Фейерверки

Химия фейерверка
Совсем скоро ночное небо во многих странах мира раскрасят яркими всполохами фейерверки – «небесный огонь», без которого не обходится ни один значительный праздник. Сегодня мы хотим приоткрыть некоторые секреты химического состава пиротехнических средств, в изобилии представленных на прилавках магазинов в преддверии Нового года. 
Пиротехники используют в своей работе разнообразные горючие вещества. Широко представлены неметаллические элементы (кремний, бор, сера). В процессе окисления бора и кремния выделяется большое количество энергии, но не образуются газовые продукты, поэтому эти вещества применяются для изготовления взрывателей замедленного действия (чтобы воспламенить другие составы в определенное время). Многие смеси включают органические углеродсодержащие материалы. Например, древесный уголь (применяется в дымном порохе, снарядах для фейерверков) или сахар (дымовые гранаты). Используются химически активные металлы (алюминий, титан, магний), чье горение при высокой температуре дает яркий свет. Это их свойство стали использовать для запуска фейерверков и прочих пиротехнических забав еще в 19 веке. Праздники от этого только выиграли. 

Наиболее известным пиротехническим эффектом фейерверка являются «брызги», цвет которых зависит, как известно, от длины волны излучения. В границах от 380 до 780 нм находится электромагнитное излучение, дающее видимый свет. Когда мы видим красный цвет в «небесном огне» – значит длина волны наибольшая, свет с наименьшей длиной будет воспринят нами как фиолетовый. Если светящийся объект мы видим белым, то он излучает волны во всем видимом спектре. Определенный же цвет (участок спектра) зависит от того, в пределах какой узкой полосы длин волн будет излучаться большая часть световой энергии. Не вдаваясь в физические подробности, заметим, что есть и еще одна закономерность: даже при незначительном повышении температуры горения резко усиливается яркость свечения. 

Чтобы получить белую сигнальную ракету, нужно, чтобы пиротехническая смесь содержала активный металл (например, магний). При окислении такого металла образуется его оксид, частицы которого, нагреваясь при температуре более 3 тысяч градусов до «белого каления», дают белый свет. А вот яркую вспышку того же белого цвета получают иначе - используя смесь перхлората калия и мелкого алюминиевого (магниевого) порошка. С помощью такой смеси получают, как их называют специалисты, «вспышки с грохотом»» или «фотовспышки», которые используются при ночной фотосъемке (когда нужно мгновенное освещение), для создания особых световых эффектов на рок-концертах, для изготовления традиционных шутих. Чтобы получить искры белого цвета можно в однородный порошок металла добавить более крупные его частицы, они, оставаясь горячими дольше, горят за счет кислорода воздуха. Чем крупнее частицы, тем дольше будут светиться искры. Искры золотистого цвета дают частицы железа или древесного угля. 

Современные фейерверки и прочие пиротехнические забавы имеют удивительные яркие краски и по совсем иным причинам – красота их создается на атомарном или молекулярном уровне. Наиболее сильным светоизлучателем на атомарном уровне является натрий. Его атомы при температуре выше 1 800 градусов дают желто-оранжевый цвет с длиной волны 589 нм. Даже очень небольшое количество натрия в составе может «перекрыть» все другие цвета в «небесном огне». Американцы, правда, превратили этот минус в плюс – пиротехнические составы с натрием используются армией США в ночных операциях для освещения местности. 

В течение столетий пиротехники двигались долгим путем проб и ошибок. Только в последнее время изыскания были поставлены на научную основу. Исследования проводили: Б. Дауда и Г. Уэбстер (Центр материально-технического обеспечения систем оружия ВМС, США), Д. Диллихеем (корпорпация Thiokol, США), Т. Си-Мидзу (компания Коа Fireworks, Япония). И вот что стало известно: используя небольшое количество химических элементов можно воспроизвести почти все цвета. Непрочные соединения, содержащие медь, барий и стронций, создают синий, зеленый и красный цвета (например, гидроксид стронция (SrOH) и хлорид стронция (SrCl) излучают красный цвет в диапазоне длин волн между 605 и 682 нм; хлорид бария (ВаСl) излучает зеленый в диапазоне 507-532 нм). Сложность использования указанных веществ заключается в невозможности сразу помещать их в пиротехническую продукцию (это объясняется нестабильностью, непрочностью при хранении в обычных условиях), поэтому их получают в результате быстрых реакций в процессе горения. Для этого производители добавляют в изделия специальные соединения (хлорсодержащий каучук, поливинилхлорид (хлорсодержащая пластмасса), перхлоратные или хлоратные окислители), выделяющие при высоких температурах хлор, который, соединяясь с барием или стронцием, дает светоизлучающие молекулы. 

