Qual a relação entre os elementos químicos e os fogos de artifício?

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Texto escrito em colaboração com Naomi Akiba

Os fogos de artifício encantam festas e comemorações gerando em alguns uma explosão de curiosidade. Por que são coloridos? Por que apresentam diferentes formas e cores ao explodir? Antes de se encantar com a beleza das cores é importante saber que tudo começa com a pólvora, agente propelente (substância que inicia a propulsão) e que tem a função de lançar os fogos de artifício em direção ao céu. A pólvora é a mistura de carvão, enxofre e um agente oxidante. Ao fornecer energia a essa mistura, geralmente utilizando fogo, ocorre uma série de reações de combustão da pólvora. O agente oxidante se decompõe produzindo oxigênio (O2) que reage com o carvão e o enxofre originando dióxido de enxofre (SO2) e dióxido de carbono (CO2). Ao atingir uma certa altura explodem violentamente em ruído e em uma série de cores.

Cores!!! Pois bem agora vamos entender a beleza das cores. À pólvora são misturados sais de elementos metálicos e a variedade de luzes coloridas observadas durante o espetáculo no céu depende do elemento químico presente nos sais. Sais de estrôncio (Sr) são responsáveis pela cor vermelha, sais de cobre (Cu) pela cor azul, sódio (Na) pelo amarelo, cálcio (Ca) pelo laranja e bário (Ba) pelo verde. Misturas de sais são usadas para as cores roxo (estrôncio e cobre), branco (magnésio, alumínio e titânio) e prata (magnésio e alumínio).

Certamente na reação de combustão da pólvora uma quantidade significativa de energia na forma de calor é liberada. Esse calor é fornecido aos sais dos metais misturados à pólvora que devolvem essa energia na forma de cor. Como cada elemento metálico absorve uma quantidade distinta de energia, ao liberar essa energia absorvida, acabam emitindo cores em diferentes comprimentos de onda, sendo assim possível manipular os fogos de artificio para que tenham diferentes cores. Aquelas que enxergamos são emitidas na região do espectro visível da luz (região do espectro eletromagnético em que o olho humano tem a capacidade de enxergar cor), logo a energia é liberada como luz colorida!

Vale ressaltar que apesar de toda sua beleza, sempre que for manusear fogos de artifício deve-se seguir as instruções do fabricante, seu uso inadequado pode causar ferimentos graves e até mesmo risco de perder a vida.

Fontes:

Fonte da imagem destacada: Ivanise Gaubeur.

R. Papai, N. Akiba. R. Araújo, P. Dantoni e I. Gaubeur, Fogos de artifício – uma festa no céu. In Contém Química: Venda controlada – apenas para curiosos. Editora UFABC, 2016.
http://editora.ufabc.edu.br/colecao-o-que-e-ser-cientista/37-contem-quimica-tarja-preta

Para saber mais:

A.C, Gracetto, N. Hioka e O. Santini, Combustão, chamas e testes de chama para cátions: Proposta de experimento. Química Nova na Escola, nº 23, p. 43, 2006.
http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc23/a11.pdf

Outros divulgadores:

Link para o vídeo do ClickCiência UFSCar sobre fogos de artifício

Nas noites de ano novo e em comemorações festivas, ao olharmos para o céu nos deparamos com verdadeiros espetáculos de cores: os fogos de artifício. Eles atraem e seduzem espectadores de todas as idades e crenças em várias partes do mundo. Há inúmeras reações químicas por trás de cada uma das cores que pintam o céu e dos sons que enchem o ar.

Uma das imensas definições técnicas para os fogos de artifício é que eles são “substâncias ou misturas concebidas para produzir um efeito por calor, luz, som e gás ou fumaça, ou ainda a combinação destes, como resultado das reações químicas exotérmicas, caracterizadas pela deflagração”. Nessa definição encontramos a palavra deflagração que caracteriza os processos reacionais envolvidos. A deflagração é um “fenômeno característico dos chamados baixos explosivos, que consiste na de um corpo, combustível, comburente e outros, ocorrendo por camadas e a velocidades controladas em alguns décimos de milímetros, até 400 metros por segundo.”

Portanto, as imagens e os sons de cada explosão são o resultado de diversas reações químicas. Até os fogos de artificio chegarem ao céu, ocorrem reações de oxidação (perda de elétrons) e redução (ganho de elétrons) nestas substâncias. Essas reações de oxirredução produzem o gás oxigênio, que atua como comburente, e geram energia suficiente para excitar os átomos dos compostos emissores de luz. Mesmo tendo todas essas incríveis informações químicas, a parte que mais chama a atenção são as cores e é nelas que vamos nos aprofundar.

Antes de falarmos de cores, precisamos entender o ator principal desse espetáculo, o átomo. Rusell (2009) nos traz uma visão bem ilustrativa e palpável de como seria um átomo. Ele nos diz para imaginá-lo como uma bolha ampliada imensamente, mais ou menos do tamanho de uma cidade pequena, onde a atmosfera da bolha não seria completamente vazia, mas possuísse pequenas nuvens de elétrons. À medida que caminhamos em direção ao centro da bolha encontraríamos o núcleo, mais ou menos do tamanho de uma uva, onde as partículas subatômicas (prótons e nêutrons) seriam como as sementes, unidas por uma enorme energia, enquanto as nuvens de elétrons estariam distantes dele cerca de 2 quilômetros. Das partículas que compõem o núcleo, uma é carregada positivamente (próton) e a outra não possui carga (nêutrons). Os elétrons são carregados negativamente, ao ponto que a quantidade destes e dos prótons sejam iguais para que a estabilidade do átomo seja mantida.

Isso ocorre quando os elétrons absorvem energia e passam para níveis de maior energia (excitados). Para dissipar a energia absorvida e voltarem ao nível de origem (fundamental), os elétrons podem emitir radiação eletromagnética na região visível do espectro gerando então algo que chamamos de cor. Cada elemento químico emite radiação com cores distintas e bem características – as cores emitidas por um elemento funcionam como um tipo de carteira de identidade dele..

Podemos entender por luz, não só a radiação gama espectral estreita que constitui a luz visível (a luz que enxergamos), mas também as porções de luz ultravioleta (UV) e infravermelho (IR), que são de grande importância e aplicação no meio científico. Entendemos então como se dá à luz e que ela é composta por porções diferentes. A porção que nos interessa para os fogos de artifício é a porção da luz visível, pois é através dela que podemos identificar e caracterizar as cores que tanto nos encanta.

Com a evolução da Física ao longo dos anos, os cientistas perceberam que a luz possui um comportamento similar ao das ondas eletromagnéticas, a luz é uma oscilação e se propaga no vácuo com uma certa variação no tempo (frequência). Essa oscilação (onda) possui um comprimento, sendo que a partir deste podemos observar as cores. Nossos olhos estão programados para somente visualizar as cores de determinada faixa de comprimento de ondas, essa faixa de cores é chama de espectro de luz visível.

Agora, é possível compreendermos o que ocorre no céu quando os fogos de artifício estouram, e por que podemos visualizar as cores. Os fogos de artifício podem ser comparados a tubos de ensaio cheios de elementos químicos que se combinam quando aquecidos para produzirem diferentes cores. Para se ter ideia, uma chama pirotécnica pode atingir 3600 ºC – cerca da metade da temperatura da superfície do Sol –, enquanto a temperatura de um fogão doméstico alcança, no máximo, 800ºC. Dessa forma, toda a beleza do espetáculo da queima de fogos de artifício não passa de um processo que se compreende por meio do conhecimento da estrutura eletrônica dos átomos.

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Por Denise Negreli
Licencianda em Química na Universidade do Estado de Santa Catarina

Momento Químico. Fogos de artifício (capa). Projeto PRAPEG: Programa de Apoio ao Ensino de Graduação. UDESC - Joinville - Departamento de Química. Ano 1, Nº 4. Jul/Ago 2015. 1-6 p.

Referências

– MACHADO, S. P. e PINTO, A. C. A. Química e a Arte da Pirotecnia. Ciência Hoje, V. 48, p. 288, 2011.
– RUSSEL, M.S. The Chemistry of Fireworks. London: Royal Society of Chemistry, 2009.