كيمياء الألعاب النارية (1-2) Chemistry of Pyrotechnics

 كيمياء الألعاب النارية (1-2) Chemistry of Pyrotechnics

كيمياء الألعاب النارية Chemistry of Pyrotechnics هو تطبيق لعدد من أقسام الكيمياء مثل الكيمياء الغير عضوية والكيمياء الفيزيائية و الكيمياء التحليلية و غيرها من الأقسام. و في هذه المقالة نستعرض بعضاً من أساسيات الألعاب النارية و سيليها في المقالات التالية الحديث عن بعض التأثيرات الناتجة من الألعاب النارية حيث أن تأثيرات الألعاب النارية التي أصبحت منتشرة بكثرة في المهرجانات السنوية و الحفلات و العروض المسرحية والسينمائية. و سنبدأ هذه السلسلة بالحديث عن مكونات خلائط الألعاب النارية و خصائص هذه المكونات ثم سنتحدث عن بعض التأثيرات مثل انتاج الضوء الأبيض و الملون و بعض التأثيرات الأخرى. 

محتويات المقال:

• مكونات الألعاب النارية (البيروتكنك)
• خصائص مكونات الخلائط النارية 

مكونات الألعاب النارية (البيروتكنك)

المؤكسد oxidizer:

هو المصدر الرئيس للأكسجين في الخليط الناري (Pyrotechnics) ويتم اختيارها بشكل محدد و هي مقتصرة على فلزات أو لافلزات المجموعات الايونية السالبة التالية:

 النترات (NO3¯)  أو الكلورات (ClO3¯) ، أو البيروكلورات (ClO4¯) ، أو الكرومات (²¯CrO4) ، أو الدايكرومات (²¯Cr2O7) ، أو الأكاسيد (O¯²) ، أو الهالوجينات.

 

خصائص الايون الموجب في المؤكسدات:

1-  يجب أن تكون المادة قليلة أو عديمة الاسترطاب (low hygroscopicity) ، أي أنها لا تمتص الرطوبة من الهواء الجوي بسهولة لان الرطوبة تؤثر على حجم الايون وشحنته لذلك يفضل عدم استخدام نترات الصوديوم و أملاح الالمنيوم والمغنيسوم و الليثيوم إلا للضرورة.

2-  يجب أن لا يؤثر الايون الموجب الموجود في المؤكسد على لون اللهب فمثلا أيون الصوديوم يشتعل باللون الاصفر الذي يميل للبرتقالي.

3-   يفضل استخدام الفلزات القلوية مثل البوتاسيوم والصوديوم والليثيوم  والفلزات الارضية مثل الباريوم والكاليسوم و السترونشيوم في المؤكسدات لانها لا يستقبل الالكترونات بسهولة و يمنح الالكترونات بسهولة ولا تتفاعل مع العناصر الفعالة كالمغنيسوم والالمنيوم في الوقود.

4-   يجب أن تكون طاقة تفكك المركب مقبولة لانه في حال كانت طاقة التفاعل الطارد للحرارة عالية جدا يكون التفاعل متفجر و في حال كانت طاقة التفاعل الماص للحرارة عالية يكون من الصعب اشعال الخليط.

5-  يجب أن يمتلك المؤكسد أكبر قدر من الاكسجين النشط لذلك يفضل استخدام العناصر الخفيفة مثل الصوديوم و البوتاسيوم ويفضل تجنب استخدام العناصر الثقيلة مثل الرصاص و الباريوم.

6-  يفضل أن يكون قليل السمية.

خصائص بعض المؤكسدات
المؤكسد	الكثافة	الوزن الجزيئي	نقطة الانصهار °C	حرارة التفكك	O2 المتحرر من 1جم من المؤكسد
نترات الصوديوم NaNO3	2.26	85	307	60.5	0.47
كلورات الباريوم Ba(ClO3)2	3.86	322.3	414	-28.0	0.32
كرومات الباريوم BaCrO 4	4.50	253.3	يتفكك	-	0.095
نترات الباريوم Ba(NO3)2	3.24	261.4	592	104	0.31
بيروكسيد الباريوم BaO2	4.96	169.3	450	17	0.09
كرومات الرصاص PbCrO 4	6.30	323.2	844	-	0.074
أكسيد الرصاص PbO	9.53	223.2	886	-	0.72
كلورات البوتاسيوم KClO3	2.32	122.6	356	-10.6	0.39
نترات البوتاسيوم KNO3	2.11	101.1	334	75.5	0.40
بيروكلورات البوتاسيوم KClO4	2.52	138.6	610	-0.68	0.46
نترات السترونشيوم Sr(NO3)2	2.99	211.6	570	92	0.38

 

الوقود Fuels:

يعتبر الكبريت و الفحم من أقدم المواد المستخدمة كوقود و أما الأن فهناك العديد من العناصر أو المركبات التي تستخدم كوقود ويمكن أن نصنفها كالتالي

الفلزات Metals مثل : الالمنيوم – المغنيسوم – الحديد – الكروم – التيتانيوم – التنجستين – الزركونيوم

اللافلزات Non - metals مثل : الكربون – الكبريت – البورون – السيليكون – الفسفور

خصائص بعض المواد التي تستخدم كوقود
الوقود	الكثافة جم/سم3	نقطة الانصهار °C	درجة الغليان °C	حرارة الاحتراق k cal /g	نواتج الاحتراق الرئيسة
الألمينوم	2.70	660	2467	7.4	Al 2 O 3
المغنيسوم	1.74	649	1107	5.9	MgO
التيتانيوم	4.51	1660	3287	4.7	TiO 2
التنجستين	19.30	3410	5660	1.1	WO 3
الزنك	7.14	420	907	1.3	ZnO
الزركونيوم	6.51	1852	4377	2.9	ZrO 2
البورون	2.35	2300	2550	14.0	B 2 O 3
الكربون	2.26	يتفكك	-	7.8	CO 2
السيليكون	2.33	1410	2355	7.4	SiO 2

 

 المواد الرابطة Binders:

هي مواد تعمل على زيادة الترابط بين المواد المؤكسدة و الوقود وتحسين الخواص الميكانيكية وتغليف حبيبات الوقود وتحسين الاحتراق وهي تنقسم الى قسمين:

المواد الرابطة الطبيعية : شمع البارفين – الصمغ العربي – شمع الكرنوبا – الشمع الصيني – الشيلاك - الورنيش

المواد الرابطة الصناعية : راتنج (ريزين) البكليت – راتنج البولي ايستر – المطاط المكلور – بولي فنيل كلوريد – راتنج الايبوكسي – مطاط الثيوكول – الفيتون A – التيفلون – Kel F800 – خليط الراتنج و الثيوكول.

المواد المبردة Coolants:

هي مواد تستخدم لتقليل درجة حرارة اشتعال الخليط مثل كربونات المغنيسوم و كربونات الصوديوم.

المواد المثبطة Retardants:

هي مواد تستخدم للتقليل من معدل احتراق الخليط دون التأثير على اللون و تعتبر كربونات الكاليسوم و اكسلات الصوديوم و راتنجات السترونشيوم أكسيد التيتانيوم و البولي فنيل كلوريد و ايثيل السيليلوز و البارفين و زيت الكتان و زيت الخروع الاسفلت و الكبريت من أهم المثبطات.

الأصباغ dyes:

هي مواد تستخدم لانتاج الدخان الملون في الخلائط المنتجة للدخان مثل أصباغ الازو Azo و الانثراكوينون anthraquinone

مكثفات اللون Color intensifiers:

هي مواد تستخدم لتقوية اللون في الخلائط النارية و من أمثلتها مادة البولي فنيل كلوريد و سداسي كلوروبنزين و سداسي كلوروالايثان.

 

خصائص مكونات الخلائط النارية :

·        الكثافة:

إن كثافة كل من الوقود و المؤكسد و المكونات الاخرى تحدد كثافة الخليط الناري و تعتبر الكثافة عامل مهم لتأثيرها على معدل الاحتراق و التأخير و الضوء.

·        الاسترطابية:

تختلف قدرة المؤكسدات على امتصاص الرطوبة وتتفاعل الرطوبة مع أسطح المعادن مشكلة الأكاسيد و الهيدروكسيدات و التي تشكل طبقة خاملة (غير متفاعلة) تؤثر على عملية اشعال الخليط و احتراقة وبالتالي تعطيل الخليط.    

·        نقطة الانصهار و درجة الغليان و درجة حرارة التفكك:

تؤثر نقطة الانصهار و درجة الغليان و درجة حرارة التفكك على اشتعال الخليط و معدل الاحتراق فالوقود الذي له نقطة انصهار منخفضة مثل الكبريت و المركبات والعضوية كاللاكتوز تقلل من درجة اشتعال الخليط بينما الوقود الذي له نقطة انصهار مرتفعة يعمل على رفع درجة اشتعال الخليط الناري (خليط الالعاب النارية) وكذلك اذا كان الوقود له درجة حرارة تفكك مرتفعة فإن معدل الاحتراق يكون منخفض و أما بالنسبة للمؤكسد فإن درجة حرارة المرتفعة و طبيعة التفكك الماص للحرارة يعمل على خفض معدل احتراق الخليط . 

·        المحتوى الأكسجيني للمؤكسد:

يفضل استخدام المؤكسدات التي لها محتوي أكسجيني مرتفع مثل النترات التي لها القدرة على إطلاق 0.4 – 0.5 من الأكسجين لكل 1جم من المؤكسد ونتج خلائط ذات معدل احتراق مرتفع ولهب ذو حرارة مرتفعة.

·        التوصيل الحراري للوقود و الحاوية (الانبوب):

يعتبر التوصيل الحراري للوقود وكذلك للحاوية أو الأنبوب الذي يحتوي الخليط يؤثر على معدل احتراق الخليط الناري ويعتبر الوقود الذي له موصلية مرتفعة بأنه مناسب للإستخدام في خلائط المؤقتات الغير منتجة للغازات حيث انتقال الحرارة من طبقة لأخرى من خلال التوصيل الحراري.  

·        طبيعة نواتج الاحتراق:

نواتج عملية الاحتراق مهمة لتأثيرها المباشر الغرض الرئيس من الخليط الناري (إضاءة – دخان – صوت - ...) حيث يجب أن تكون الغازات أكبر ما يمكن لانتاج الضغط الكافي المناسب لانجاح الخليط الناري فمثلا BaO2 عادة ما يستخدم مع Mg و الذي نواتج احتراقه لها تأثير مباشر على شدة الضوء و الأشعة تحت الحمراء IR وبالتالي التأثير على الخلائط المنتجة للضوء وكذلك ينتج اللون الازرق عند اشتعاله أما نترات الصوديوم فينتج عند احتراقه أيون الصوديوم حيث لهب الصوديوم له لون أصفر فيستخدم في المجال العسكري في قنابل الاضاءة بينما نترات السترونشيوم Sr(NO3)2 تعطي اللون الاحمر عند اشتعالها.   

·        درجة السمية:

هذه الخاصية مهمة لأنها تتعلق بسلامة العاملين في هذا المجال حيث أنه من المهم معرفة درجة سمية المواد المستخدمة في أعمال الألعاب النارية (البيروتكنيك) و معرفة طريقة التعامل معها حيث هناك العديد من مراحل التعامل مع الخلائط النارية مثل التصنيع و النقل و التخزين و أخيراً الاستخدام وهذه المراحل تجعل العاملين في هذا المجال عرضة للتسمم من خلال دخول المادة إلى الجسم سواء بالاستنشاق أو البلع أو اللمس.

 

 

خصائص بعض المواد التي تستخدم كوقود
الوقود	الكثافة جم/سم3	نقطة الانصهار °C	درجة الغليان °C	حرارة الاحتراق k cal /g	نواتج الاحتراق الرئيسة
الألمينوم	2.70	660	2467	7.4	Al 2 O 3
المغنيسوم	1.74	649	1107	5.9	MgO
التيتانيوم	4.51	1660	3287	4.7	TiO 2
التنجستين	19.30	3410	5660	1.1	WO 3
الزنك	7.14	420	907	1.3	ZnO
الزركونيوم	6.51	1852	4377	2.9	ZrO 2
البورون	2.35	2300	2550	14.0	B 2 O 3
الكربون	2.26	يتفكك	-	7.8	CO 2
السيليكون	2.33	1410	2355	7.4	SiO 2

 

 

    

خصائص بعض المؤكسدات
المؤكسد	الكثافة	الوزن الجزيئي	نقطة الانصهار °C	حرارة التفكك	O2 المتحرر من 1جم من المؤكسد
نترات الصوديوم NaNO3	2.26	85	307	60.5	0.47
كلورات الباريوم Ba(ClO3)2	3.86	322.3	414	-28.0	0.32
كرومات الباريوم BaCrO 4	4.50	253.3	يتفكك	-	0.095
نترات الباريوم Ba(NO3)2	3.24	261.4	592	104	0.31
بيروكسيد الباريوم BaO2	4.96	169.3	450	17	0.09
كرومات الرصاص PbCrO 4	6.30	323.2	844	-	0.074
أكسيد الرصاص PbO	9.53	223.2	886	-	0.72
كلورات البوتاسيوم KClO3	2.32	122.6	356	-10.6	0.39
نترات البوتاسيوم KNO3	2.11	101.1	334	75.5	0.40
بيروكلورات البوتاسيوم KClO4	2.52	138.6	610	-0.68	0.46
نترات السترونشيوم Sr(NO3)2	2.99	211.6	570	92	0.38

 

 إقرأ أيضاً :

كيمياء الألعاب النارية(1) : مكونات الالعاب النارية

كيمياء الألعاب النارية(2) : خصائص مكونات الالعاب النارية