Niepalne fajerwerki z Kraju Kwitnącej Wiśni
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Chemia w Szkole (1/2022):
Piszę ten artykuł początkiem stycznia mając jeszcze w pamięci rozbrzmiewające wokół nas przed paroma dniami zabawy sylwestrowe. Tradycyjnie jednym z ich elementów były pokazy pirotechniczne.
Pirotechniką od greckiego piro (πῦρ) nazywamy praktyczny dział chemii - w specyficznym połączeniu z techniką i inżynierią - zajmujący się konstrukcją urządzeń z wykorzystaniem materiałów, które poprzez proces reakcji spalania wywołują różnorodne efekty optyczne, cieplne, akustyczne lub dymne.
Pirotechnika znajduje zastosowanie nie tylko przy produkcji fajerwerków, ale też pirotechnicznych środków bezpieczeństwa (ładunki hukowe lub błyskowe), wzywania pomocy (race sygnalizacyjne) czy w samochodowych napinaczach pasów i poduszkach powietrznych. Możemy więc stwierdzić, że pirotechnika jest wykorzystywana tak w celach cywilnych, jak i wojskowych.
Jednym z bardziej rozrywkowych przykładów pirotechniki jest produkcja sztucznych ogni, nazywanych też fajerwerkami (od niemieckiego Feuerwerk), czyli wyrobów wykorzystywanych do celów widowiskowych i sygnalizacyjnych, po zapaleniu dających efekty świetlne i akustyczne.
Pierwsze fajerwerki - podobnie zresztą jak wykorzystywany w nich czarny proch - powstały najprawdopodobniej na terenie dzisiejszych Chin. Już w czasach Dynastii Południowych i Północnych (420–589r. naszej ery) sztuczne ognie były stosowane w czasie modlitw. Nie wydaje się niczym zaskakującym, że znalazły także użytek na polu bitwy i ewoluowały następnie w różne formy broni palnej.
Stosowanie większości profesjonalnych fajerwerków wymaga specjalistycznej wiedzy, natomiast produkcja łatwopalnych oraz wybuchowych mieszanin pirotechnicznych jest dodatkowo zajęciem bardzo niebezpiecznym i z pełną powagą odradzam ją amatorom. Co jakiś czas możemy usłyszeć w doniesieniach medialnych o kolejnych wypadkach domorosłych pirotechników, w których doznali oni (czasem wraz z osobami postronnymi) poważnych urazów lub nawet ponieśli śmierć. Z tego powodu nie zamierzam opisywać takich eksperymentów, ani zachęcać do nich.
Istnieją jednak dużo bezpieczniejsze typy fajerwerków. Jednymi z nich są tzw. zimne ognie. Możemy je opisać jako rodzaj sztucznych ogni przystosowanych do użytku w pomieszczeniach zamkniętych.
Zimne ognie przeważnie mają formę cienkiego metalowego - najczęściej stalowego - drutu pokrytego w części masą, która paląc się wytwarza duże ilości iskier. Masa pirotechniczna składa się z ok. 45–50% azotanu baru Ba(NO3)2 oraz opiłków żelaza Fe (a także czasem glinu Al) dających podczas spalania efekt srebrzystobiałych iskier (Fot.1).
Obecność w składzie zimnych ogni toksycznego związku baru sprawia, że nawet w tym przypadku należy postępować ostrożnie i nie zbliżać ich – szczególnie podczas spalania – do artykułów żywnościowych.
Co ciekawe, w tradycji japońskiej występuje podobny niewielki i stosunkowo bezpieczny fajerwerk, nazywany senkō hanabi (jap. 線香花火) [1]. Mimo iż analogicznie do popularnych u nas zimnych ogni podczas swojego spalania wytwarza duże ilości pięknych iskier, to kompozycja chemiczna i konstrukcja jest w tym przypadku całkowicie odmienna. Jest szczególnie interesujące, że niektóre z realizacji tych fajerwerków opierają się na wykorzystaniu praktycznie niepalnej w normalnych warunkach, a dzięki temu bardzo bezpiecznej mieszaniny nietoksycznych substancji chemicznych. Zaznaczę jednak, że oryginalnie - szczególnie w Japoni - do produkcji pewnych typów senkō hanabi wykorzystuje się substancje łatwopalne, a nawet wybuchowe.
Przyznasz zapewne, mój Drogi Czytelniku, że idea bezpiecznych, a przy tym pięknych i na swój sposób egozytcznych fajerwerków, może być pociągająca. Gra jest tym bardziej warta świeczki, że poza zapewnieniem wspaniałego efektu estetycznego, tego rodzaju prace mogą pomóc w zainteresowaniu chemią uczniów i nie tylko.
