TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION 3

HISTORIA 4

¿QUÉ SON LOS FUEGOS ARTIFICIALES? ¿CÓMO FUNCIONAN? 6

QUÍMICA EN ACCIÓN 8

¿QUÉ FENÓMENOS PERMITEN QUE VEAMOS LOS COLORES? 16

CONCLUSION 18

BIBLIOGRAFIA 19

INTRODUCCION

Los fuegos artificiales, tan extendidos en las celebraciones populares de nuestro país, ofrecen una excelente oportunidad para analizar un acontecimiento festivo al alcance de todos como un experimento integrado en Termoquímica, Espectroscopía y Dinámica molecular, que posibilita revisar conocimientos químicos que se extienden desde los niveles educativos más básicos hasta los más avanzados. Desde que se realizo el primer experimento pirotécnico, creación del fuego por el hombre primitivo, pasando por la invención de la pólvora, hasta los modernos fuegos artificiales que culminan fiestas, espectáculos y celebraciones en todo el mundo, han pasado miles de años, si bien los principios utilizados no han cambiado si no fuese por la química, no existiría la pirotecnia y tampoco los brillantes coloridos de los fuegos artificiales, ya que todo se trata de reacciones químicas. Cada artefacto explosivo diseñado para generar esos colores en la explosión cuenta con varios elementos cuidadosamente dispuestos para generar el efecto deseado al reaccionar. En estos artefactos podemos notar que en la mayoría de ocaciones, los vemos antes de escucharlos esto sucede porque La luz tiene una velocidad mucho mayor que la del sonido, por ende, cuandose lanzan fuegos artificiales y explotan, primero puedes ver los brillantes colores resultantes y más tarde el sonido, ya que la luz tarda menos en llegar a tus ojos que el sonido en llegar a tus oídos. La pirotecnia tiene un especial nexo con las festividades, ya sea durante la Navidad, el Año nuevo, una fecha patria, un cumpleaños o hasta un partido de fútbol especial, pero siempre con un fin: festejar. Los fuegos artificiales se basan en reacciones de oxidación y reducción, empleándose distintos tipos de sustancias químicas para obtener asombrosos efectos de luz y sonido.

2

HISTORIA

Etimológicamente la palabra pirotecnia proviene de los vocablos griegos piros, fuego, y techne, arte o técnica. Según el Diccionario de la Real Academia Española, pirotecnia significa “el arte que trata de todo género de invenciones de fuego, en máquinas militares y en otros artificios para diversión y festejos”. Esta definición divide la pirotecnia en dos apartados: el militar y el lúdico, si bien los mismos artificios sirven para un fin o para otro. Quizás el primer experimento de esta técnica fue la creación del fuego, pero sólo hace unos 200 años, que se dio lugar a la interpretacion correcta del fuego como una forma de energía y se han definido las llamas como las regiones luminosas producidas por un gas caliente. 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 que la primera mezcla explosiva llamada polvo negro, fue procesada artesanalmente a partir de la dinastía Tang (s.VII-X); pero fue gracias a que un cocinero en China, accidentalmente mezclo carbón con ácido sulfúrico y nitro, elementos que, comprimidos en un bambú, se quemaron produciendo una explosión, se dio paso al uso de lo que se conoce como lo más cercano Los antiguos pueblos chino, indio y egipcio fueron muy aficionados a los festejos –principalmente religiosos- amenizados con fuegos artificiales, a los que daban color usando sales de sodio. Transmitieron sus conocimientos a los griegos y más tarde a los romanos, de los que quedan escritos que relatan su empleo en festejos nocturnos. 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. Aún así, el arte decae en el siglo IV pero resurge hacia el siglo XII con la introducción de la pólvora descubierta por los chinos. Los árabes mantienen la tradición e introducen la pirotecnia en España. Así, las crónicas de los 250 reyes de Aragón se refieren a los festejos con fuegos artificiales y, de la mano de los aragoneses, vuelve la tradición a Italia. En 1540 el metalúrgico Vannoccio Biringuccio recoge en su obra “Pirotecnia” las formulas y técnicas utilizadas en aquel momento. También se extiende por Francia, llegando a su máximo apogeo en el reinado de Luis XV. Una de las obras más populares de la música es la “Música para los reales fuegos artificiales”, compuesta por Haendel en 1749 para acompañar un festival pirotécnico que conmemoraba la Paz de Aix-la-Chapelle o Aquisgrán (18 de octubre de 1748). Hasta finales del siglo XVIII los maestros pirotécnicos trabajaban aislados y en secreto, transmitiendo sus conocimientos sólo a sus discípulos. El desarrollo de la técnica se lleva a cabo en toda Europa, pero en las zonas mediterráneas (España e Italia, principalmente) los pirotécnicos buscan el mayor impacto visual en el público, y en la escuela alemana de Nüremberg se alcanza un mayor adelanto científico. Merece destacarse que los fuegos artificiales fueron monocromos hasta el siglo XIX, ya que se utilizaba el sodio casi en exclusiva. Se necesitaron determinados adelantos químicos para introducir los vivos colores que disfrutamos hoy. Así, la introducción del color rojo se encuentra estrechamente ligada a la historia del descubrimiento de los

3

elementos químicos, concretamente del estroncio, que fue extraído del SrCO3 por primera vez en 1807 por Davy. Este carbonato es, aún en la actualidad, uno de los componentes básicos en la fabricación de los fuegos. También fue necesario disponer de sales de clorato para formar a partir de ellas los cloruros que dan diferentes especie s responsables del color. 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.

4

¿QUÉ SON LOS FUEGOS ARTIFICIALES? ¿CÓMO FUNCIONAN?

Los fuegos artificiales son dispositivos pirotécnicos que constan de efectos visuales y sonoros, en la mayoría de los casos, con fines recreativos y suelen tener lugar en las noches. Cada fuego artificial es un cilindro que sube al cielo en forma de cohete y explota, produciendo un show que varía en colores y formas distantas. Los fuegos artificiales son aparatos que cuentan en su interior con diferentes elementos químicos como cobre, sales de litio, aluminio y titanio, siendo estos los responsables de dar color a las explosiones; y están cuidadosamente dispuestos en pequeños tubos y compartimentos internos que determinan la intensidad y secuencia de las explosiones. 

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. Al aplicar calor mediante la mecha, se produce una reacción de transferencia de electrones, los átomos del combustible ceden electrones a los átomos del oxidante y se combinan con el oxigeno de manera que los nuevos enlaces que se forman son más estables que los iniciales y por ello se libera energía en forma de luz y calor.

Los carácterísticos colores de los fuegos artificiales se dan y funcionan por medio de reacciones entre elementos químicos, que se han ido descubriendo con el pasar del tiempo siendo los fuegos artificiales un proceso de avances que se ha desarrollado de la siguiente manera:

1. Naranja originalLa 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.

2. Colores primarios

5

Fueron los siguientes en descubririse, hoy en día los colores son creados mezclado la proporción correcta de sustancias para lograr el color y brillo deseados. Por ejemplo, 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.

3. Otros coloresMás allá de los colores primirarios, se han logrado 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.

6

QUÍMICA EN ACCIÓN

Las reacciones pirotécnicas ocurren por combustión de materiales, que pueden generar llamas, chispas, explosiones y humos. Estas reacciones pueden estar iniciadas por elementos eléctricos, y luego encender dispositivos pirotécnicos que permiten programar la ocurrencia de otras reacciones. Aunque la preparación de las mezclas para producir los fuegos artificiales se basa en fórmulas artesanales que se guardan celosamente, toda mezcla pirotécnica - incluyendo los fuegos artiificiales- debe contener una serie de componentes esenciales: 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 siguientes son las sustancias químicas que hacen parte de las reacciones que se dan en la producción de los fuegos artificiales. QUÍMICO FUNCIÓN FORMULA

