Crear toda la multiplicidad de colores que observamos cuando estallan los fuegos artificiales es una tarea muy compleja, que requiere de un arte considerable y de la aplicación de conocimientos que corresponden a las ciencias física y química. Excluyendo los propulsores o los efectos especiales, esos hermosos puntos de luz expulsados por los fuegos artificiales, a menudo denominados «estrellas», generalmente requieren de un agente oxidante (sustancia que aporte oxígeno), una sustancia combustible, un aglutinante (para mantener todos los componentes juntos donde deben estar) y una sustancia productora del color, también llamada colorante.
Hay dos mecanismos principales de producción del color en los fuegos artificiales: la incandescencia y la luminiscencia. Veamos de qué se trata cada uno.
Incandescencia
La incandescencia es el fenómeno de emisión de luz producida a partir de calor (más bien energía térmica) aplicado sobre una sustancia. El calor hace que la sustancia se caliente, esto es, que su temperatura vaya aumentando y llegue al punto de comenzar a brillar. Pensemos en una barra de metal (un trozo de alambre, por ejemplo) que colocamos sobre la llama de una hornalla de cocina, inicialmente no observamos nada en particular, pero a medida que se va calentando ligeramente y sin haber cambiado su aspecto, comienza a emitir luz infrarroja, que no es detectada por nuestros ojos. Cuando el calentamiento es más intenso y su temperatura más alta, observamos que el alambre comienza a mostrar una coloración definida, esto se debe a que ahora está emitiendo luz que nuestros ojos pueden percibir como colores. La emisión de luz del alambre calentado inicialmente comprende al color rojo, luego naranja, amarillo y finalmente blanca, a medida que se vuelve cada vez más caliente. Cuando observamos ésta última situación, que a menudo se le llama “calentamiento al rojo-blanco”, el metal está emitiendo simultáneamente luz de todos los colores de nuestro espectro visible, y por ello la observamos blanca, es decir, sin ningún color particular. Otro ejemplo de emisión de luz por incandescencia muy conocido es el de las “viejas” lamparitas con filamento, actualmente reemplazadas por las lámparas de “bajo consumo”. En este caso, el pasaje de corriente eléctrica a través del muy delgado filamento de tungsteno produce una elevación de la temperatura a más de 3.000°C, condición en donde el metal emite intensamente luz de todos los colores simultáneamente, es decir, luz blanca.
Cuando se controla la temperatura de un fuego artificial, el brillo de sus componentes, como el carbón, se puede manipular para que tenga la temperatura, y por lo tanto el color, deseado y en el momento adecuado. Los metales, como el aluminio, el magnesio y el titanio en forma de finos polvos, se queman muy intensamente desprendiendo gran cantidad de energía y son útiles para aumentar la temperatura de otros componentes en los fuegos artificiales. Pero, ¿cómo es ésto de que un metal “se quema”? Es interesante aclarar que muchos metales en forma de polvo cuando son calentados moderadamente, reaccionan muy rápidamente con el oxígeno del aire en una reacción que desprende mucha energía (altamente exotérmica) y que da por resultado el óxido del metal. Aunque cueste creerlo, este tipo de reacción es la combustión o “quemado” del metal, por similitud a la conocida combustión del carbón o la madera. En este proceso hay emisión de luz por incandescencia.
Luminiscencia
La luminiscencia es la luz producida por una sustancia utilizando fuentes de energía distintas del calor. A veces, la luminiscencia se llama «luz fría» porque puede ocurrir que se produzca a temperatura ambiente, inclusive a temperaturas más bajas. Para que una sustancia pueda producir luminiscencia, un electrón dentro de un átomo o molécula de la sustancia debe absorber energía, lo que hace que se excite o “salte” a ubicarse en niveles de energía electrónicos más altos. En los fuegos artificiales, la energía necesaria para la excitación del electrón es suministrada por el calor producido en la combustión de alguno de sus otros componentes, por ejemplo, la pólvora.
Imagen de granos de pólvora dentro de la vaina de un proyectil
Sin embargo, esta situación de un electrón energéticamente excitado dentro de un átomo, es inestable, teniendo tiempos de duración en el orden de las mil millonésimas de segundo. Cuando el electrón vuelve a un estado de menor energía, la energía en exceso (esto es, la diferencia entre las energías absolutas de los dos estados) se libera en forma de luz, entendiendo a la luz ya sea como una onda de radiación electromagnética o bien como una partícula de energía o fotón. La energía del fotón o determina la longitud de onda o color que se emite. Las sustancias más adecuadas para producir este efecto de emisión de luz dentro del espectro de longitudes de onda que nuestros ojos pueden apreciar (los colores del espectro visible) son las sales inorgánicas de algunos metales tales como el litio, sodio, bario, calcio y estroncio, entre otros.
Imagen de la ubicación del espectro visible al ojo humano, dentro del espectro completo de las radiaciones electromagnéticas.
Calidad de los ingredientes de los fuegos artificiales
Los colores puros requieren ingredientes puros. Incluso pequeñas cantidades de impurezas, como por ejemplo de sodio (que emite luz de color amarillo-naranja) son suficientes para superponerse o alterar otros colores. Se requiere una formulación cuidadosa de todos los ingredientes, ya que demasiado humo o residuos de la combustión necesaria para producir la energía de excitación, pueden enmascarar el color emitido por las sales de metales. Con los fuegos artificiales, como con otras cosas, el costo a menudo se relaciona directamente con la calidad de los componentes químicos. La habilidad del fabricante para la buena preparación de la fórmula exacta de los ingredientes (a menudo celosamente guardada de generación en generación) y el tenerlos almacenados solo durante cortos tiempos, determinan en gran medida la buena calidad del espectáculo final, o de su fracaso!.
