La pólvora es un material altamente explosivo que fue descubierto por alquimistas chinos durante el siglo VIII. Los alquimistas eran el equivalente a los químicos actuales; sin embargo, su enfoque y área de trabajo se centraba en encontrar la piedra filosofal (artefacto que se pensaba que podía transformar los metales comunes en oro) o el elixir de la eterna juventud. A pesar de que el descubrimiento de la pólvora fue un accidente, inmediatamente se le encontraron varias utilidades; entre ellas, una de nuestras favoritas: los fuegos artificiales.
No es ningún secreto el amor que le tenemos los humanos a ver estas increíbles luces coloridas en el cielo desde sus primeras apariciones en cielos chinos en el siglo IX hasta la actualidad. México y Estados Unidos siguen teniendo un enorme mercado de fuegos artificiales por su popularidad en las celebraciones y días festivos como en nuestros respectivos días de la independencia y podemos decir que su uso se ha convertido en una parte fundamental de nuestra cultura. La elaboración de estos artefactos tiene mucha ciencia, pero no todos saben a qué debemos estas hermosas explosiones coloridas. Cada uno de los colores se debe al uso de un elemento o compuesto distinto, pero ¿qué es lo que hace que cada uno de estos materiales emita estos colores específicos? Como ya se acostumbra en esta sección, la respuesta está oculta en la química de estos materiales.
Cada uno de los elementos químicos tiene la capacidad de absorber energía para después liberarla en forma de luz que se encuentra dentro del espectro atómico, y por ello, el color de luz que emita cada elemento será distinto. Un claro ejemplo sobre la luz que liberan los materiales cuando se les aplica energía son los focos incandescentes, los cuales tienen un alambre de tungsteno en su interior que, al recibir energía eléctrica, empieza a brillar intensamente. Otro caso cotidiano es lo que sucede al calentar un metal hasta que comience a brillar, a lo que denominamos estar “al rojo vivo”.
Normalmente, los materiales de uso cotidiano en fuentes de luz emiten los colores rojo, amarillo o blanco; sin embargo, se puede obtener luz de otros maravillosos colores utilizando otros elementos. Por ejemplo, las sales de calcio [Ca] emiten naranja, los compuestos con bario [Ba] emiten verde pálido, materiales con cobre [Cu] emiten verde intenso, mezclas de estroncio [Sr] y cobre emiten morado o color escarlata, el aluminio [Al] y el titanio [Ti] emiten gris, las sales de estroncio y litio [Li] emiten rojos intensos y las de sodio [Na] luz amarilla.
Ahora que ya sabemos que cada átomo emite un tipo distinto de luz, ¿qué es lo que cada uno tiene de especial para lograr que eso suceda? Esta explicación es para todos aquellos que permanecen curiosos, científicos de corazón, y para los amantes de aprender cosas nuevas. Como ya todos sabrán, los átomos están compuestos por protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones están en el núcleo del átomo, mientras que los electrones los rodean en distintas órbitas (como si fueran pequeñas lunas orbitando un planeta a grandes velocidades). Cuando se le aplica energía a un átomo, los electrones son los que generalmente la absorben. Sin embargo (y aquí es donde está lo interesante), los electrones sólo aceptan energía en cantidades específicas. Esto quiere decir que, únicamente cuando le proporcionas la cantidad de energía que requiere, la absorberá toda al mismo tiempo. Es como comprar en el mercado con una persona que no fía. No puedes irle dando pagos pequeños que se acumulen, tienes que pagarle todo el producto. Así, de la misma manera, tienes que darle toda la energía mínima que requiere un electrón para que éste pueda absorberla. Y así como existen distintos productos de distintos precios en un mercado, también existen distintos tipos de electrones que absorben diferentes cantidades mínimas de energía dependiendo del átomo al que pertenezcan.
Una vez que el electrón tiene energía acumulada, se encuentra en un estado excitado que es inestable, por lo que el electrón buscará liberar la energía recibida para regresar a su estado energético original. La manera más común que tiene el electrón para deshacerse de esta energía extra es liberándola mediante pequeñas emisiones de luz (fotones). Pero, así como solo puede absorber energía en cantidades específicas, sólo puede liberarla en estas mismas cantidades. Esto quiere decir que la energía de la luz emitida tendrá el mismo valor que la energía que absorbió el electrón en un principio. La cantidad de energía en esta transacción es la que definirá el color. Si relacionáramos los colores a la gama que se observa en los arcoíris, a mayor energía del fotón estará más cerca del morado, mientras que, a menor energía, estará más cerca del rojo.
Pero ¿qué tiene que ver toda esta explicación con los fuegos artificiales y la pólvora? El interior de los fuegos artificiales contiene pólvora y sales de distintos metales. La pólvora es un material que genera grandes explosiones, por lo que es capaz de liberar grandes cantidades de energía en poco tiempo. Esta energía es absorbida por los átomos de las sales del interior de los fuegos artificiales cuando se lleva a cabo la explosión, y mientras se extienden en el cielo por la fuerza expansiva del estallido, la energía internalizada por estas sales ahora es liberada rápidamente en forma luminosa en los colores que le corresponden a cada material.
Para que esto funcione, se carga una cápsula con dos cámaras; la primera carga contiene la pólvora y otros compuestos que ayudan a impulsar el proyectil hacia arriba, y la segunda, la combinación de sales y pólvora comprimida que al explotar genera los hermosos destellos. A la segunda cámara se le pueden dar distintas formas, pero la más característica es la forma de esfera que hace que los destellos tengan forma de domo. Gracias al conocimiento sobre las propiedades energéticas de cada átomo, nos es posible disfrutar de estos grandes espectáculos con los que encendemos nuestras festividades. Esperemos que en este Año Internacional de la Tabla Periódica no falten los fuegos artificiales para celebrar a la ciencia y a todos los que a lo largo de los años han contribuido a su desarrollo.
Si aún tienes curiosidad, puedes realizar un pequeño ensayo a la llama con un mechero, un asa bacteriológica y muestras de los siguientes compuestos: Li2CO3, CaCO3, NaCl, Na2B4O7, CuSO4, CuCO3, KCl, Mg y limadura de hierro. Recuerda utilizar gafas de seguridad y una bata de manga larga. Solo debes tomar un poco de la muestra con el asa bacteriológica y sostenerla dentro de la flama para observar su color. Asegúrate de que el asa esté limpia en cada ensayo para que los colores no se opaquen por la contaminación y cuéntanos qué observaste en nuestras redes sociales catalyst_acschapter (Instagram) y @studentchaptercatalyst (Facebook).
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