Weird Science

Niepalne fajerwerki z Kraju Kwitnącej Wiśni

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (1/2022):

Ilustracja

Ples M., Nie­palne fajer­werki z Kraju Kwit­nącej Wiśni, Che­mia w Szkole, 1 (2022), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 46-50

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.

Ilustracja
Tra­dy­cyjny japoński fajer­werk
ani­ma­cja: doda­tek autora

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 Chi­nach. 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 zasto­so­wa­nie 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).

Fot.1 – Iskry pow­sta­jące pod­czas spa­la­nia zim­nych ogni

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.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

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. Co cie­kawe, 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 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).

Fot.2 – Drewno sosny (po lewej) i pow­stały z niego węgiel drzewny (po pra­wej)

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.

Fot.3 – Potrzebne sub­stan­cje; a – siarka, b – zmie­lony węgiel drzewny, c – wodo­ro­węglan sodu

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:

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).

Fot.4 – Ucie­ra­nie sub­stan­cji w moździe­rzu

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).

Fot.5 – Papier

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).

Fot.6 – Przy­go­to­wany pasek papieru

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).

Fot.7 – Ilość mie­szanki potrzebna do wyko­na­nia jed­nego fajer­werku

Pasek papieru trzeba potem zło­żyć wzdłuż zgięcia i zacząć go zwi­jać od miej­sca zawie­ra­jącego mie­szankę (Fot.8).

Fot.8 – Spo­sób zwi­ja­nia senkō hanabi

Przy zwi­ja­niu musimy uwa­żać, aby mie­szanka pozo­stała tylko w jed­nym miej­scu – bli­sko zakończe­nia papie­ro­wej struk­tury. Gotowy fajer­werk powi­nien mieć postać jak na Fot.9.

Fot.9 – Gotowy wyrób, strzałka wska­zuje zgru­bie­nie zawie­ra­jące mie­szankę che­mi­ka­liów

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).

Fot.10 – Fajer­werk w uch­wy­cie

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).

Fot.11 – Spo­sób zapa­la­nia

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.

Fot.12 – Ufor­mo­wana kro­pla

Po chwili można usły­szeć krót­kie syki ucho­dzącego gazu, czemu towa­rzy­szą nie­wiel­kie, ale wyraźnie widoczne języki ognia wydo­by­wa­jące się z roz­ża­rzo­nej kro­pli (Fot.13).

Fot.13 – Ogni­ste języki
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

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).

Fot.14 – Kaskady iskier, strzałka wska­zuje kro­plę
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Następne kilka sekund przy­nosi kolejną zmianę: kaskada wiel­kich iskier zostaje zastąpiona przez rój dużo deli­kat­niej­szych, ale nie mniej pięk­nych iskie­rek (Fot.15).

Fot.15 – Drobne iskierki

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.

Fot.16 – Spa­la­nie mie­sza­niny piro­tech­nicz­nej o barw­nym pło­mie­niu

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:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa