Fuochi d’artificio: chimica e fisica più download normativa di riferimento

Per parlare di fuochi d’artificio non possiamo che iniziare dalla polvere da sparo. Si tratta di una miscela contenente: carbone (C), nitrato di potassio (KNO3) e zolfo (S). Per effetto dell’innesco della combustione, i composti anzidetti reagiscono in un processo esotermico portando alla formazione di carbonato di potassio (K2CO3), solfato di potassio (K2SO4), solfuro di potassio (K2S), carbonato di ammonio ((NH4)2CO3), oltre a un insieme di gas tra cui anidride carbonica (CO2), azoto molecolare (N2), idrogeno molecolare (H2), acqua (H2O), acido solfidrico (H2S) e metano (CH4),

Se la polvere da sparo viene compressa in un volume piccolo, per esempio un tubo, la reazione di combustione non produce solo calore. Infatti, la rapida espansione dei gas anzidetti produce anche un forte rumore che noi siamo abituati a chiamare “botto”. Se la polvere da sparo viene miscelata con i sali di metalli quali il titanio, il calcio, il litio, l’antimonio, il sodio, il rame, il bario etc. all’esplosione, dovuta alla rapida espansione dei gas, si associa anche una colorazione dovuta al fatto che, grazie alle alte temperature raggiunte durante la reazione, i metalli anzidetti emettono luce che noi percepiamo con i tipici colori che tanto ci piacciono.

Il composto pirotecnico
Con “composto pirotecnico” si intende un miscuglio di materie, che in caso di combustione, emette
energia producendo l’effetto desiderato. Possono essere effetti luminosi, scintille, fischi, scoppi,
fumo, pressione o un movimento. Nel corpo del fuoco d’artificio possono essere utilizzati vari
composti pirotecnici che provocano diversi effetti. Gli elementi principali di un composto sono:
Comburenti (contengono ossigeno)
Se scaldati rilasciano ossigeno, necessario per la combustione in assenza d’aria.
I principali comburenti sono:
– nitrati: (salnitro) nitrato di potassio, nitrato di sodio, nitrato di stronzio, nitrato di bario e nitrato
d’ammonio.
– clorati: clorato di potassio, clorato di bario
– perclorati: perclorato di potassio, perclorato d’ammonio
– ossidi: ossido ferrico, ossido rameico, minio, diossido di manganese
– perossidi: clorato di potassio)
Combustibili
Questi apportano energia, producono calore, luce e gas
I principali combustibili sono:
– non-metalli: carbone di legna, zolfo, silicio, boro,
– composti organici: zucchero, amido, resina naturale, sali dell’acido benzoico, resina
artificiale, salicilato, ecc.
– metalli: magnesio, alluminio, leghe di alluminio e magnesio (“Magnalium”), titanio, ferro, zinco,
zirconio, ecc.
– solfuri metallici: solfuro di antimonio)
Coadiuvanti
– agglutinanti: la resina naturale e quella artificiale trasformano il composto di polvere in un
corpo solido.
Esempio d’applicazione: testa del fiammifero, cometa, stella, ecc.
Classi di sostanze utilizzate: amido, gomma arabica, gomma acaroide, colofonia, scialacca,
gelatina
Polimeri: epossidico, poliuretano e altre resine artificiali
– coloranti: miscelando i seguenti elementi la fiamma si colora come indicato di seguito:
Sodio Na dà una colorazione gialla
Calcio Ca dà una colorazione arancione
Stronzio Sr dà una colorazione rossa
Bario Ba dà una colorazione verde
Rame Cu dà una colorazione blu
Mescolando questi elementi è possibile creare anche tonalità intermedie come il viola, verde
acqua, turchese, verde-giallo, ecc.
Per le miscele si utilizzano principalmente carbonati, nitrati, ossalati e solfati. I nitrati e i clorati hanno allo stesso tempo un effetto ossidante e colorante.

– catalizzatori: grazie a questi è possibile rallentare o accelerare la velocità di combustione di
un composto.
Esempio: Il fuoco del bengala viene ad esempio rallentato con un catalizzatore mentre per un composto di
scoppio con lampo viene accelerato.

Esempio: composto di polvere nera
L’esempio più noto di composto pirotecnico è sicuramente la polvere nera, che deve essere
giustamente descritta come l’avo e la “regina” dei composti pirotecnici. Già migliaia di anni fa (!),
questa materia veniva prodotta nello stesso modo di oggi o quasi. E ancora oggi la pirotecnica non
esisterebbe senza la polvere nera.
Esempi di utilizzo al giorno d’oggi:
• esplosioni controllate nelle cave di pietra
• riempimento di micce
• composti propulsivi per razzi pirotecnici
• cariche di lancio per vasi, tubi di lancio comete, candele romane e bombe pirotecniche
• di ogni tipo.
• componente per il riempimento di vulcani, stelle, comete, ecc.
• accensione di articoli pirotecnici di ogni tipo
• polvere da sparo in occasione di riproduzioni storiche
• carica di percussione nella carica propellente da artiglieria
Tradizionali composti di polvere da sparo:
nitrato di potassio 75 % comburente
carbone di legna 15 % combustibile
zolfo 10 % combustibile
Miscelando i singoli elementi sopra menzionati si resterebbe delusi rispetto agli amati effetti della
polvere. Infatti, solo la mescolanza più intima e la concentrazione attraverso speciali macine per
polvere e infine la granulazione permettono di avere una polvere nera di qualità.
Le interessanti proprietà tecniche della polvere da sparo sono: un’ottima infiammabilità, un’ottima
capacità di conservazione per decenni, una produzione di gas media e buone caratteristiche di
combustione. (Sotto pressione la velocità di combustione aumenta solo relativamente – al contrario
della nitrocellulosa senza fumo).

L’innesco
La combustione inizia in seguito all’innesco. Necessita di un apporto di energia dall’esterno per
avviare la reazione chimica della combustione. Il chimico parla di energia di attivazione. Questo
apporto può derivare dal calore (innesco elettrico, un fiammifero, ecc.) dallo sfregamento o dalla
percussione. Senza l’influenza esteriore i composti pirotecnici chimici stabili non sono soggetti ad
autocombustione.

Luce e fiamme colorate
La luce e il colore sono il risultato di processi fisici. Lo possiamo vedere con l’esempio di una
tradizionale lampada a incandescenza con possibilità di dimmerizzazione.
Accendendo il regolatore al minimo viene introdotta nella spirale poca corrente (= poca energia). Il
filamento della lampadina si scalda poco e diventa rosso (ca. 800 °C). Se si aumenta l’apporto
d’energia, questo si scalda e il colore diventa prima arancione, poi giallo fino a diventare bianco (ca.
2800°C). La luce neutra bianca è formata dall’unione (addizione) di tutti i colori dello spettro
nell’intervallo di lunghezza d’onda visibile. Questo comprende l’intervallo da 380 nm (viola) a 780
nm (rosso). Per quanto riguarda la luce dei fuochi d’artificio, il processo fisico di produzione di luce
è simile. Al posto della corrente è necessaria l’energia di attivazione derivante dal riscaldamento di
particelle solide.
In condizioni di temperatura relativamente bassa, le fiamme che si creano sono rosso-arancione
fino a gialle come ad esempio per il fuoco, fiaccole, bracieri, comete dorate, palme dorate, bombe
kamuro, ecc. Man mano che la temperatura aumenta, cosa che nella pirotecnica presuppone la
presenza di metalli, la luce emessa sarà più intensa e sempre più bianca. Se si utilizza il metallo
magnesio con i comburenti adatti si raggiungono temperature oltre i 3000°C.
Certi elementi chimici, soprattutto i metalli o le loro leghe, hanno la capacità, in presenza di alte
temperature, di emettere una parte dell’apporto di energia sotto forma di luce. Se si scelgono le
giuste condizioni di reazione si ottiene una luce colorata. Nel capitolo 2.3 sono menzionati gli
elementi in questione.
Il processo fisico di emissione di luce avviene negli elettroni del guscio esterno dell’involucro atomico. In
presenza di un forte calore gli elettroni saltano temporaneamente dal guscio inferiore a quello superiore
successivo ma ricadono immediatamente. Durante la ricaduta emettono l’energia che hanno
precedentemente accumulato sotto forma di quanti di luce (fotoni).

Luce e scintille
I composti pirotecnici che contengono particelle fini di metalli come il magnesio, l’alluminio, il titanio
e altre leghe vengono utilizzati per produrre luce sotto forma di stelle chiare, granate stordenti e
polvere flash. Scintille, come quelle delle comete, stelle filanti, candele scintillanti, fontane, bombe
crisantemo, cascate Niagara ecc., sono prodotte principalmente da particelle di metallo più grosse
oppure da speciali tipi di carbone di legna.
I composti pirotecnici che emettono scintille a lungo hanno un effetto supplementare. Le singole particelle,
siano esse metalli o carbone di legna, durante la combustione del composto si scaldano e i gas caldi le
soffiano via per poter attingere all’ossigeno necessario contenuto nell’aria e poter così continuare la
combustione. In questo modo è possibile ottenere piogge d’oro o d’argento di lunga durata e comete dalle
lunghe code.

Scoppio
Grazie a composti ad alta energia, a base di polvere fine di metallo (combustibile), che bruciano
molto velocemente, e i comburenti adatti è possibile produrre degli scoppi. A seconda della formula
del composto, della tipologia di isolamento e della quantità impiegata è possibile adeguare la
tipologia di suono e l’intensità allo scopo d’utilizzo.
Lo scoppio è il risultato della variazione improvvisa e violenta di densità dell’aria prodotta tra l’altro da
un’esplosione. L’onda d’urto viene percepita come scoppio.

Fischi e sibili
Un effetto molto particolare è prodotto dai fuochi d’artificio fischianti e sibilanti. L’effetto è prodotto
dal fatto che il composto fischiante posto all’interno di un tubo di cartone o di plastica lo riempie solo
a metà oppure è meno pressato. La combustione avviene ad intermittenza (bruscamente), a
intervalli di tempo ridotti. In questo modo si provocano delle onde d’urto nella colonna d’aria
presente sopra il composto che vengono percepite come dischi o sibili. Attraverso lo spazio d’aria
al di sopra del composto, che durante la combustione diventa sempre più grande, si modica la
lunghezza del suono in profondità. In questo modo si crea il tipico fischio e sibilo dei “fischi
pirotecnici” (sirene).

Fumo e nebbia
La maggior parte delle reazioni pirotecniche producono fumo e nebbia, sia che lo si voglia o no.
Innanzitutto chiariamo la differenza tra fumo e nebbia.
Il fumo è formato dalla dispersione di piccolissime particelle solide nell’aria (polveri sottili). Si tratta
di prodotti solidi generati durante la reazione di combustione. Nel caso dei fumogeni questi prodotti
della reazione vengono generati intenzionalmente.
La nebbia è formata dalla dispersione di piccolissime particelle liquide (generalmente acqua)
nell’aria.
La nebbia si forma quando l’umidità relativa dell’aria supera il 100%, provocando la condensazione delle
goccioline. Anche le materie con elevate proprietà di assorbimento dell’acqua, se disperse nell’aria molto fini
e se in quel momento contengono umidità naturale sufficiente, possono contribuire alla formazione di nebbia.
Questo aspetto viene sfruttato nei composti pirotecnici che producono nebbia.

Fumo bianco
Per l’utilizzo all’aperto
Il fumo per l’utilizzo all’aperto è composto generalmente da una combinazione di fumi e speciali
generatori di nebbia. Questo fumo è irritante e dannoso per la salute. Evitare di inalarlo. Inoltre
attacca il metallo provocando danni da corrosione. Questo tipo di fumo viene utilizzato negli effetti
speciali di film o spettacoli teatrali all’aperto e durante la formazione per fuochisti. In questi casi
viene indossata una protezione delle vie respiratorie. Anche le granate fumogene militari si basano
sullo stesso principio.

Fumo colorato
Per l’utilizzo all’aperto
Nel caso del fumo colorato si tratta di una fine dispersione nell’aria di sostanze coloranti, organiche,
solide. In pratica avviene all’incirca quanto segue. Ad un composto pirotecnico che brucia a
temperature relativamente basse (composto di zolfo) viene aggiunto un pigmento colorato organico
sintetico. Durante la combustione sublima e genera immediatamente un fumo colorato fitto formato
da pigmenti finissimi. Questo fumo, poiché formato da materie solide, si deposita da qualche parte.
Sussiste pertanto il pericolo che la zona circostante il luogo della combustione venga contaminata.
Questo aspetto ne limita pertanto l’ambito d’utilizzo pratico. E’ quindi sconsigliato un utilizzo
all’interno.

Acido gallico: é un acido di colore giallo-sporco, si accende
facilmente in combinazione col clorato di potassio e per tale ragione
entrava nella composizione dei “fischi”, nella pirotecnica del
passato; oggi i fischi si realizzano mediante benzoati oppure
salicilati di sodio o di potassio.

Acido picrico: é un acido fenolico che entrava nella composizione
dei “fischi”; in Italia l’uso dell’acido picrico in pirotecnica, é vietato, in
quanto ée stato usato in passato come esplosivo di scoppio per
proiettili d’artiglieria e bombe.

