa, praticamente sem libertação de fumos – o que permite diminuir também a quantidade de sais e intensificadores de cor utilizados. Tudo para que seja possível admirar um espetáculo de fogo de artifício, livre de sentimentos de culpa! Referências
Este artigo já foi visualizado 6818 vezes. Como ocorre os fogos de artifício?Resumindo: ao explodir no céu, os elétrons dos átomos dos metais presentes nos fogos de artifício deslocam-se para níveis de energia diferentes dos seus e imediatamente retornam para os níveis de origem, liberando a energia recebida em forma de luz.
Como os fogos de artifício voam?Quando a pólvora queima, a temperatura aumenta e os átomos do elemento químico ganham uma energia extra expelida em forma de luz. Eles enchem o céu de cores graças a diversas reações químicas.
Como é a química dos fogos de artifício?Composição dos fogos de Artifício
Ela é composta por nitrato de potássio, enxofre e carvão. Outros compostos que podem ser utilizados na pólvora são o perclorato de potássio (KClO4) ou clorato de potássio (KClO3), que são oxidantes e altamente explosivos. O KClO4 e KClO3 aumentam a explosão e a claridade dos fogos.
O que dá cor aos fogos de artifícios?Roxo: a mistura de Estrôncio e Cobre dá origem ao azul mais fechado (roxo). Vermelho: a cor rubra surge da queima de sais de Estrôncio e de Lítio. Amarelo: se queimarmos Sódio teremos a cor amarela. Verde: a queima de Bário faz surgir o verde incandescente.
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