Tabla de sustancias colorantes en los Fuegos Artificiales
En la tabla siguiente presentamos un breve resumen de algunas sustancias que producen colores característicos en los fuegos artificiales.
| Color | Compuesto químico |
| Rojo | Sales de estroncio, sales de litio Carbonato de litio, Li2CO3: rojo Carbonato de estroncio, SrCO3: rojo brillante |
| Naranja | Sales de calcio Cloruro de calcio, CaCl2 Sulfato de calcio, CaSO4·xH2O, donde x = 0, 2, 3, 5. |
| Oro | Incandescencia de partículas de hierro (con carbono), carbón o negro de humo. |
| Amarillo | Compuestos de sodio nitrato de sodio, NaNO3 criolita, Na3AlF6 |
| Blanco intenso | Partículas de metales calentadas al blanco, como magnesio o aluminio oxido de bario oxide, BaO |
| Verde | Compuestos de bario + productor de cloro cloruro de bario, BaCl+: verde brillante |
| Azul | Compuestos de cobre + productor de cloro acetoarsenito de cobre (Verde Paris), Cu3As2O3Cu(C2H3O2)2: azul cloruro de cobre(I), CuCl: azul turquesa |
| Púrpura | Mezcla de compuestos de estroncio (rojo) y cobre (azul) |
| Plateado | Quemado de partículas o escamas de aluminio, titanio o magnesio. |
Imágenes de soluciones alcohólicas ardiendo, en donde cada una tiene disuelta una sal metálica diferente.
De izquierda a derecha: sal de estroncio (rojo brillante), de sodio (amarillo), de calcio (anaranjado), de bario (verde y verde brillante) y de cobre (azulada).
Secuencia de eventos en la generación de fuegos artificiales
El hecho de simplemente empaquetar todos los productos químicos colorantes junto con la carga explosiva, produciría un fuego artificial muy poco atractivo. Es necesario diseñar y preparar cada fuego artificial de una forma muy cuidadosa en forma de un cartucho, para que se eleve, luego estalle y finalmente produzca el espectáculo de color.
Hay una secuencia de eventos que conducen a una exhibición hermosa y colorida. Al encender la mecha, se enciende la carga de elevación, que impulsa los fuegos artificiales hacia el cielo. La carga de elevación puede ser pólvora negra o alguno de los propulsores modernos. Esta carga se va quemando dentro de un espacio confinado, empujando todo el cartucho hacia arriba a medida que el gas caliente producido en la combustión es forzado a salir a través de una abertura estrecha.
La mecha continúa ardiendo, pero con un retraso de tiempo para llegar al interior del cartucho. El cartucho está repleto de estrellas que contienen paquetes de sales metálicas y material combustible. Cuando la mecha llega a la estrella, los fuegos artificiales ya están muy por encima de la multitud de espectadores. La estrella explota, liberando la energía necesaria para estimular a los compuestos químicos elegidos, y de este modo permitiendo la producción de luces de colores brillantes a través de una combinación de incandescencia por calor y luminiscencia de emisión.
Componentes químicos en los fuegos artificiales
Los principales componentes químicos con participan en la fabricación de los diversos fuegos artificiales son los siguientes:
Aluminio: se utiliza para producir llamas y chispas plateadas y blancas. Es un componente común de las bengalas.
Antimonio: se usa para crear efectos de brillo de fuegos artificiales.
Azufre: es un componente de la pólvora negra. Se encuentra en el propulsor/combustible de los fuegos artificiales.
Bario: se usa para crear colores verdes en los fuegos artificiales y también puede ayudar a estabilizar otros elementos volátiles.
Calcio: se usa para profundizar los colores de los fuegos artificiales. Las sales de calcio producen fuegos artificiales de color naranja.
Carbono: es uno de los principales componentes de la pólvora negra, que se utiliza como propulsor en los fuegos artificiales. El carbono proporciona el combustible para los fuegos artificiales. Las formas comunes incluyen negro de humo, azúcar o almidón.
Cloro: es un componente importante de muchos oxidantes en los fuegos artificiales. Varias de las sales metálicas que producen los colores contienen cloro.
Cobre: los compuestos de cobre producen colores azules en los fuegos artificiales.
Estroncio: las sales de estroncio imparten un color rojo a los fuegos artificiales. Los compuestos de estroncio también son importantes para estabilizar las mezclas de fuegos artificiales.
Fósforo: el fósforo elemental se quema espontáneamente en el aire y también es responsable de algunos efectos de brillo en la oscuridad. Puede ser un componente del combustible de un fuego artificial.
Hierro: se utiliza para producir chispas. El calor del metal determina el color de las chispas.
Litio: es un metal que se utiliza para impartir un color rojo a los fuegos artificiales. El carbonato de litio, en particular, es un colorante común.
Magnesio: se quema con un blanco muy brillante, por lo que se usa para agregar chispas blancas o mejorar el brillo general de los fuegos artificiales.
Oxígeno: los fuegos artificiales incluyen agentes o sustancias oxidantes, que son sustancias que producen oxígeno para que se produzca la combustión. Los oxidantes suelen ser nitratos, cloratos o percloratos. A veces se utiliza la misma sustancia para proporcionar oxígeno y color.
Potasio: ayuda a oxidar las mezclas de fuegos artificiales. El nitrato de potasio, el clorato de potasio y el perclorato de potasio son oxidantes importantes.
Sodio: imparte un color dorado o amarillo a los fuegos artificiales, sin embargo, el color puede ser tan brillante que enmascara los colores menos intensos.
Titanio: el metal de titanio se puede quemar como polvo o escamas para producir chispas plateadas.
Zinc: El zinc se utiliza para crear efectos de humo para fuegos artificiales y otros dispositivos pirotécnicos.
Videos de fuegos artificiales, su composición y funcionamiento:
