Pháo hoa là gì? Cách làm pháo hoa như thế nào?

Vào dịp lễ hội lớn và dịp tết, có lẽ thứ không thể thiếu chính là pháo hoa. Vài phút đến vài chục phút ngắn ngủi trong thời khắc giao thừa nhưng pháo hoa là biểu tượng văn hóa thể hiện sự phồn thịnh và đón chào may mắn của năm mới. Cùng chuyên mục hóa học tìm hiểu kiến thức pháo hoa là gì nhé.

Pháo hoa – Fireworks không phải đơn giản là thể hiện sự phồn vinh của đất nước mà là thời khắc chuyển giao của năm, mà nó gần như là phong tục, tập quán của người Việt Nam cũng như thế giới. Ở Việt Nam, Bắn pháo hoa thường diễn ra chủ yếu vào 2 dịp lễ lớn: Tết Dương lịch và Tết nguyên đán. Xuân đang đến gần, chúng ta sắp đón năm mới với những màn pháo hoa rộn rã. Vừa học, vừa thư giản về kiến thức hóa học pháo hoa.

1. Pháo hoa là gì?

Pháo hoa hay pháo bông là môt sản phẩm từ hóa học, một loại pháo dùng thuốc phóng, thuốc nổ cùng các loại phụ gia đặc biệt tạo nên màu sắc hoành tráng, ánh sáng sặc sỡ, sinh động.

Pháo hoa là gì?

Pháo hoa được thiết kế để khi phóng lên không trung thì nổ tạo nên những hiệu ứng đẹp mắt như: hình tròn, hình trái tim, hình sao chổi, hình núi lửa phun… rất nhiều phụ gia khác nhau cùng với thuốc nổ tạo các màu sắc như: màu đỏ, màu vàng, màu xanh, màu tím…

2. Thành phần hóa học của pháo hoa

Thành phần chính của pháo hoa là hỗn hợp các chất được thiết kế nhằm mục đích tạo ra các hiệu ứng nhiệt, ánh sáng, âm thanh, khí, khói. Sự kết hợp của các hiệu ứng này thông qua các phản ứng tỏa nhiệt tự duy trì không phụ thuộc vào oxy từ nguồn bên ngoài. Trong pháo hoa, năm thành phần cơ bản thường được phối trộn.

Pháo hoa, biểu tượng đẹp của giây phút giao thừa để chào đón năm mới trên khắp thế giới

2.1. Nhiên liệu

Nhiên liệu gọi là ‘star” để đốt, thường dựa trên nền kim loại, bột kim loại, bột màu đen, một dạng thuốc súng (hỗn hợp của lưu huỳnh, than và kali nitrat)

2.2. Chất oxy hóa

Chất oxy hóa được dùng để tạo ra Oxy để hỗ trợ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Những chất thường được sử dụng là các perchlorate (ClO₄^–), clorat (ClO₃^–) hoặc nitrat (NO₃^–), nhưng cũng có thể có chứa cromat (CrO₄^2-) hoặc oxit (ví dụ: Cu₂O, Fe₃O₄, ZnO₂)

2.3. Chất màu

Chất màu thường là muối clorua kim loại thích hợp như Stronti (đỏ cam), Natri (vàng) hoặc đồng (xanh). Qua nghiên cứu của các nhà hóa học, mỗi một kim loại khi đốt sẽ cho ra một màu sắc khác nhau trên ngọn lửa.

2.4. Chất kết dính

Chất kết dính (sure)để liên kết mọi thứ lại với nhau chẳng hạn như gum hoặc nhựa. Các chất này thường có dạng hợp chất hữu cơ, thường là dextrin, sau đó có thể hoạt động như một nhiên liệu sau khi đánh lửa. Chất nhựa được thêm vào pháo hoa để giữ các thành phần với nhau, ngoài ra giảm độ nhạy cảm cho cả việc sốc và tác động.

2.5. Clo

Clo tạo ra phản ứng truyền tải màu sắc của kim loại, tăng cường cường độ màu. Các kim loại nhóm II như Strontium ít được dùng thường xuyên hơn, vì người ta cho rằng kim loại (I) clorua (ví dụ: SrCl) tạo ra màu chứ không phải là ion kim loại nhóm (II) (ví dụ: SrCl₂).

Tùy thuộc vào thành phần xác định của pháo hoa mà khí, khói và bụi tạo ra có chứa hợp chất lưu huỳnh hoặc các hóa chất gây độc ở nồng độ thấp, dẫn đến ô nhiễm không khí. Pháo hoa tạo ra một lượng lớn khói có hại hơn pháo hoa không khói (loại pháo dùng trong nhà, cho các sự event đám cưới, rock, stage…

3. Vai trò của các thành phần trong pháo hoa

Carbon – Carbon là một trong những thành phần chính của bột đen, được sử dụng làm chất đẩy trong pháo hoa. Carbon cung cấp nhiên liệu cho pháo hoa. Các hình thức phổ biến bao gồm muội than, đường hoặc tinh bột.

Clo – Clo là thành phần quan trọng của nhiều chất oxy hóa trong pháo hoa. Một số muối kim loại tạo ra màu có chứa clo.

Sắt – Sắt được sử dụng để sản xuất tia lửa. Nhiệt của kim loại quyết định màu sắc của tia lửa.

Magiê – Magiê đốt cháy một màu trắng rất sáng, vì vậy nó được sử dụng để thêm tia lửa trắng hoặc cải thiện độ sáng chói của pháo hoa.

Oxy – Pháo hoa bao gồm các chất oxy hóa, là những chất tạo ra oxy để đốt cháy xảy ra. Các chất oxy hóa thường là nitrat, clorat hoặc perchlorate. Đôi khi cùng một chất được sử dụng để cung cấp oxy và màu sắc.

Phốt pho – Phốt pho cháy tự phát trong không khí và cũng chịu trách nhiệm cho một số hiệu ứng phát sáng trong bóng tối. Nó có thể là một thành phần của nhiên liệu pháo hoa.

Kali – Kali giúp oxy hóa hỗn hợp pháo hoa . Kali nitrat, kali clorat và kali perchlorate đều là những chất oxy hóa quan trọng.

Barium – Barium được sử dụng để tạo ra màu xanh lục trong pháo hoa, và nó cũng có thể giúp ổn định các yếu tố dễ bay hơi khác.

Lưu huỳnh – Lưu huỳnh là thành phần của bột đen. Nó được tìm thấy trong nhiên liệu / nhiên liệu của pháo hoa.

Titanium – Kim loại Titan có thể được đốt cháy dưới dạng bột hoặc mảnh để tạo ra tia lửa bạc.

Kẽm – Kẽm được sử dụng để tạo hiệu ứng khói cho pháo hoa và các thiết bị pháo hoa khác.

Antimon – Antimon được sử dụng để tạo hiệu ứng long lanh pháo hoa.

Muối kim loại tạo ra pháo hoa màu như Canxi, Đồng, Lithium, Natri, Strontium, Nhôm,…

4. Màu sắc của pháo hoa

Màu sắc của pháo hoa đa dạng là do phản ứng của nhiều muối của kim loại khác nhau, diễn ra đồng thời. Nguyên nhân là các phân tử kim loại bao gồm có hạt nhân và các điện tích quay xung quanh. Khi được đốt nóng, các electron chuyển động chuyển động nhanh hơn, chuyển sang trạng thái kích thích ở mức năng lượng khác nhau nên có màu sắc đặc trưng.

Hình ảnh màu sắc của pháo hoa do các kim loại tạo thành

Dưới đây là một số hợp chất tạo ra màu của pháo hoa:

• Đỏ muối strontium, muối lithium carbonate, Li₂CO₃. stronti cacbonat, SrCO₃ = màu đỏ tươi.
• Cam muối canxicanxi clorua, CaCl₂canxi sunfat, CaSO₄ · xH₂O, trong đó x = 0,2,3,5
• Vàng sắt (với carbon), than củi hoặc chao đèn
• Vàng tươi hợp chất natrinatri nitrat, NaNO₃cryolit, Na₃AlF₆
• Trắng kim loại nóng trắng, chẳng hạn như magiê hoặc nhômbari oxit, BaO
• Xanh lá hợp chất bari + clobari clorua, BaCl₂ + = màu xanh lá cây tươi
• Xanh dương hợp chất đồng + sản xuất cloacetoarsenite đồng (xanh Paris), Cu₃As₂O₃Cu (C₂H₃O₂) ₂ = xanhđồng (I) clorua, CuCl = xanh ngọc
• Tím hỗn hợp các hợp chất strontium (đỏ) và đồng (xanh)
• Bạc đốt cháy nhôm, titan, hoặc bột magiê hoặc mảnh

5. Cơ chế của quá trình đốt pháo

Pháo hoa được tạo ra từ hỗn hợp nhiều chất hóa học khác nhau. Khi pháo hoa phát nổ và hình thành những màu sắc khác nhau thường xảy ra 2 quá trình. Đó là sự đốt cháy và sự phát sáng, đây là 2 cơ chế chính của pháo hoa:

Nhiệt là được sinh ra từ sự đốt cháy. Khi tăng nhiệt độ đốt cháy thì độ sáng tăng dần, chúng phát sáng từ tia hồng ngoại – sau đó chúng chuyển sang các màu trong bảy màu ánh sáng trắng. Khi nhiệt độ của pháo đạt đến một mức nhất định, chúng sẽ chuyển thành màu sắc khác nhau. Màu sắc của pháo hoa phụ thuộc vào thành phần hóa học của quả pháo. Ngoài ra, trong quả pháo còn chứa nhôm, magiê và titan để tăng thêm nhiệt độ, dẫn đến tăng thêm độ sáng của pháo hoa.

Sự đốt cháy của pháo hoa là hỗn hợp của nhiều phản ứng cho các sản phẩm rất phức tạp. Phương trình tổng quát cho quá trình này được trình bày dưới đây, với than được gọi theo công thức thực nghiệm của nó:

6 KNO₃ + C₇H₄O + 2 S → K₂CO₃ + K₂SO₄ + K₂S + 4 CO₂ + 2 CO + 2 H₂O + 3 N₂

Khi pháo hoa được đốt cháy, một hợp chất cháy phía dưới sẽ có nhiệm vụ đẩy quả pháo lên không trung. Trong khi đó, một ngòi cháy chậm bên trong sẽ có nhiệm vụ làm quả pháo phát nổ khi đã lên đến độ cao thích hợp.

Lượng nhiệt phát ra từ vụ nổ sẽ khiến các electron kim loại được kích thích lên mức năng lượng cao hơn và tạo ra các ánh sáng có màu sắc trên bầu trời. Các kim loại khác nhau có mức năng lượng khác nhau, mà do đó tạo ra các màu sắc khác nhau.

Ngày nay dưới sự phát triển của khoa học hóa học hiện đại, pháo hoa hiện nay đã được cải tiến nhiều. Mục đích của sự cải tiến này là tạo ra hỗn hợp pháo tạo ra hiệu ứng hình ảnh, âm thanh đẹp hơn, rực rỡ hơn, mà còn cả ở cấu tạo, nguyên lý phát nổ. Với sự tham gia của một số loại máy móc cho phép điều khiển, kích hoạt pháo chính xác, an toàn hơn.