domenica 20 dicembre 2015

Science please! La chimica dei fuochi d'artificio



[Video collaborazione - Andate a iscrivervi anche al suo canale (-: ]

Buongiorno a tutti: torno a girare questo video dopo un piccolo periodo d'assenza, periodo però durante il quale ho avuto alcuni contatti e, da questi contatti nasceranno alcune collaborazioni interessanti per questo canale, che "trasmetterà" delle nuove puntate anche attraverso un nuovo media. Non posso ancora spoilerarvi niente, ma si parlerà - comunque - di gennaio 2016, quindi tra pochissimo, e per non perdervi queste novità vi invito - ovviamente - a rimanere sintonizzati e iscrivervi al canale.
E - sempre a proposito di anno nuovo - ho pensato, per questo video, di trattare come argomento i fuochi d'artificio.
[♪♫♪]
Il mondo dei fuochi d'artificio e delle "arti pirotecniche" è un mondo molto vasto. Ciò che, però, caratterizza tutti questi strumenti è la presenza di polvere da sparo compressa.
Questa polvere da sparo, bruciando, esplode con il caratteristico scoppio dei fuochi d'artificio.
Le componenti principali di tutti i fuochi d'artificio sono tre: il primo è l'accenditore elettrico, che permette quindi di accendere il fuoco da distanza di sicurezza.
Il secondo è la spoletta, che altro non è che un temporizzatore: quindi il fuoco d'artificio viene acceso, la "prima" esplosione serve per lanciare il fuoco fuori dal mortaio di lancio, questo «temporizzatore» (quindi questa spoletta) brucerà in un determinato tempo, deciso ovviamente dal costruttore a priori; una volta che sarà bruciata completamente la spoletta, avverrà la "seconda" esplosione, che è quella che noi vediamo - appunto - in cielo.
Terzo componente sono le "stelle", ossia dei piccoli scompartimenti dove c'è della polvere da sparo pressata, mescolata con diverse altre sostanze. E sono proprio queste sostanze che - bruciando insieme alla polvere da sparo, danno il caratteristico colore (e persistenza in aria) di quel particolare fuoco artificiale.
Ed è proprio qui che interviene la chimica, anche se già di per sé - ovviamente - l'esplosione e la combustione sono processi analizzabili da un punto di vista fisico o chimico.
Ma secondo me la cosa davvero interessante è proprio come, mescolando diversi composti (diversi elementi) alla polvere da sparo, possiamo ottenere colori, forme e esplosioni differenti.
Forse qualcuno si ricorda di aver fatto un esperimento - magari alle scuole superiori - chiamato «saggio alla fiamma»: tipicamente viene fatto ponendo un materiale solido (tipicamente in polvere) sopra un fornellino Bunsen.
Ecco: quello che avviene all'interno di un fuoco d'artificio, più o meno, è la stessa cosa. Questo fenomeno è dovuto proprio alla struttura atomica degli elementi che vengono mescolati con la polvere da sparo.
Infatti tutti gli atomi (di qualsiasi elemento della tavola periodica) hanno, al centro, la maggior parte della massa atomica, che è costituita dai neutroni (quindi una parte con una carica «neutra», quindi tecnicamente senza carica) e dai protoni (che è la parte dell'atomo con una carica positiva).
Attorno questa struttura, attorno al nucleo, ruotano gli elettroni, che sono quella parte dell'atomo che ha una massa un po' più piccola, ma una carica «negativa», opposta a quella dei protoni.
Ebbene, questi elettroni ruotano attorno all'atomo, ma non ruotano proprio "a caso": se dovessimo fare un paragone, potremmo pensare un po' al "centro" (al nucleo dell'atomo) come il sole e i pianeti che ruotano attorno al sole. Ovviamente non è corretto dal punto di vista delle proporzioni tra le masse e le dimensioni del nucleo e degli elettroni, ma questo esempio è molto comodo a livello teorico perché gli elettroni, proprio come i pianeti, non si muovono "a caso" attorno al nucleo, ma stanno in una zona particolare, e seguono delle determinate orbite: in chimica vengono chiamate proprio «orbitali elettronici», quindi lo spazio dove girano gli elettroni.
Questi orbitali hanno molte caratteristiche, ciò che contraddistringue, però, tutti gli orbitali è che gli orbitali più vicini al nucleo (quindi con gli elettroni che sono vicini al centro del nucleo) hanno un'energia "inferiore" rispetto agli orbitali più distanti.
Sempre per fare un altro esempio, pensiamo di essere noi un elettrone e di dover girare attorno a un nucleo in un orbitale molto vicino, per esempio poniamo un pallone al centro di un campo: immaginiamo di essere nel primo orbitale e ruotiamo a una distanza di un metro attorno al pallone. Per fare un giro ci servirà una determinata quantità di energia.
