La química de… los fuegos artificiales.

La pirotecnia es algo que, quizá por tradicional, cercano y artístico parece alejado de la ciencia y la tecnología. Incluso a cierta escala está al alcance de todos; si has pasado tu infancia en Valencia o alrededores raro será que no hayas tirado un petardo alguna vez. De hecho lo más normal es que hayas fastidiado la siesta a todos los vecinos de tu calle armado con bombetas, chinos, carpinteros, masclets, salidas, trons de bac y compañía (lo reconozco, tengo una edad, quizá ahora haya productos más avanzados, pero yo me quedé ahí). La pirotecnia, como todo, es química, así que… ¡vamos a reventarlo todo!

Por partes…

Los materiales pirotécnicos son tradicionalmente mezclas de muchos compuestos que reaccionan exotérmicamente (liberan calor) tras su encendido. Están diseñados para reaccionar más lentamente que los explosivos (otro subgrupo de los llamados “materiales energéticos”) y producir luz, color, calor, gas, humo, sonido y movimiento. Las reacciones implicadas son del tipo red-ox, es decir, de oxidación-reducción. No me preguntéis por qué, pero al expandir el nombre se cambia el orden de los términos, #esoesasí. Hay por tanto dos partes fundamentales en cualquier dispositivo pirotécnico: el reductor (o combustible) y el oxidante (comburente). El oxidante, como su propio nombre da a entender, proporciona el oxígeno necesario para la combustión del reductor. Son generalmente cloratos o percloratos (¿recordamos la formulación?… valencias positivas del cloro 1, 3, 5, 7, hipo-oso, -oso, -ico, per-ico, de -oso a –ito y de –ico a –ato, ClO₃^–, ClO₄^–, respectivamente). El reductor, que puede ser un metal, una aleación, compuestos orgánicos, algunos no metales como azufre o fósforo o incluso serrín o harina, capta el oxígeno en una reacción en la que se desprende energía, la energía química que estaba almacenada en sus moléculas, ahora transformadas en un compuesto oxidado.

Un tipo específico de materiales pirotécnicos diseñados para acelerar objetos (carcasas, por ejemplo, aunque también balas o cohetes) son los propulsores. En sus reacciones se libera un gran volumen de gas a una determinada velocidad de reacción que de menor a mayor define las combustiones (bengalas), deflagraciones (pólvora negra) o detonaciones (explosivos).

Y parecía sencillo…

Pese a que la pirotecnia comenzó hace siglos, las reacciones involucradas son relativamente complicadas, más aun teniendo en cuenta que generalmente son en estado sólido (nada de matraces guays con líquidos de colores) y que para ello hace falta un grado de homogeneización de la mezcla muy elevado. Además hay que controlar muy bien la composición y evitar impurezas o incluso la presencia de agua, que puede desencadenar reacciones como ésta:

Que, además de para echarse el pisto ilustra bien el fenómeno de la liberación espontánea de un gran volumen de gases en una combustión (todos los productos acompañados de “(g)” son gases), concretamente la de la pólvora negra con un pequeño residuo de agua.

El color…

Bien, de momento tenemos el cómo propulsamos o hacemos estallar los artefactos pirotécnicos, pero nos falta una de las partes más llamativas; la generación de luz, de color. ¿Qué pasa, que esto no es química?… pues, aunque algún físico se me enfade, sí, también es química. Podríamos decir que en este terreno la física y la química van de la mano, puesto que nos tendremos que meter dentro del átomo para encontrar el fenómeno que origina la emisión de luz en los artefactos pirotécnicos. ¿Os venís?

Orbitales atómicos del Cu

Como todos recordamos del colegio el átomo está formado por un núcleo con protones y neutrones y una corteza donde están los electrones que, con su carga negativa, compensan la positiva de los protones del núcleo. Pues bien, los electrones no están ahí al tun tun, como la ropa en tu cuarto. Es más bien como si los hubiera organizado tu madre, cada uno en su sitio, en una estantería desde el suelo hasta el techo con estantes a alturas muy bien definidas. Dependiendo del átomo que consideremos tendremos más o menos electrones rellenando esos estantes. Pues bien, cuando suministramos suficiente energía a un átomo podemos provocar que un electrón suba a un estante (orbital atómico) más alto (de mayor energía). Esta situación es más bien incómoda para el átomo, que se encuentra excitado, porque en realidad él lo que quiere es que le dejen echarse la siesta en el sofá, relajado, en el estado energético más bajo posible. Así que el electrón que ha subido de estante acaba cayendo a su estante original, porque como lo vea tu madre verás, y la energía que le sobra se emite generalmente en forma de luz. Dependiendo del átomo serán más favorables unos “saltos” que otros, y el color de la luz lo define la diferencia de altura (energía) entre el estante (orbital) donde está el electrón excitado y el estante donde acaba bajando. Teniendo esto en cuenta ya es cosa de los maestros pirotécnicos dar con las mezclas de elementos que “pinten” los colores deseados, como hace el pintor en su paleta. Como ejemplo, en el rojo de las bengalas se usa estroncio, para el verde se necesitan bario y cobre, para el amarillo sodio, etc. Estos metales generalmente se incluyen en la formulación en forma de sales (nitratos, percloratos), actuando así, a su vez, de oxidantes.

Y además…

La pirotecnia sigue en pleno desarrollo, puesto que además de su aplicación lúdica y de entretenimiento tiene otras mucho más funcionales como los fulminantes eléctricos, dispositivos empleados para hinchar los airbags, en los pretensores de cinturones de seguridad, etc.

Está también en desarrollo una nueva línea de materiales pirotécnicos respetuosos con el medioambiente, donde la energía no proviene de una reacción de combustión sino de la energía de formación de compuestos ricos en nitrógeno (mayor cuanto mayor es el número de átomos de N). Estos nuevos materiales presentan además la ventaja de no generar prácticamente residuos sólidos (humo) con lo que la eficiencia de los efectos mejora mucho. Lo curioso además es que se están empleando este tipo de compuestos en procedimientos de síntesis de espumas metálicas nanoestructuradas (de alta porosidad). Y podrían aplicarse también en la preparación de materiales de almacenamiento de gases (hidrógeno, por ejemplo). ¿Quién dijo que un castillo de fuegos artificiales es sólo un entretenimiento extravagante sin ningún valor?

Texto de referencia

Steinhauser, G. and T. M. Klapotke (2010). «Using the Chemistry of Fireworks To Engage Students in Learning Basic Chemical Principles: A Lesson in Eco-Friendly Pyrotechnics.» Journal of Chemical Education 87(2): 150-156.