ALUMINIOProduce 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

7

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

COBRELos compuestos de cobre producen colores azules en los fuegos artificiales

Cu

HIERROProduce 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

Los fuegos artificiales incluyen oxidantes, que son

8

OXIGENO

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

ANTIMONIOSe 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

9

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 que respectivamente, se componen de los aniones , o más un catión metálico. Estos oxidantes, en su mayoría, producen reacciones fuertemente exotérmicas, a excepción del nitrato, que son las siguientes:

Tabla 1. 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

En la tabla se diferencia estriba en la cantidad de oxígeno que ceden en forma de oxígeno molecular. Los oxidantes más utilizados son los nitratos, cloratos y percloratos. Los nitratos están compuestos por el ion nitrato y un ion metálico y ceden 1/3 de su contenido en oxígeno para dar el correspondiente nitrito y oxígeno. Los cloratos están compuestos por el ion clorato y un ion metálico, y ceden la totalidad de su contenido en oxígeno, causando una reacción espectacular y explosiva. Los percloratos contienen más oxígeno que los cloratos,

10

pero es menos probable que exploten por efecto de un impacto.

Las reacciones de los oxidantes empleados en los fuegos artificiales ofrecen una excelente oportunidad como ejercicio de cálculo de las entalpías de reacción a partir de las entalpías de formación tipo de las sustancias reaccionantes. De las reacciones tabuladas, la [1] es la única endotérmica y por tanto resultará favorecida al elevar la temperatura. Las restantes reacciones de la Tabla son exotérmicas y se favorecen a baja temperatura. La reacción [3] presenta el interés especial de que da lugar a la producción de cloro. La reacción [4] es moderadamente exotérmica, aun tratándose de un perclorato, como consecuencia

de que los valores de ∆Hf0

de las dos sales implicadas son similares. La reacción

[5] tiene la particularidad de que todos los productos están en estado gaseoso, lo que resulta conveniente para la producción de los colores sin interferencias.

En estas reacciones también están presentes los reductores, estos actúan como combustible reaccionando con el oxígeno molecular 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. Entre los gases que se producen en la reacción de combustion, suele ir presente una cantidad de carbono que no reacciona. Precisamente, esta fuerza de los gases es la responsable de que en los fuegos artificiales salgan los rayos coloridos en todas las direcciones.

11

Tabla 2. 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 y la harina de maíz (almidón) se utiliza para retardar la reacción mediante la selección del tamaño adecuado de partícula. Los agentes ligantes deben tener, entre otras, las

12

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.

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, relacionado con la excitación de las moleculas. En la siguiente se resumen los productos de partida más utilizados para conseguir los colores de los fuegos artificiales.

Tabla 3. Sustancias químicas de partida utilizadas para producir los colores de los fuegos artificiales.

Al producirse la mezcla, estas sales reaccionan con los agentes oxidantes 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.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

13

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.

14

¿QUÉ FENÓMENOS PERMITEN QUE VEAMOS LOS COLORES?

El color de los destellos luminosos depende de su longitud de onda, los de mayor valor son de color rojo y violeta los de menor. Los principales mecanismos responsables de la emisión luminosa son la incandescencia y la luminiscencia.

Antes de entrar a los conceptos de incandescencia y luminiscencia, es importante saber que Un espectro es la luz (radiación electromagnética) emitida cuando los electrones pasan desde una órbita más energética a otra de menor energía. Según cuál sea la diferencia de energías de las órbitas involucradas la luz emitida tiene una frecuencia (color) u otra.

Para obtener el espectro, es necesario haber excitado previamente el electrón desde su estado natural (el de mínima energía) hasta un estado de energía superior. La excitación previa necesaria se consigue mediante la aportación de energía calorífica, eléctrica, etc. Los colores observados en los fuegos artificiales son, de hecho, los espectros de emisión de diferentes elementos químicos, por ejemplo el litio da una luz de color rojo, el sodio amarilla y el potasio violeta.

Región del visible del espectro electromagnético y espectros de emisión de los elementos: (a) Espectro continuo, (b)Hidrógeno, (c)Helio, (d) Bario

En el primero, la incandescencia, 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. La incandescencia se origina en presencia de partículas sólidas a elevadas temperaturas. La emisión de luz está formada por un espectro

15

continuo pero al calentar las partículas, por ejemplo de carbón vegetal, van adoptando diferentes colores (600−800oC; rojo, 900−1.100oC; naranja, 1.200−1.300oC; amarillo) hasta llegar al blanco (1400oC). Los metales como magnesio, aluminio y titanio arden con luz muy luminosa, por esta razón son utilizados para aumentar la temperatura de los fuegos artificiales.

Por otra parte, la cantidad total de energía emitida es tanto mayor cuanta más alta sea la temperatura, esto quiere decir que un pequeño aumento de la temperatura se traduce en un considerable aumento de su brillo. Una manera de observar este modo de emitir color lo tenemos en nuestras propias casas. 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.

En cambio, tras el segundo fenómeno, la luminiscencia, que viene a suplir el defecto de la incandescencia, ya que con ella se pueden obtener todos los colores del espectro visible. En esta, 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 (espectro visible esta aproximadamente entre los 400 nm (azul) y los 700nm (rojo)) están dentro de la región del visible, las llamamos “colores”.

En el caso de los fuegos artificiales, el cuerpo que emite la radiación son los cationes metálicos de las sustancias que hemos reflejado en la Tabla 3. Debido a las grandes cantidades de energía que se liberan en la reacción de combustión, los electrones más externos de estas sustancias metálicas son promocionados a niveles de energía superiores. Sin embargo, los electrones suelen tener vértigo, y en vez de quedarse en un piso superior, tienden a volver rápidamente al nivel energético que ocupaban antes de la excitación. Por ello, para coger el camino de vuelta deben emitir el exceso de energía que han adquirido con la combustión, lo que nos permite observar el color. Cuanto más energético sea el salto, más cerca estaremos de los colores azules, mientras que los saltos menos energéticos estarán relacionados con la zona roja del espectro.

16

CONCLUSION

Por medio de este trabajo de investigación, se demostró que en una actividad que se parece tan simple como los fuegos artificiales, se dan miles de reacciones químicas para que sean posibles y debido a la falta de curiosidad no nos cuestionamos por qué y cómo realizan dichos procesos. Al ir avanzando en este trabajo, se pudo descubrir que la química tiene presencia en todo, desde lo más cotidiano hasta lo más complejo. En muchas ocasiones, cuando se está reunido observando un espectáculo de fuegos pirtotécnicos, más allá de las maravillosas figuras y hermosos colores en las alturas, vemos también implícitamente cómo miles de partículas actúan en silencio, por medio de procesos químicos y físicos haciendo posible el show y así permitiendo disfrutar de una experienicia visual única como son los fuegos artificiles.

17

BIBLIOGRAFIADE PRADA PEREZ, F. I. (2006). El fuego: química y espectáculo. [En línea]. Madrid: Real Sociedad Española de Química. Disponible en: http://www.madrimasd.org/Madridporlaciencia/Feria-IX/gestion/files/doc/actividades/439_1.pdf

SANCHEZ, A. J. (2011). La Química de los fuegos artificiales. [En línea]. España. Disponible en: http://www.cvatocha.com/documentos/quimica/fuegos.pdf

PERAL, F; TROITIÑO, M. D; IZQUIERDO M. C; DE LA PLAZA, M. A. QUÍMICA DE LOS FUEGOS ARTIFICIALES: UN RECURSO DIDÁCTICO TOMADO DE LAS FIESTAS POPULARES. [En línea]. Madrid: Universidad Nacional de Educación a Distancia. Disponible en: http://quim.iqi.etsii.upm.es//vidacotidiana/QVCParte4.pdf

GOÑI, M. F. (1997). Fuegos artificiales: la química de las percepciones fugaces. [En línea]. Vasco: Departamento de Bioquímica, Universidad del País Vasco. Disponible en: http://www.spq.pt/magazines/BSPQ/588/article/3000779/pdf

18