Alluminio: é un metallo usato largamente nei fuochi artificiali e si
trova in commercio ridotto in polvere o a scaglie; puo essere scuro
(alluminio scuro), nero o brillante e ha sostituito le sostanze non piu
impiegate (tipo limatura di rame o zinco, che danno problemi di
autoaccensione in alcune miscele, quindi sono pericolose).
L’alluminio e assai leggero, quasi impalpabile, specie quello
brillante. E insolubile nell’acqua ma non nell’alcoo! 0 aceto. La
polvere di alluminio € spesso usata per ravvivare i colori dei miscugli
pirotecnici, e per aumentarne il volume di fuoco.

Antimonio: é un semimetallo di colore bianco-grigiastro e che arde
con fiamma cerulea, abbagliante, vivissima e quindi é usato per
dare molto splendore alla fiammata dell’esplosione. Si adopera per il
bianco ed in altre composizioni risplendenti, principalmente sotto
forma di trisolfuro.
Arenadoro: chiamata anche “verdazzurro” in gergo pirotecnico, dalla
forma impalpabile color verde bandiera. Serve per colorare la
fiamma in azzurro.

Canfora: quando miscelata con salnitro e zolfo emana una fiamma
bianchissima.

Carbonato di rame: miscelato con nitrato di stronzio produce il
violetto. La miscela, ancora umida, se esposta al sole é soggetta
ad autocombustione; é necessario quindi tenerla all’ombra fino al
totale essiccamento.

Carbonato di sodio: serve a dare alla fiamma un colore giallo.
Carbonato di stronzio: si presenta in forma di una polvere bianca
adatta per generare fiamme rosse, violetto e lilla.

Carbone di vite e carbone di quercia: il primo e usato per la
preparazione delle piu importanti polveri piriche. Alcune
composizioni pirotecniche prevedono I’unione del carbone di vite
con quello di quercia, tipicamente usato in cucina, facilmente
reperibile in commercio. Per fare del carbone di vite si prende una o
piu fascine di viti secche a cui si da fuoco. Man mano che brucia e si
riduce in carbone, si deve smorzare con dell’acqua, si fa asciugare
bene e infine si polverizza passandolo nello staccio fino. Il carbone
di legno duro produce scintille vive e durevoli, quello di legno
leggero (es. di cerro) é un attivante della combustione.

Clorato di bario: Si presenta bianchiccio ed impalpabile e va
maneggiato con precauzione, perché é un energico ossidante. Serve
per colorazioni in verde. E chimicamente instabile e le miscele che lo
contengono non possono essere immagazzinate e vanno usate subito
(puo dare problemi di accensione spontanea).

Clorato di potassio: Questa sostanza é molto pericolosa se mescolata
con zolfo, perche forma miscele esplosive estremamente sensibili agli
urti meccanici e alle cariche elettrostatiche. Per questo la legge
italiana vieta quasi tutte le miscele a base di clorati.

Cloruro rameico: un sale che viene utilizzato per la colorazione sul
blu-verde.

Colla di farina: serve per incollare i cartocci e i passafuochi. Si
prepara immergendo un certo quantitativo di farina doppio zero in
acqua molto calda e mescolando fino a formare una pasta
semidensa. Tale colla € soggetta ad alterazione e per conservarla
basta far disciogliere un poco di acido salicilico o del solfato di rame durante la preparazione.

Cotone e filo di bambagia: entrambi servono per confezionare gli stoppini o per rivestire i botti.

Creta: una volta stacciata, € usata per la composizione gialla o per dare consistenza.
Destrina e gomma arabica: sono utilizzati come eccipienti nei fuochi
di artificio colorati, cioé servono a dare consistenza alle varie paste
per la confezione degli “stoppini”, delle “stelle”, ecc. consentendo a
questi ultimi di solidificare con una particolare forma. Al contempo,
esse rallentano la combustione del composto (ma non la destrina
della gomma arabica).

Gesso: utilizzato per indorare, quando miscelato nel violetto fornisce
una tinta rosea.

Gommalacca: molto usata nelle composizioni rosse.

Magnesio: brillante o scuro nell’aspetto, e un metallo leggero che
brucia emettendo luce bianca intensissima.

Manganese: metallo di colore bruno grigiastro, e usato come
miscela per i cannoli (elementi a combustione colorata e tracciante)
Oggi viene sostituito dal titanio.

