فشفشه‌ها از مواد مختلفی تشکیل شده‌اند: یک اکسیدکننده برای تامین اکسیژن، سوخت برای ایجاد گرما، پودر فلز برای ایجاد جرقه‌های درخشان و یک چسب برای نگه داشتن مواد در کنار هم.
همه آتش‌بازی‌ها یکسان نیستند. فشفشه‌ها بر خلاف ترقه‌ها که هدفشان انفجار کنترل شده است، به آرامی و به مدت طولانی (گاهی تا یک دقیقه) می‌سوزند و جرقه‌های زیبا تولید می‌کنند. فلزاتی مانند آلومینیوم در فشفشه با گرما و سوختن، جرقه‌های درخشانی ایجاد می‌کنند.
شیمی فشفشه
فشفشه‌ها ترکیبی از مواد مختلف هستند که هر کدام نقش خاصی دارند:
- اکسیدکننده: ماده‌ای که اکسیژن مورد نیاز برای سوختن را تامین می‌کند.
- سوخت: ماده‌ای که با اکسیژن ترکیب شده و گرما و نور تولید می‌کند.
- پودر فلز: معمولا آهن، فولاد، آلومینیوم یا فلزات دیگر که با سوختن، جرقه‌های رنگارنگ ایجاد می‌کنند.
- چسب (Binder): ماده‌ای قابل اشتعال که مواد دیگر را کنار هم نگه می‌دارد.
علاوه بر این مواد اصلی، ممکن است رنگ‌دهنده‌ها و مواد دیگری نیز برای کنترل سرعت واکنش شیمیایی به فشفشه اضافه شوند. زغال و گوگرد اغلب به عنوان سوخت استفاده می‌شوند، اما گاهی خود چسب نیز نقش سوخت را ایفا می‌کند. چسب معمولاً از موادی مانند شکر، نشاسته یا شلاک ساخته می‌شود. نیترات پتاسیم یا کلرات پتاسیم نیز به عنوان اکسیدکننده کاربرد دارند. جالب است بدانید که فرمول ساخت فشفشه می‌تواند بسیار ساده باشد؛ مثلاً یک فشفشه می‌تواند فقط از پرکلرات پتاسیم، تیتانیوم یا آلومینیوم و دکسترین تشکیل شده باشد.
حالا که با مواد تشکیل‌دهنده فشفشه آشنا شدید، بیایید ببینیم این مواد چگونه با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند.
اکسیدکننده‌ها
اکسیدکننده‌ها نقش اصلی را در تولید اکسیژن برای سوختن مخلوط مواد فشفشه ایفا می‌کنند. این مواد معمولاً نیترات‌ها، کلرات‌ها یا پرکلرات‌ها هستند.
نیترات‌ها: از یک یون فلزی و یک یون نیترات تشکیل شده‌اند. نیترات‌ها حدود 30% از اکسیژن خود را آزاد می‌کنند و به نیتریت و اکسیژن تبدیل می‌شوند. برای مثال، واکنش نیترات پتاسیم به این صورت است:
2 KNO3(جامد) → 2 KNO2(جامد) + O2(گاز)
کلرات‌ها: از یک یون فلزی و یک یون کلرات تشکیل شده‌اند. کلرات‌ها تمام اکسیژن خود را آزاد می‌کنند و در نتیجه واکنش شدیدتری ایجاد می‌شود. اما همین ویژگی باعث می‌شود که احتمال انفجار آنها بیشتر باشد. به عنوان مثال، واکنش کلرات پتاسیم برای آزاد کردن اکسیژن به این شکل است:
2 KClO3(جامد) → 2 KCl(جامد) + 3 O2(گاز)
پرکلرات‌ها: نسبت به کلرات‌ها اکسیژن بیشتری دارند، اما در اثر ضربه کمتر احتمال انفجار دارند. واکنش پرکلرات پتاسیم برای آزادسازی اکسیژن به این صورت است:
KClO4(جامد) → KCl(جامد) + 2 O2(گاز)
عوامل کاهنده (سوخت)
عوامل کاهنده در واقع همان سوختی هستند که برای سوزاندن اکسیژن تولید شده توسط اکسیدکننده‌ها به کار می‌روند. این سوختن، گاز داغ تولید می‌کند. گوگرد و زغال نمونه‌هایی از عوامل کاهنده هستند که با اکسیژن واکنش داده و به ترتیب دی‌اکسید گوگرد (SO2) و دی‌اکسید کربن (CO2) تولید می‌کنند.
تنظیم کننده‌ها
برای کنترل سرعت واکنش سوختن در فشفشه، می‌توان از ترکیب دو عامل کاهنده استفاده کرد تا واکنش را تسریع یا کند کرد. همچنین، فلزات هم بر سرعت واکنش تأثیر می‌گذارند. پودرهای فلزی ریزتر، واکنش سریع‌تری نسبت به پودرها یا پولک‌های درشت‌تر دارند. مواد دیگری مانند آرد ذرت نیز ممکن است برای تنظیم واکنش به ترکیب اضافه شوند.
چسب‌ها (Binders)
چسب‌ها موادی هستند که مخلوط مواد فشفشه را کنار هم نگه می‌دارند. در فشفشه‌ها، چسب‌های رایج عبارتند از دکسترین (نوعی قند) که با آب مرطوب شده، یا ترکیبات شلاک که با الکل مرطوب می‌شوند. چسب می‌تواند هم به عنوان یک عامل کاهنده (سوخت) و هم به عنوان تعدیل‌کننده واکنش عمل کند.
فشفشه چگونه کار می‌کند؟
بیایید همه چیز را کنار هم بگذاریم. فشفشه از مخلوطی شیمیایی تشکیل شده که دور یک میله یا سیم سفت و سخت شکل داده می‌شود. این مواد شیمیایی اغلب با آب مخلوط می‌شوند تا خمیری به دست آید که می‌توان آن را روی سیم پوشاند (با غوطه‌ور کردن) یا داخل یک لوله ریخت. پس از خشک شدن مخلوط، فشفشه آماده است. برای ایجاد جرقه‌های درخشان و براق، از گرد یا پولک‌های آلومینیوم، آهن، فولاد، روی یا منیزیم استفاده می‌شود. این پولک‌های فلزی تا زمانی که ملتهب شوند گرم می‌شوند و به شدت می‌درخشند یا در دمای بسیار بالا، واقعاً می‌سوزند. گاهی اوقات به دلیل شکل کروی جرقه‌هایی که قسمت سوزان فشفشه را احاطه کرده‌اند، به فشفشه‌ها "گلوله برفی" هم می‌گویند.
برای ایجاد رنگ‌های مختلف، مواد شیمیایی متنوعی به ترکیب اضافه می‌شود. مقدار سوخت و اکسیدکننده، به همراه سایر مواد شیمیایی، به گونه‌ای تنظیم می‌شود که فشفشه به آرامی بسوزد و منفجر نشود. هنگامی که یک سر فشفشه روشن می‌شود، به تدریج تا انتهای دیگر می‌سوزد. در تئوری، انتهای میله یا سیم باید به اندازه‌ای محکم باشد که بتواند فشفشه را در حین سوختن نگه دارد.
نکات مهم در مورد استفاده از فشفشه
واضح است که جرقه‌های ناشی از سوختن فشفشه خطر آتش‌سوزی و سوختگی دارند. اما نکته‌ای که شاید کمتر به آن توجه شود این است که فشفشه‌ها حاوی یک یا چند فلز هستند و می‌توانند برای سلامتی مضر باشند. فشفشه‌ها نباید روی کیک به عنوان شمع روشن شوند یا به گونه‌ای استفاده شوند که منجر به مصرف خاکستر آنها شود. پس، با رعایت نکات ایمنی از فشفشه‌ها استفاده کنید و لذت ببرید!
راز درخشش فشفشه: شیمی آتش‌بازی بی‌خطر! — https://www.rayeshmand.ir/article/the-chemistry-behind-sparklers