Tradycją nocy sylwestrowej są rozświetlające niebo wielokolorowe fajerwerki, a także bardziej kameralne zimne ognie. Dla ścisłości warto podkreślić, że słowo „fajerwerki”, pochodzące od niemieckiego „Feuerwerk” ma dwojakie znaczenie – oznacza zarówno wyroby pirotechniczne, jak i efekty ich odpalenia. W poniższym opracowaniu słowo to będzie funkcjonować w obu tych znaczeniach.

Nieco o historii fajerwerków

Początki historii fajerwerków sięgają czasów panowania dynastii Han w Chinach około 200 r. p.n.e., gdy praktykowano zwyczaj prażenia bambusów dla wywoływania huku mającego odstraszać złe duchy, co odpowiada efektowi wywoływanymi przez współczesne petardy. Efekt akustyczny był więc ceniony bardziej niż wizualny. Z tamtych czasów pochodzi też, spisana przez alchemika Ge Honga, receptura otrzymywania prochu strzelniczego, w skład którego wchodziła saletra (azotan), żywica sosnowa i węgiel drzewny.

W IV wieku naszej ery Chińczycy wytwarzali już prymitywne wybuchowe rakiety, a ich technologia została udostępniona światu arabskiemu w VII wieku. Stopniowo powstawały więc fajerwerki dające różne efekty optyczne, dzięki czemu wykorzystywano je w coraz większym stopniu jako atrakcję przy świętowaniu różnych ważnych życiowych wydarzeń, np. w VI wieku fajerwerki towarzyszyły modlitwom o szczęście i pomyślność (…)

W Europie największy i najbardziej twórczy wkład wnieśli w tej materii Włosi, propagując pokazy i rozwijając przemysł pirotechniczny. Godny uwagi włoski pokaz sztucznych ogni został odnotowany w Vicenzie we Włoszech w 1379 roku. W XV wieku były już powszechnie wykorzystywane we Włoszech, skąd w XVI i XVII wieku rozprzestrzeniły się na Anglię, Francję i inne kraje europejskie.

Jako symboliczną datę wielkich brytyjskich pokazów sztucznych ogni przyjęto 5 listopada każdego roku dla upamiętnienia dnia, w którym w 1605 roku Guy Fawkes próbował wysadzić budynki angielskiego parlamentu za pomocą prochu strzelniczego zakopanego w piwnicy. Godne uwagi jest to, że pierwsza wzmianka o fajerwerkach w Polsce pochodzi z 1566 roku, a dokładniej dotyczy ona dnia urodzin Zygmunta III Wazy (20 czerwca).

W XVII wieku używanie fajerwerków stało się popularne już w całej Europie – uświetniano nimi królewskie i dworskie uroczystości, zwycięskie bitwy, święta religijne. Polska szlachta również upodobała sobie pokazy fajerwerków, które towarzyszyły wielu XVIII-wiecznym dworskim uroczystościom. Jeden z najważniejszych pokazów pirotechnicznych towarzyszył elekcji Stanisława Augusta Poniatowskiego na króla Polski, która miała miejsce 15 września 1781 roku.

Z kolei w Stanach Zjednoczonych fajerwerki stały się popularne dopiero w XIX wieku, początkowo jako element mający uatrakcyjnić świętowanie Dnia Niepodległości 4 lipca. Należy odnotować krótki, zaledwie 3-minutowy pokaz pirotechniczny w Polsce, zorganizowany w 1918 roku, kilka dni po odzyskaniu niepodległości.

Niezależnie od przeznaczenia, jednym z ważnych elementów takich konstrukcji jest lont, za pomocą którego można kontrolować czas odpalenia fajerwerków. W stosowanych po raz pierwszy w Chinach racach użyto w tym celu czarnego prochu (stosowanego potem w Europie jako dymny proch strzelniczy).

W czasach nowożytnych, aż do roku 1965 do odpalania rac i innych ładunków tego typu używano lontu pirotechnicznego, o stałym czasie spalania. Czas odpalenia kolejnych petard regulowano więc używając lontu o odpowiednio dobranej długości. Od 1965 roku do odpalania sztucznych ogni używa się elektrycznych zapłonników pozwalających na dużo lepszą kontrolę czasu odpalania oraz zwiększających bezpieczeństwo obsługi technicznej pokazów (odpalanie może odbywać się z większej odległości i nie ma ryzyka zamoknięcia lontu).