Produkcja
Jak już wspomniałem, do produkcji opisanej tu wersji senkō hanabi wystarczą nam łatwo dostępne, nietoksyczne i tanie materiały. Będą to:
- siarka S,
- wodorowęglan sodu NaHCO3,
- węgiel drzewny C.
Siarka jest niemetalem. Pierwiastek ten posiada kilka odmian alotropowych, z których trzy najważniejsze to siarka rombowa, jednoskośna i amorficzna. W warunkach normalnych jest substancją krystaliczną, o barwie żółtej. Jest stosunkowo krucha.
Wodorowęglan sodu jest nazywany inaczej kwaśnym węglanem sodu. Ta druga nazwa może być jednak myląca, ponieważ wodny roztwór wodorowęglanu sodu ma odczyn słabo alkaliczny. Związek ten jest wykorzystywany w sztuce kulinarnej jako tzw. soda oczyszczona lub składnik proszku do pieczenia – podgrzewany rozkłada się z wydzieleniem dwutlenku węgla CO2, dzięki czemu zawierające go ciasto ulega spulchnieniu. Znajduje zastosowanie także jako dodatek do żywności regulujący jej odczyn, składnik musujących napojów w proszku i tabletek. Wykorzystuje się go także w lecznictwie przy nadkwasocie, jako substancję pochłaniającą zapachy i wilgoć oraz do zmiękczania wody. W warunkach normalnych ma postać białego ciała krystalicznego. Zamiast wodorowęglanu sodu możemy zastosować wodorowęglan potasu KHCO3.
Ostatnim składnikiem jaki potrzebujemy jest węgiel drzewny, czyli lekka, czarna substancja wytwarzana z drewna w procesie suchej destylacji. Głównym składnikiem jest węgiel pierwiastkowy, zanieczyszczony popiołem i licznymi związkami organicznymi. Do wytwarzania japońskich zimnych ogni najlepszy jest węgiel otrzymany z drewna drzew iglastych, w szczególności sosny Pinus.
Dosyć łatwo jest wytworzyć niewielkie ilości bardzo czystego węgla drzewnego z suchego drewna sosnowego (Fot.2, po lewej).
W tym celu kilka szczap suchego drewna sosny należy luźno umieścić w metalowej puszce - choćby po brzoskwiniach w syropie. Puszkę trzeba zamknąć dosyć szczelnie np. poprzez zaciśnięte wylotu lub założenie odpowiedniego wieczka. Podczas procesu suchej destylacji drewna powstają pewne ilości palnych gazów, więc w puszce należy zrobić kilka niewielkich otworów, tak by mogły się one wydostać i ulec spaleniu. Otworów nie powinno być jednak wiele, ani nie mogą być one zbyt duże, ponieważ proces musi odbywać się bez dostępu tlenu. Tak przygotowaną puszkę należy następnie umieścić w palenisku i podgrzewać tak długo, aż będą się wydzielały gazy. Po ostudzeniu z puszki możemy wydobyć bardzo lekki, porowaty i czysty węgiel drzewny (Fot.2, po prawej). Jest on bardzo kruchy – musimy go zmielić jak najdrobniej, właściwie na pył, ponieważ uzyskany efekt będzie zależał w dużej mierze właśnie od wielkości drobin tej substancji.
Wszystkie potrzebne nam substancje można zobaczyć na Fot.3.
Według dostępnej w sieci receptury musimy odważyć i zmieszać ze sobą wodorowęglan sodu, siarkę oraz węgiel drzewny w stosunku wagowym 7:4:2 [2]. Ja odważyłem więc:
- 1,75g wodorowęglanu sodu,
- 1g siarki,
- 0,5g węgla drzewnego.
Podczas przygotowywania mieszanin pirotechnicznych z reguły NIE MOŻEMY ucierać ich składników razem, np. w moździerzu, ponieważ najprawdopodobniej skończy się to ich zapłonem lub nawet wybuchem. Opisywana kompozycja jest jednak wyjątkiem, ponieważ nie jest mieszaniną substancji o silnych właściwościach redukujących i utleniających. Dzięki temu możemy w prosty sposób utrzeć razem wszystkie potrzebne składniki (Fot.4).
