Hvordan fungerer fyrværkeri? En pyroteknisk kemiker forklarer videnskaben bag de strålende farver og lyde

For mange mennesker rundt om i verden vil de allerførste øjeblikke af det nye år være fyldt med lyde og farverige lysshows af fyrværkeri. Fra høje brag til lange fløjter, lyse røde til lyseblå farver, der er tusindvis af variationer af fyrværkeri og en hel gren af ​​kemi, der udforsker disse sjove eksplosioner.

Jeg er kemiker og præsident for Pyrotechnics Guild International, en organisation, der fremmer sikker brug af fyrværkeri og deres brug for at fejre helligdage som nytår.

Der er hundredvis af kemiske formler - eller som jeg kan lide at tænke på dem, pyrotekniske opskrifter - til fyrværkeri. Disse opskrifter er stadig baseret på en ældgammel blanding af kemikalier, der producerer det essentielle brag, men moderne fyrværkeri bruger alle mulige former for kemisk magi til at frembringe dagens utrolige shows.

Det hele starter med sort krudt

Den første ingrediens i ethvert fyrværkeri er det gamle eksplosive sortkrudt. Det blev opdaget af kinesiske alkymister for mere end tusind år siden, og opskriften har været stort set uændret i århundrederne siden. For at lave sort pulver skal du bare blande 75 % kaliumnitrat, 15 % trækul og 10 % svovl. For at lave et grundlæggende fyrværkeri eller ildkiks skal du bare putte dette pulver i en beholder, normalt lavet af tykt pap eller papir.

Sort krudt bruges til at affyre fyrværkeriet i luften samt antænde og drive effekterne – som farve – ind i et mønster på himlen. Så hvordan virker det?

Når først tændt med en lunte eller gnist, smelter svovlen først ved 235 F (112,8 C). Svovlen flyder over kaliumnitrat og trækul, som derefter brænder. Denne forbrændingsreaktion producerer hurtigt en stor mængde energi og gas - med andre ord en eksplosion. Hvis der er et lille hul for gassen at slippe ud, sender reaktionen fyrværkeriet i luften. I et meget begrænset rum sprænger det fyrværkeriets komponenter fra hinanden og antænder alt i nærheden.

Ud over at ændre, hvor indesluttet det sorte pulver er, kan ændring af størrelsen af ​​pulvergranulatet også ændre, hvor hurtigt det brænder. Tænk på et lejrbål. Når du tilføjer en stor trægren, brænder flammerne længere og langsommere. Hvis du smider en håndfuld savsmuld ind i flammen, brænder det varmt og hurtigt. Sortkrudt fungerer på samme måde, og det gør det nemt at kontrollere, hvor meget og hvor hurtigt energi der frigives.

Forskellige kemikalier til forskellige farver

Hvis du anbringer meget fint sortkrudt i et lukket rum, eksploderer det i en sky af varme, gas og støj. Så hvor kommer farverne og det skarpe lys fra?

Når du opvarmer noget materiale, er det, du i virkeligheden gør, at lægge energi i elektronerne i det materiales atomer. Hvis du exciterer elektronerne nok, når de falder tilbage til deres normale energiniveauer, frigiver de den overskydende energi som lys.

Der er en række forskellige elementer, der, når de føjes til et fyrværkeri og opvarmes, frigiver forskellige bølgelængder af lys, der fremstår som forskellige farver. Strontium gør rødt. Barium producerer grønt. Kobber brænder blåt og så videre.

At lave fyrværkeri, der producerer blues, har længe været en udfordring for fyrværkerikemikere. Deep blues er for mørke og kan ikke ses på nattehimlen. Men hvis den blå er for lys, ser den hvid ud. Så bølgelængden af ​​den "perfekte blå" skal være meget præcis. Dette er svært at opnå, fordi blåt lys har en kortere bølgelængde - hvilket betyder, at afstanden mellem lysbølgens toppe og dale er meget tæt på hinanden.

Visse elementer producerer forskellige farver, men hvad med gnistre og glimt? For at lave disse effekter kan forskellige metaller tilføjes til de pyrotekniske formler. Aluminium, magnesium og titanium producerer alle hvide gnister. Ved at tilføje jern får du guldgnister. Blanding i forskellige typer trækul kan producere røde og orange gnister. Hvert af disse elementer brænder med forskellig hastighed og på en anden måde og producerer derfor forskellige farver og lysintensiteter.

Laver en fløjte eller en bom

Det sidste stykke af et godt fyrværkeri er en spændende lydeffekt.

For at tilføje lydeffekter til fyrværkeri har du brug for en formel, der producerer en stor mængde gas meget hurtigt. Hvis et fyrværkeri har en lille åbning, så gassen kan komme ud gennem det, vil det frembringe en fløjtende lyd. Gassens hastighed og størrelsen af ​​åbningen vil variere tonehøjden og lyden af ​​en fløjte.

At lave en bom er meget nemmere. Du skal blot sætte en energisk formel i et lukket rum uden nogen steder, hvor gassen kan tage hen. Når den antændes, vil trykket øges, og fyrværkeriet vil eksplodere og frembringe en pludselig bom eller et brag.

Når du ser fyrværkeriet denne nytårsaften eller skyder noget af dit eget op i baghaven, ved du nu, hvordan det virker. Fyrværkeri er meget sjovt, men eksplosionerne og de brændende kemikalier er farlige – også selvom de kommer i farverig emballage. Hvis du lovligt kan affyre forbrugerfyrværkeri i din by, skal du håndtere det korrekt.