W XX wieku amerykański naukowiec Robert Hutchings Goddard zamienił paliwo stałe w fajerwerkach na system paliw płynnych, stając się także pionierem nowoczesnej technologii rakiet kosmicznych. Zauważono ponadto, że umieszczenie mieszaniny pirotechnicznej w pojemnikach o różnych kształtach daje odmienne efekty błysku i odgłosu. Obecnie stosuje się bardziej widowiskowe i zaawansowane technologicznie środki pirotechniczne. Ponadto producenci fajerwerków wprowadzają do mieszanin wybuchowych nowe substancje chemiczne i coraz bardziej wyrafinowane sposoby ich rozmieszczania.

Jak wiele wynalazków, tak i fajerwerki stały się częścią przemysłu pirotechnicznego, opanowanego w dużym stopniu przez wojsko. Fajerwerki wykorzystywane były i są w celach bojowych i operacjach wojskowych – do oświetlania pola walki, sygnalizacji, maskowania oraz wzniecania ognia.

Konstrukcja fajerwerków, czyli dlaczego wznoszą się ku niebu

Fajerwerk jako konstrukcja jest w istocie odpowiednio zaprojektowanym pociskiem, który do zapłonu mieszanki wybuchowej potrzebuje wstępnego dostarczenia energii dla pokonania energii aktywacji zachodzących reakcji, które następnie zachodzą samorzutnie z wydzieleniem dużych ilości energii.

Zasadniczo każdy fajerwerk zbudowany jest z pięciu głównych części, zestawionych w sposób pozwalający na efektowne wystrzelenie takiego pocisku w przestrzeń. Konstrukcja fajerwerku to – kij („ogon”),  zapalnik, ładunek wybuchowy, wypełnienie zapewniające atrakcyjne efekty wizualne, i „głowa”.

Zapalnik (płomieniowy lub elektryczny) powoduje nie tylko zapłon głównej części fajerwerku (ładunku wybuchowego), ale także zapala lonty, które doprowadzają z niewielkim opóźnieniem do eksplozji substancji odpowiedzialnych za barwne, dodatkowe efekty.

Ładunek, którego spalanie jest źródłem siły napędowej tej konstrukcji, jest zwykle prostym materiałem wybuchowym, który powoduje, że fajerwerk może być wystrzelony na wysokość nawet kilkuset metrów z prędkością sięgającą kilkuset kilometrów na godzinę. Rolę ładunku pełni zwykle ciasno upakowany, gruboziarnisty proch strzelniczy (czarny proch) o tradycyjnym składzie: mieszanka azotanu(V) potasu (75%), z węglem drzewnym (15%) i siarką (10%). W nowoczesnych fajerwerkach często używa się bezsiarkowego prochu, z dodatkiem innych substancji chemicznych.

Najbardziej widowiskowa część pokazu ma miejsce, gdy fajerwerk znajduje się już na bezpiecznej wysokości i poszczególne komory efektowe są odpalane przez małe lonty, zapalające się z opóźnieniem od głównego lontu. W zależności od sposobu upakowania w „głowie” komór efektowych obserwujemy wtedy eksplozję gwiazd albo wystrzelenie dużej ilość wtórnych mini-fajerwerków w różnych kierunkach, co powoduje kolejną serię mniejszych eksplozji w określonej sekwencji. ‘Głowa’ ma często kształty spiczastego stożka, co sprawia, że fajerwerk ma optymalny kształt aerodynamiczny i dzięki temu może osiągać większą prędkość.

Chemia fajerwerków

Zjawiska fizyczne towarzyszące fajerwerkom wynikają z bardzo szybkich reakcji chemicznych między składnikami odpowiednich mieszanin. W tradycyjnych fajerwerkach stałe związki chemiczne znajdujące się wewnątrz fajerwerku ulegają spaleniu przekształcając się w inne związki lotne i stałe, a widocznym tego efektem jest wydzielający się dym i gazy spalinowe: mieszanina dwutlenku węgla, tlenku węgla, azotu i innych produktów zachodzących reakcji.

Z kolei efektowne barwy powstają dzięki zastosowaniu soli odpowiednich metali. Jak wiadomo, lotne sole niektórych pierwiastków, wprowadzone do płomienia palnika, zabarwiają go na odpowiedni kolor i ten efekt wykorzystuje się również w fajerwerkach. Niekiedy wykorzystuje się także barwniki organiczne.

Konstrukcyjna specyfika fajerwerków powoduje, że muszą one zawierać 6 zasadniczych składników w odpowiednich proporcjach. Są to: paliwo, czynnik utleniający, czynnik redukujący, związki barwiące, regulatory i spoiwo (…)

Więcej przeczytacie w artykule Joanny Kurek „Huczny i roziskrzony nadchodzący Nowy Rok, czyli o fajerwerkach” w najnowszym wydaniu (6/2021) „Chemii w Szkole”