Swoistym paradoksem jest, że otrzymana mieszanina w bezpośrednim kontakcie z ogniem będzie miała raczej właściwości gaszące – dzięki zawartości wodorowęglanu sodu po podgrzaniu wydziela przecież dwutlenek węgla, który odcina dostęp tlenu i uniemożliwia dalsze spalanie. To kolejny dowód, że proponowana mieszanina zasługuje aby ją polecać do zastosowań dydaktycznych.
Gotowa mieszanina ma postać ciemnoszarego proszku. Jest nieco higroskopijna, więc należy ją chronić przed wilgocią.
Ostatnim materiałem jaki potrzebujemy jest odpowiedni papier. Nie może być on zbyt cienki i delikatny, ale wykluczone jest też zastosowanie grubego papieru w rodzaju zeszytowego lub ksero. Z pewnym trudem udaje się zastosować pojedyncze arkusze powstałe po rozdzieleniu wielowarstwowego ręcznika papierowego. Lepsza okazała się jednak dosyć gruba bibuła (Fot.5).
Papier należy pociąc na paski o szerokości około 1,5cm i długosci co najmniej 10-15cm. Wymiary trzeba dobrać eksperymentalnie. Każdy pasek następnie zginamy tworząc rodzaj rynienki (Fot.6).
Następnie na pasek papieru, do zagięcia w odległości około 1-2cm od jednego z końców wsypujemy niewielką ilość mieszanki. Musi być to naprawdę szczypta, mniej więcej 10-30mg - większa ilość nie wydłuża czasu palenia się fajerwerku a znacznie utrudnia jego zapalenie (Fot.7).
Pasek papieru trzeba potem złożyć wzdłuż zgięcia i zacząć go zwijać od miejsca zawierającego mieszankę (Fot.8).
Przy zwijaniu musimy uważać, aby mieszanka pozostała tylko w jednym miejscu – blisko zakończenia papierowej struktury. Gotowy fajerwerk powinien mieć postać jak na Fot.9.
Zauważmy, że gotowe senkō hanabi ma postać niewielkiego zgrubienia zawierającego mieszankę pirotechniczną zawieszonego na dosyć długim, zwartym zwitku papieru. Na końcu tradycyjni rzemieślnicy japońscy pozostawiają zwykle fragment nie zwiniętego papieru – bywa on bogato zdobiony.
Tak przygotowane fajerwerki możemy bez ryzyka przechowywać bardzo długo w suchym miejscu. Jak widać, z kilku gramów mieszanki możemy wyprodukować dużą ilość gotowych senkō hanabi.
Efekt – nagroda za trudy
O ile wytworzony przez nas sztuczny ogień jest stosunkowo bezpieczny, to trzeba pamiętać, że przy spalaniu powstaje wysoka temperatura. Dlatego powinien być używany tylko nad powierzchniami odpornymi na ten czynnik i z dala od substancji palnych. Przy spalaniu dochodzi tutaj także do emisji niewielkich ilości m.in. tlenków siarki, więc musimy to robić na zewnątrz lub pod wyciągiem, ewentualnie w bardzo dobrze wentylowanym pomieszczeniu.
Oczywiście w normalnych okolicznościach senkō hanabi trzyma się w dłoni, końcem zawierającym mieszankę w dół, ale na potrzeby sesji zdjęciowej umieściłem je w odpowiednim uchwycie (Fot.10).
Ceną za bezpieczeństwo i brak ryzyka pożaru czy wybuchu podczas produkcji jest okupiony trudnością w zapalaniu fajerwerku. Nie wystarczy w tym celu zwykła zapalniczka lub zapałki – odpowiednie będą zapalniczki w rodzaju minipalnika. W celu rozpalenia senkō hanabi musimy przez chwilę podgrzać miejsce zawierające mieszankę tak, aby nie uległ przepaleniu utrzymujący ją zwitek papieru (Fot.11).
Spalenie fajerwerku ma kilka wyraźnych etapów.
Podgrzewanie możemy przerwać wtedy, gdy na końcu zwitka papieru uformuje się wyraźna kropla stopionych reagentów – jest ona wtedy rozgrzana do pomarańczowego żaru (Fot.12). Od tego momentu reakcja biegnie już samodzielnie.
Po chwili można usłyszeć krótkie syki uchodzącego gazu, czemu towarzyszą niewielkie, ale wyraźnie widoczne języki ognia wydobywające się z rozżarzonej kropli (Fot.13).
Chociaż widok gorącej kropli emitującej we wszystkich kierunkach ogniste języczki jest piękny, to po kilku sekundach możemy podziwiać jeszcze bardziej zachwycający – wokół kropli zaczynają rozbłyskiwać kaskady pomarańczowych iskier (Fot.14).
Następne kilka sekund przynosi kolejną zmianę: kaskada wielkich iskier zostaje zastąpiona przez rój dużo delikatniejszych, ale nie mniej pięknych iskierek (Fot.15).
Jest to ostatni etap spalania sztucznego ognia. Po chwili gaśnie on, pozostawiając jedynie tlący się papier.
Jeśli wykorzystamy wodorowęglan potasu zamiast wodorowęglanu sodu, to iskry będą miały nieco inny wygląd, a spalanie fajerwerku potrwa dłużej. W tym przypadku nie występuje jednak etap kropli emitującej języki ognia.
Podczas spalania senkō hanabi rozżarzona kropla wędruje w górę po papierowym zwitku, ciągle się zmniejszając. Dlatego stosowanie tego fajerwerku wymaga pewnej wprawy – wystarczy nieuważny ruch albo zbyt silne drgnięcie trzymającej go dłoni, a kropla spadnie i efekt skończy się przedwcześnie.
Wyjaśnienie
Większość fajerwerków zawdzięcza swoje działanie mieszaninom reduktorów (np. węgiel, siarka) i utleniaczy (sole kwasów chlorowych, azotany(V) i inne), często z dodatkiem substancji chemicznych pełniących dodatkowe specyficzne funkcje. Takie mieszanki są jednak bardzo niebezpieczne z powodu czułości na bodźce mechaniczne – mogą zapalić się lub wybuchnąć z powodu uderzenia, potarcia lub sprężenia. Dlatego stosuje się domieszki obniżające wrażliwość mechaniczną. Niemniej jednak są to substancje skrajnie łatwopalne, wybuchowe. Osobną kwestią pozostaje toksyczność sztucznych ogni, szczególnie tych najpiękniejszych, bo kolorowych – za ich barwę odpowiada dodatek soli metali (także ciężkich). Fot.16 pokazuje efekt spalania mieszanki zawierającej dodatek soli strontu Sr, czemu zawdzięcza czerwoną barwę płomienia.
Z drugiej strony, opisywany dziś fajerwerk nie zawiera substancji przejawiającej cechy silnego utleniacza. Dokładny mechanizm reakcji zachodzących podczas jego spalania nie został jeszcze dokładnie zbadany i opisany. Wiemy jednak, że w stopionej kropli stwierdzono obecność siarczków sodu (lub potasu), reagujących z węglem w obecności tlenu atmosferycznego [3] [4]. W atmosferze beztlenowej ten sztuczny ogień natychmiast gaśnie.
Z senkō hanabi jest związany jeszcze pewien interesujący i zmuszający do refleksji szczegół. Według tradycji obserwowanie tych delikatnych, iskrzących fajerwerków wyzwala w nas uczucie nazywane mono no aware (jap. 物の哀れ). Jego rdzeniem jest głębokie, empatyczne zrozumienie efemerycznego, a więc nietrwałego piękna przejawiającego się w otaczającym nas świecie i w samym życiu człowieka [5]. Z tego powodu, chociaż jest to uczucie pozytywne, to najczęściej jest ono także zabarwione nutą smutku oraz tęsknoty. Zauważmy jak pięknie to koresponduje z senkō hanabi, które spalając się zapewnia nam piękne widowisko, ale nagle gasną same z siebie, pod wpływem wiatru lub naszego nieostrożnego ruchu.
Literatura:
- [1] Shimizu T., Fireworks: The Art, Science, and Technique, Pyrotechnica Publications, Teksas, 1996 powrót
- [2] The World's First non-Flammable Fireworks (a novel way to make Senko Hanabi Sparklers, w serwisie: https://www.youtube.com, dostępne online: https://www.youtube.com/watch?v=O3-ucafI1MY [dostęp: 14.01.2022] powrót
- [3] Van Der Sypt F., The Senko Hanabi Sparkler: A Study Of Factors Affecting Construction And Performance, Journal of Pyrotechnics, 32, 2013, str. 27-42 powrót
- [4] Van Der Sypt F., The Senko Hanabi Sparkler: A Study Of Its Reaction Mechanism, Journal of Pyrotechnics, 32, 2013, str. 43-56 powrót
- [5] praca zbiorowa, Japan: Profile of a Nation, Kodansha International Ltd., Tokio, 1995, str. 307 powrót
Wszystkie fotografie i rysunki zostały wykonane przez autora
Uzupełnienie autora
Jako swoisty dodatek do artykułu przedstawiam poniżej mój film na ten temat:
Dostępne są napisy zarówno w języku polskim, jak i angielskim.
Marek Ples