Se invece che essere sul primo orbitale, fossimo sul quarto orbitale (quindi ci mettiamo a una distanza di quattro metri dal nostro pallone) e giriamo attorno al nostro pallone, sempre mantenendo la distanza di quattro metri, ovviamente per fare un giro ci servirà più energia.
Ecco: pressapoco la stessa cosa accade anche negli elettroni, negli orbitali elettronici.
Cosa c'entra tutto ciò con le esplosioni dei fuochi artificiali? C'entra, perché nel momento in cui avviene l'esplosione, il calore che si sviluppa con l'esplosione fornisce energia ai nostri elettroni, che sono la parte più esterna dell'atomo, e la prima che può assorbire energia - quindi - dall'esterno (in questo caso energia termica).
Questa energia fa in modo che gli elettroni dal loro orbitale (per esempio nr. uno) riusciranno ad avere abbastanza energia per spostarsi di uno, o di due, o di più orbitali, e andare nel numero due, o nel numero tre. Quindi ruotare a una distanza maggiore dal centro dell'atomo.
Tutto ciò, però, dura davvero molto molto poco tempo e, una volta che questo elettrone ha perso questa energia arrivata attraverso il calore (energia termica), tornerà nel proprio orbitale.
Per stare però all'interno di un orbitale, serve un energia ben definita, per esempio: mettiamo conto che per girare nell'orbitale più vicino al nucleo serva una quantità pari a 10 di energia (senza unità di misura, per semplicità).
Nell'orbitale numero due, ne servirà 20. Questo significa che quando l'elettrone passerà da energia 20 a 19: "Ehi: non è sufficiente quel 19 per stare nell'orbitale numero due!" e passerà all'orbitale numero uno. Passerà all'orbitale numero uno, dove gliene bastano però 10 di energia; e questi nove in più, cosa se ne fa? Se ne libera: se ne sbarazza attraverso un'emissione (energetica) non più di energia termica, ma libererà questa energia in eccesso attraverso energia luminosa, quindi attraverso luce, che è un'altra forma in cui può essere - appunto - liberata questa energia.
E il modo in cui libererà questa energia dipenderà dal tipo e dalla natura chimica dell'elettrone, ed è proprio quella luce che caratterizza i diversi colori nel nostro saggio alla fiamma e i diversi colori nell'esplosione.
Quindi ciascun elettrone emetterà questa energia in eccesso quando retrocede di un livello con un modo (e un colore) caratteristico di quel tipo di atomo. E quindi ciascun elemento emette una luce (e quindi un colore) differente dagli altri.
Questo è un fenomeno che avviene molto velocemente, quindi appena viene fornito calore gli elettroni passano all'orbitale più energetico (si dice che passano ad uno stato "eccitato") e poi retrocedono al loro orbitale di partenza.
Ovviamente finché teniamo il materiale sulla fiamma del becco Bunsen, allora continiamo a vedere questo fenomeno, perché questi elettroni continuano a fare avanti e indietro. Con l'esplosione il fenomeno s'interrompe appena l'energia termica (generata appunto dall'esplosione) non è più sufficiente a far fare agli elettroni questo passaggio di orbitali.
Quindi conoscendo bene la chimica dei diversi composti, i costruttori di fuochi d'artificio possono scegliere il colore da attribuire a quella particolare esplosione.
Prima di salutarvi ho alcuni appunti. Innanzi tutto i fuochi d'artificio (così come i petardi) al di là della chimica, per essere utilizzati bene il segreto è avere sempre, sempre, molto buon senso. Vi chiederei inoltre di considerare, durante i festeggiamenti di fine anno (e di inizio anno nuovo) di considerare sempre chi vi sta attorno, e cosa vi sta attorno: in particolare di fare attenzione a persone piccole o bambini e animali domestici, che potrebbero non gradire l'esplosione (è un rumore così forte) vicino a loro.
Altra cosa che vorrei segnalarvi è il video del mio amico Grizzly, che sta proprio affrontando dal punto di vista sociale e culturale l'arte della pirotecnica e la diffusione dei petardi e in particolare proprio dei fuochi artificiali nelle diverse realtà italiane e anche internazionali.
Quindi se vi va di dare uno sguardo un po' più «a tutto tondo» su questa tradizione (devo dire molto antica) vi consiglio davvero vivamente di andare a fare un giro sul suo canale. Vi lascio qui il link al suo canale, e anche nella descrizione sotto il video.
Direi che per questo video è tutto, vi ringrazio per l'attenzione e ci vediamo l'anno prossimo: buon anno!

0 commenti: