¿Cómo se hacen los fuegos artificiales?

Si por algo se caracteriza el final de toda festividad importante es por el uso de los fuegos artificiales, especialmente en un país como España, donde tenemos algunos de los espectáculos pirotécnicos (como los valencianos) más famosos de el mundo entero.

Sin embargo, los fuegos artificiales son en sí mismos pura química. No solo por las reacciones que posibilitan la explosión, sino también por los fundamentos que permiten obtener la gran gama de colores que garantizan la máxima espectacularidad. De todos modos, la composición química de las mezclas de compuestos que nos podemos encontrar en los fuegos artificiales suele ser un secreto de las casas comerciales que se guarda celosamente, sobre todo en lo referido al modo de obtener determinados colores, que como veremos posteriormente, requieren bastante investigación para conseguirlos.

No obstante, todos los fuegos artificiales suelen tener una serie de componentes base que son comunes. A continuación haremos mención a las características principales de estos componentes.

Las sustancias base de toda mezcla pirotécnica son las siguientes:

• Sustancias oxidantes:
Son las encargadas de generar el oxígeno que reaccionará en la reacción de combustión. Existen fundamentalmente tres tipos distintos de oxidantes: los nitratos, cloratos y percloratos, que, respectivamente, se componen de los aniones, (ver imagen 1) o más un catión metálico. Acorde a las reacciones de descomposición de los oxidantes más utilizados podemos observar una diferencia fundamental:

Imagen 1

Dicha diferencia estriba en la cantidad de oxígeno que ceden en forma de oxígeno molecular. En el caso de los nitratos (reacción (1), acorde a la estequiometría, de las 3 moléculas de oxígeno que se podrían liberar, solo se libera una. Es decir, que los nitratos ceden un tercio del oxígeno que contienen. Por el contrario, los cloratos y percloratos ceden todo su oxígeno en forma de oxígeno molecular.

• Sustancias reductoras:
Son las encargadas de actuar como combustibles para reaccionar con el oxígeno molecular liberado por los oxidantes, dando lugar a la producción de grandes cantidades de gases calientes. Entre las especies reductoras más comunes en pirotecnia podemos destacar al carbono (C) y al azufre (S). Sus reacciones de combustión dan lugar a la formación de (ver imagen 2).

Imagen 2

En este punto quizás sea también instructivo que la mezcla de carbono, azufre y nitrato potásico o nitrato sódico, en las proporciones adecuadas, son los componentes tradicionales de la pólvora negra. Este explosivo junto con otros muchos han sido la fuerza de empuje de la artillería en los ejércitos, mayoritariamente en los últimos seis siglos. Aunque no es el objetivo de este artículo, baste decir que en un cañón, el funcionamiento es muy parecido al de un fuego artificial. La mezcla explosiva (sustancia oxidante más sustancia reductora), al reaccionar genera de forma muy rápida una gran cantidad de gases, que son los encargados de empujar la bala y salir expelidos por la boca del cañón. Sobra decir que durante mucho tiempo, era bastante habitual que en medio del fragor de la batalla, los propios cañones explotasen, por sobrecalentamiento y por la vigorosa fuerza con la que se producen los gases en la reacción de combustión. Entre estos gases, suele ir presente una cantidad de carbono que no reacciona, y que es el responsable del color grisáceo del humo que sale por el cañón (Como se ve en la imagen inferior).

Precisamente, esta fuerza de los gases es la responsable de que en los fuegos artificiales salgan los rayos coloridos en todas las direcciones (pues ahora, a diferencia de los cañones, no hay ningún conducto que dirija los gases a un lugar concreto)

Sin embargo, en el caso de los fuegos artificiales, un tercer elemento resulta clave: el responsable del color. Suele tratarse de sales o incluso sustancias metálicas, que resumimos en la siguiente tabla.

Tabla I. Resumen de sustancias responsables del color

Además de todos los compuestos a los que hemos hecho mención, se suelen adicionar otras sustancias que tienen como objetivo estabilizar la mezcla. Se añaden agentes aglomerantes para cohesionar la mezcla, protegerla de la humedad y garantizar que durante su almacenaje no se eche a perder. Entre estas sustancias suele destacar la goma arábiga.

¿Y cómo se produce el color?

Hasta ahora, solo hemos prestado atención a la composición y mecanismos de reacción que tienen lugar en los fuegos artificiales, pero no hemos tratado el fundamento de la producción de color, que, al fin y al cabo, es lo que los hace valiosos en el espectáculo.

Existen dos modos en que los fuegos artificiales producen color: la incandescencia y la luminiscencia.

La incandescencia es la emisión de radicación (que en un intervalo de frecuencia o longitud de onda adecuado da lugar al color) como consecuencia de que el cuerpo emisor está a alta temperatura. La emsión de esta radiación suele comenzar en la zona infrarroja del espectro, y a medida que la temperatura aumenta, se desplaza hacia la zona del rojo/amarillo. Una manera de observar este modo de emitir color lo tenemos en nuestras propias casas. Cuando calentamos un horno a altas temperaturas y, con cuidado, miramos a las barras que suelen estar en la parte superior, podemos ver que tienen un color anaranjado. Incluso, si la temperatura es lo suficientemente elevada y la luz de la cocina está apagada, puede verse que el interior del horno está levemente iluminado. El problema que tiene la incandescencia es que los únicos colores que se pueden producir son los rojizos/amarillos, o si la temperatura es muy alta, el blanco.

Por su parte, la luminiscencia, viene a suplir este defecto de la incandescencia, pues con ella sí pueden obtenerse todos los colores del espectro visible. Como hemos comentado, para que haya color es necesario que un cuerpo emita radiación con una longitud de onda adecuada (el espectro visible está aproximadamente entre los 400nm (azul) y los 700nm (rojo).

En el caso de los fuegos artificiales, el cuerpo que emite la radiación son los cationes metálicos de las sustancias que hemos reflejado en la Tabla I. Debido a las grandes cantidades de energía que se liberan en la reacción de combustión, los electrones más externos de estas sustancias metálicas son promocionados a niveles de energía superiores. Sin embargo, los electrones suelen tener vértigo, y en vez de quedarse en un piso superior, tienden a volver rápidamente al nivel energético que ocupaban antes de la excitación. Por ello, para coger el camino de vuelta deben emitir el exceso de energía que han adquirido con la combustión, lo que nos permite observar el color. Cuanto más energético sea el salto, más cerca estaremos de los colores azules, mientras que los saltos menos energéticos estarán relacionados con la zona roja del espectro.