Mercurio: dolce o calomelano, é costituito da una polvere bianca,
fine e pesante, usato come ravvivante dei colori rosso, violetto,
verde.

Nerofumo: carbone finemente suddiviso usato nelle composizioni
rosso, verde, rosee.

Nitrato di bario: e un sale di bario, impalpabile e bianco, serve per
dare alla fiamma un colore verde (essendo molto igroscopico,
occorrono particolari precauzioni); ha anche caratteristiche
ossidanti.

Nitrato di potassio: comunemente chiamato salnitro ed é il
sale di potassio dell’acido nitrico. E conosciuto anche col nome
di nitro o sale di nitro ed é l’ossidante della polvere nera.

Nitrato di sodio: é un sale del sodio che si presenta di colore
giallognolo e in forma cristallina, da pestare fino a renderlo
impalpabile, colora fortemente la fiamma di giallo. Siccome
assorbe molta umidita, i fuochi artificiali preparati con questo
sale non possono essere immagazzinati per tempi lunghi.
Pertanto, si preferisce adoperarlo solo nei mesi estivi. Ha anche
caratteristiche ossidanti.

Nitrato di stronzio: é un sale di stronzio, impalpabile e serve per
dare alla fiamma un colore rosso porpora (essendo molto igroscopico, occorrono particolari cautele). Prima di
essere adoperato, specie nei mesi umidi, € necessario farlo
seccare al calore mettendolo dentro un recipiente di creta
perchè questo sale assorbe umidita.

Ossicloruro di rame: é usato per ottenere il colore azzurro.
Ossalato di sodio: é un sale organico che si presenta sotto
forma impalpabile ed é usato in sostituzione del nitrato di sodio
per le fiamme gialle.
Pece: un miscuglio di pece greca e catrame e serve per impeciare
lo spago; questa operazione é eseguita tenendo in mano la pece e
facendo passare lo spago un paio di volte dopo averlo fissato con un
chiodo ad un cavalletto, avvolgendolo a matassa. Generalmente la
pece si presenta in pezzi e bisogna pertanto triturarla e passarla allo
staccio fino. Sostituisce lo zolfo in alcune composizioni pirotecniche.
Polivinilcloruro (PVC): usato per la composizione verde e blu come
donatore di cloro.

Scialacca: una resina di color rossiccio, ridotta in forma di polvere
impalpabile. Sostituisce lo zolfo nelle combinazioni pericolose e
anche la gommalacca, grazie al suo costo ridotto. Adoperata delle
composizioni verde e viola.

Segatura: é usata come isolante.

Siliciuro di calcio: serve per produrre la luce bianca. Si presenta come
una polvere di colore scuro, di prezzo contenuto e sostituisce
l’antimonio, che é piu costoso, per dare splendore alla fiamma.
Solfato di rame: é usato per il colore azzurro e si trova ridotto in
polvere; viene passato allo staccio fino e serve per le fiamme azzurre.
Ormai é in disuso.

Solfato di rame ammoniacale: si preferisce al piu noto solfato di rame
per le luci azzurre in quanto meno suscettibile di esplosione se
mescolato col clorato di potassio.

Solfato di stronziana: é usato nelle fiamme rosse e gialle.
Spago: é di diversi spessori per rivestire botti e bombe di
calibro diverso.

Sughero: é usato nelle composizioni azzurro e viola.

Titanio: metallo adoperato in scaglie, per effetti traccianti
argento.

Verde purgato: e usato per il colore violetto.

Zinco: € un metallo bianco alquanto duro, produce un fuoco
azzurrognolo misto a un allegro scoppiettio.

Zolfo: tale ingrediente era molto usato in passato, ma ora é
stato rimosso quasi completamente dall’arte pirotecnica e
sostituito da resine come la scialacca. In commercio si trova in
tre versioni: “fiore di zolfo”, “Zolfo in pietra”, che viene pestato
finemente e si adopera nelle composizioni colorate; “Zolfo in
polvere””, adoperato nella composizione bianca. Se usato, si
adopera il tipo “ventilato” caratterizzato da un’accentuata impalpabilita. E ancora utilizzato per la
produzione di polvere nera, e di pirodex, entrambi utilizzati
dall’industria pirotecnica come esplosivi da lancio e di scoppio
per ottenere i vari effetti pirotecnici celesti.

LINEE GUIDA

ESPLOSIVI – NORMATIVA DI PREVENZIONE INCENDI

FUOCHI ARTIFICIALI – NORMATIVA DI SICUREZZA

 

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