Очень сложно, оказывается, получить ярко-синий цвет. Лучшее, что найдено – хлорид меди (CuCl), но он нестабилен при высоких температурах, которые нужны для получения интенсивного света. Стоит температуре горения превысить нужную для приемлемого излучения – молекулы распадаются, поэтому приходится строго следить за составом и размерами частиц нужных химических компонентов. Те же сложности испытывают пиротехники с фиолетовым и лиловым цветами (они получаются при совместном свечении образующихся при горении хлорида меди и хлорида стронция). 

Спецэффекты не лишены секретов. Карбонат стронция (цвет) и гранулы алюминия (искры) помогают создать каскад красных искр. Нитрат стронция в смеси с перхлоратом калия и разными горючими составляющими дает отчетливо красный свет (сигнальные ракеты). 

При использовании пиротехнических средств в Новогоднюю ночь будьте предельно осторожны. Мировая история пиротехники полна трагедий как при производстве пиротехнических изделий (например, сильнейший взрыв, разрушивший в 1983 г. завод Груччи на о. Лонг-Айленд шт. Нью-Йорк), так и при использовании этой продукции. Фактор безопасности из-за широкого ее применения стал наиболее актуальной проблемой. В США в 1976 г. Комиссия по безопасности потребительских товаров в законодательном порядке установила строгие федеральные стандарты на изделия для устройства фейерверков в быту. Страны европейского экономического сообщества, применяющие разнообразные нормы безопасности, пытаются сейчас объединить их в едином своде правил, действуя в русле унификации законов и экономических принципов. Россияне, совсем недавно получившие доступ к «индивидуальному салюту», рискуют значительно больше американцев и европейцев, поскольку зачастую на рынке преобладает некачественная более дешевая продукция (до 70% объем пиротехнической продукции поступает к нам из Китая). 

А требований по соблюдению мер предосторожности при производстве и к качеству продукции не мало. Они еще больше усложняют и без того очень сложный технологический процесс. Не будем описывать тонкости производства, отметим лишь, что самые опасные операции выполняются механизмами в бронированных помещениях без присутствия людей (дистанционное управление, заданные программы в рамках технологии, использование промышленного телевидения). 



Пиротехника – развлечение, ремесло или наука?
Все сверкающие красоты, от небольших выстрелов-всплесков хлопушек и петард до удивительных по краскам и разнообразию фейерверков, поддаются строго научному описанию, ибо, как писал Джон А. Конклинг, «аналогичные принципы заложены в работе разнообразных устройств - от космического «шаттла» до обыкновенных спичек». 
По данным китайского историка химии, профессора Ли Чао Пинга, первым шагом к современным пиротехническим смесям были огненные трещотки, отпугивающие злых духов. Этот путь был долгим (не менее 1 500 лет), зато сейчас любой человек, знакомый со школьным курсом химии, может изготовить простейший фейерверк в течение нескольких дней. 

Долгое время на Западе в производстве пиротехнической продукции были известны лишь несколько фамилий. Связано это с тем, что хитрости технологии, рецептура, способы смешивания пиротехнических составов хранились в секрете и передавались по наследству из поколения в поколение. Эти имена и сегодня главные в списке пиротехнических производителей. Например, в США это - Замбелли (штат Пенсильвания), Груччи (штат Нью-Йорк), Роцци (штат Огайо) и Соудза (штат Калифорния). Способствовало такой семейной секретности и то обстоятельство, что фундаментальные научные исследования в области пиротехники практически не проводились, а если и проводились, то эти данные не появлялись в научной прессе. 

Еще совсем недавно составление и запуск фейерверков было скорее ремеслом, чем наукой. Только в последние десятилетия ученые начали изучать химические и физические процессы и законы, лежащие в основе яркости огней и других спецэффектов пиротехнических устройств. В процессе этих научных изысканий и возникла новая научная дисциплина «пиротехника» (наука о горении). Она занимается не только фейерверками, но и сигнальными ракетами, твердотопливными ускорителями космических кораблей, обыкновенными спичками, то есть всеми предметами, при изготовлении которых применяются аналогичные материалы. 

В фейерверках основной пиротехнический состав остается неизменным в течение нескольких столетий - речь идет о черном порохе, необходимом для реализации взрывательной и метательной функций. 

