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Tipici dei festeggiamenti per il Capodanno sono sicuramente i fuochi d’artificio, belli e spettacolari tramite i loro giochi di luce.
Ma cosa sono esattamente, e come funzionano?Per comprendere il funzionamento dei fuochi d'artificio dobbiamo fare affidamento alla chimica e alla fisica.
Un fuoco d'artificio è essenzialmente un razzo progettato per esplodere in modo controllato grazie ad una serie di reazioni chimiche in rapida sequenza, per così produrre raffiche di luci dai colori vivaci.
Fornendo calore tramite l’accensione, si fornisce l’energia di attivazione necessaria ai composti imballati all'interno affinché possano bruciare e trasformarsi in altri prodotti, rilasciando fumo e gas di scarto, quali anidride carbonica, monossido di carbonio e l'azoto.
Ora, tenete presente che secondo il principio di conservazione dell'energia, l'energia chimica totale imballata nel fuoco d'artificio prima che si accenda, dovrà essere uguale alla somma delle energie totali dopo la reazione.
Le sostanze chimiche solide contenute nella custodia di cartone non si limitano solamente a riorganizzarsi in altre sostanze chimiche; parte dell'energia chimica bloccata al loro interno viene convertita in altri quattro tipi di energia: calore, luce, suono ed energia cinetica.
L’energia cinetica generata permette naturalmente ai fuochi d’artificio di vincere la forza di gravità, spedendoli in alto.
Il suono è generato dal moto vibrazionale delle molecole che si propaga attraverso un mezzo, nel nostro caso l’aria.
Il calore invece, come anticipato, permette la combustione e la relativa trasformazione dei composti, ma non solo.
Sicuramente alcuni di voi avranno presente i saggi alla fiamma, esperienza di laboratorio che consiste nel bruciare in una fiamma diversi metalli per osservarne i diversi colori prodotti; questo è esattamente ciò che accade nei fuochi d'artificio.
I fuochi d'artificio devono il loro colore alla presenza di composti metallici; nello specifico i sali metallici imballati al loro interno.
Il calore emesso dalla reazione di combustione fa sì che gli elettroni degli atomi metallici acquistino energia, portandoli a livelli di energia più elevati (stato eccitato).
Questi stati eccitati però sono instabili, quindi l'elettrone ritorna rapidamente alla sua energia originale (o stato fondamentale) tramite l’emissione dell’energia in eccesso sottoforma di luce.
Metalli diversi hanno un divario energetico diverso tra i loro stato fondamentale e stato eccitato, portando quindi all'emissione di un diversa quantità di energia e quindi di diversi colori.
- I composti del sodio danno il giallo.
- I sali di rame il blu, e i sali di bario il verde.
- Il calcio e lo stronzio producono rispettivamente le varietà di arancione e rosso.
- Il titanio invece brucia producendo una luce bianca/argentea.
- Combinando invece i sali di rame e lo stronzio si ottengono fuochi d’artificio viola/porpora.
Zolfo e carbone agiscono da combustibili della reazione, mentre il nitrato di potassio agisce come agente ossidante.
La combustione della polvere nera non ha luogo come una singola reazione, quindi i prodotti della reazione possono essere piuttosto complicati.
La cosa più vicina a un'equazione rappresentativa per il processo è mostrata è qui in seguito, con carbone di legna riferito alla sua formula empirica:
6 KNO3 + C7H4O (carbone di legna)+ 2S→ K2CO3 + K2SO4 + K2S + 4 CO2 + 2 CO + 2 H2O + 3 N2
nitrato di potassio + carbone di legna + zolfo → carbonato di potassio + solfato di potassio + solfuro di potassio + anidride carbonica + monossido di carbonio + acqua + azoto.
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