• Prof. Cerebrón

Química y pirotecnia

Ya se acercan las fechas decembrinas y el año nuevo. Todos sabemos que durante esas fechas, niños y adultos salen a divertirse con fuegos artificiales. Unos son de colores, otros truenan y otros sacan chispas. Estas explosiones son reacciones químicas que ocurren muy rápido. Y todo ese jolgorio se remonta hacia la antigua China.


Foto de Anna-Louise en Pexels

La pólvora se inventó en el siglo IX, gracias a experimentos para encontrar la inmortalidad, no precisamente con fines bélicos. Claro que durante el trayecto, explotaron, volaron e incendiaron sus laboratorios. Fue así como descubrieron que ciertas mezclas de sustancias son muy inestables y otras pueden ser totalmente controladas. Se estableció la fórmula para la pólvora, compuesta principalmente por carbono, azufre y nitrato de potasio (KNO3), sin embargo podían contener también mercurio y arsénico. Al ver que esta mezcla se incendiaba controladamente, se usó principalmente en diversión para fuegos artificiales. Posteriormente, debido a las guerras de la Dinastía Song, comenzó a usarse para armas como fusiles, cañones y lanzallamas.


La pólvora llegó finalmente a Europa mediante las invasiones árabes. Con ello, los europeos perfeccionaron las armas y cañones. Finalmente llegó a América, donde los territorios fueron conquistados con la ayuda de este invento. Ya instaladas fábricas de pólvora, se usó principalmente para fines bélicos, de construcción y pirotecnia. Respecto a fines de construcción se vio el gran poder y ayuda de la pólvora en la construcción del canal Erie en Estados Unidos. Este canal, fue construido de 1798 a 1825, y recorrió 547 km desde Búfalo hasta el río Hudson en Nueva York. La pólvora así, ayudó a destruir varios cientos de kilómetros de piedra dura, abriendo paso a través de los Montes Apalaches hasta el lago Erie. El dato curioso aquí fue que la pólvora, era manejada por los trabajadores irlandeses irresponsables y ebrios; impresionantemente casi no hubo muertes por explosiones de pólvora. Con la llegada de la dinamita, el uso de la pólvora fue algo menor, sin embargo en la actualidad la mayoría de las municiones la siguen conteniendo en su cámara de ignición.


Volviendo a la pirotecnia, durante los siglos muchos alquimistas y científicos han agregado otras sustancias a los componentes principales de la pólvora. Por ejemplo, se agregó clorato de potasio (KClO3) que era mucho más estable y menos higroscópico que el nitrato de potasio, pero lo hace más explosivo.


De lo que más nos llama la atención de la pirotecnia son los colores, estos se forman por reacciones químicas de descomposición y por el salto de electrones, las teorías cuánticas nos ayudan a explicar esto. Los electrones de un orbital, ya sea de un átomo solo o formando un enlace, tienen cierto nivel de energía, cuando se les agrega más energía se excitan y saltan al siguiente nivel. Sin embargo este nivel puede estar ya ocupado y obliga a los electrones a regresar a su nivel original. Al regresar, los electrones tienen que expulsar la energía absorbida, la cual se mueve a cierta longitud de onda que correspondería a un color en específico del espectro electromagnético de luz visible, es decir, el arcoíris (luminiscencia). Por ejemplo el rojo sería a 700 nm (menor energía) y el violeta a 400 nm (mayor energía), los demás colores se ubican entre estos dos intervalos.


Desde un nivel un poco más químico y menos cuántico, las reacciones que se producen son de óxido-reducción (esas famosas que tanto hacen sufrir en secundaria). Recordando, una sustancia que dona electrones (se oxida) en una reacción se le llama agente reductor, en una sustancia que recibe (se reduce) esos electrones, se le llama agente oxidante. Este salto de electrones de un elemento a otro ayudará tanto a realizar la explosión como a ver los colores.


Ahora bien, debido al calor de la mecha y calor de la combustión del carbono, el clorato de potasio se descompone en cloruro de potasio y en oxígeno. El oxígeno generado ayuda a seguir combustionando el carbón y el azufre rápidamente, formando dióxido de carbono y óxidos de azufre. Hasta ahí vamos en la reacción química básica de la pólvora negra, la clásica explosión de los cañones y municiones. En el caso de la pirotecnia, se agrega un tercer compuesto que usualmente son sales metálicas, las responsables del color. Por mencionar algunos ejemplos, el rojo se debe a sales de litio y estroncio, el naranja al calcio, el amarillo al sodio, el verde al bario y cromo, el azul al cobre y cobalto, el violeta a una mezcla entre estroncio y cobre, y el blanco al aluminio, magnesio y óxido de bario.


Combinando la teoría cuántica con estas reacciones quiere decir que un tono azul es debido a que el electrón desprende mayor cantidad de energía que el rojo. Si ubicamos los colores vistos por cada elemento en la tabla periódica veremos que los tonos de baja energía (rojo-amarillo) son de elementos de los primeros grupos (las columnas; alcalinos y alcalinotérreos) y periodos (filas, excepto el estroncio). Si seguimos moviéndonos en la tabla periódica hacia niveles mayores de energía (mayores grupos y mayores periodos) veremos que los colores también cambian; los metales de transición (los que están en medio) tienen colores del verde al violeta.


Así que, cuando alguien ve pirotecnia no es tan complicado saber de qué están hecha la pólvora que está explotando. Adicionalmente ese olor característico de la pólvora a huevo podrido, es debido al azufre y a la posible formación de algo de ácido sulfhídrico, generado por el agua de la combustión.

Por último, quisiera recalcar que la pirotecnia es bastante entretenida y atractiva, sin embargo, dejémosla solo para los eventos y profesionales. Quemar pirotecnia en casa podría alterar y dañar a mascotas propias o del vecino. Sus oídos son mucho más sensibles que los nuestros y el fuego les asusta, además podría haber un accidente y no solamente dañar a las mascotas, sino a nosotros o causar un incendio si no se tienen las responsabilidades necesarias.


Disfruten en año nuevo de los espectáculos que dan las ciudades, o si van a quemar que sean bengalas que pueden ser totalmente controladas y no estallan. Me da mucho gusto volver a escribir después de mi ausencia y explicarles a nivel químico qué ocurre.

Y como siempre gracias por leerme.

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