Изобретен черный (иначе - дымный) порох был в Китае (стране, издавна любившей яркие огневые представления и ритуалы) более 1 000 лет назад именно для применения в пиротехнических целях (простейшие ракеты, шутихи). На Западе сведения о нем распространялись в период средневековья. Английский монах Роджер Бэкон решил зашифровать состав пороха, потому что счел это вещество крайне опасным. А в 1242 году у него не оставалось другого выхода, как раскрыть формулу взрывчатой химической смеси - в целях защиты от обвинений в колдовстве. Так формула черного пороха становилась все более известной. Это вызвало, в свою очередь, серьезные инновационные изменения в строительстве и горно-добывающей отрасли, изменилась технология изготовления оружия и его виды: уже в 14 веке появляются мушкеты и пушки, в которых используется в качестве метательной силы черный порох. С полной уверенностью можно сказать, что черный порох - практически единственный химический состав, в котором используются те же составляющие, те же их пропорции и та же технология изготовления, как и во времена открытия Америки. Действительно формула дымного пороха не изменилась за все это время: это смесь нитрата калия (калиевая селитра), древесный уголь и сера в отношении 75:15:10 по весу. Все это позволяет говорить о черном порохе, как о близкой к идеалу пиротехнической смеси, состоящей из имеющихся в большом количестве и недорогих химических веществ, сравнительно неядовитых и устойчивых к воздействию внешней среды. 

Эта химическая смесь настолько стабильна, что если ее хранить в сухом месте, то она не будет разлагаться и портиться десятки. Еще одним очевидным преимуществом пороха является то, что для его воспламенения нужно малое количество энергии - достаточно искры или небольшого взрывателя для дистанционного взрыва. 

Как отмечают специалисты, пиротехнический процесс практически не отличается от обычного горения. Основные составляющие пиротехнического состава - горючее и окислитель. Древесный уголь, уротропин, шеллак, канифоль, порошки магния, алюминия и их сплавы относятся к горючему. К окислителям относятся нитраты, хлораты, перхлораты, хлор, фторорганические соединения. Чтобы предотвратить преждевременное загорание (и сгорание) фейерверка, в его состав добавляют так называемые флегматизаторы и стабилизаторы, а для регулирования скорости горения - катализаторы. 

Таким образом, пиротехнический состав - это несколько тонко измельченных и механически смешанных компонентов, это нечто среднее между газовыми смесями и обычным твердым топливом. 

Пиротехнический состав включает в себя окислитель (источник кислорода) и восстановитель (горючее вещество). Эти два компонента, как правило, являются отдельными твердыми химическими реагентами, которые потом будут смешаны механически. При нагревании смеси происходит обычная окислительно-восстановительная реакция (или реакция с обменом электронами). В ее процессе атомы горючего теряют электроны, которые переходят к атомам окислителя. Атомы восстановителя связываются с освобождающимися окислителем атомами кислорода, образуя стабильные продукты реакции. При такой реакции выделяется много тепловой энергии, что обусловлено более высокой стабильностью новых химических связей. Такой же процесс происходит и при горении, с единственной разницей - кислород в этом случае поступает из воздуха. Пиротехническая смесь содержит кислород в самой себе, что делает выделение тепла строго ограниченным. Холодная и сухая пиротехническая смесь очень стабильна. Твердая смесь реагирует очень медленно по поверхности, причем скорость реакции определяется диффузией. При воспламенении смесь переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние в пиротехническом пламени. В результате чего горючее и окислитель перемешиваются. Это смешение двух указанных компонентов ускоряет реакцию и, в свою очередь, значительно усиливает процесс выделения энергии. 

Пиротехниками не рождаются… 

Получение академического образования в данной области затруднено из-за «семейственного» принципа гражданской пиротехники (более характерного для «них») и секретного характера большинства работ в оборонной промышленности (это более характерно для «нас»). В США единственные пиротехнические курсы читаются на нескольких ежегодных, продолжительностью в одну неделю, семинарах, проводимых в Вашингтон-Колледже. В России подобные семинары существуют (во всяком случае, существовали) при МГУ, в частности в школе А.Н. Колмогорова при МГУ. Наличие их на химических факультетах других вузов сомнительно после трагических событий, связанных с международным терроризмом. Однако сейчас ряд организаций активно публикует результаты открытий в этой области, в том числе и в интернете. Существует российский сайт любителей пиротехники (на нем можно познакомиться со статьями видных ученых, инженеров), российская пироконференция и т.д. 

Литература по пиротехнике в России почти не выпускается. Единственная книга (предназначена для военных, содержит некоторые сведения по пиротехнике), изданная за последнее время, - учебник А.А. Шидловского (видный ученый в области пирохимии, умер в 1996 г). 

Интерес к пиротехнике в России и в мире в целом растет, так только в США с 1976 г. среднегодовое потребление устройств для создания фейерверков удвоилось (в России такую статистику никто, очевидно, не ведет).

http://www.pirotek.info - самодельная пиротехника и , гексоген и СВУ