la chimica fa scintille: come sono fatte e come funzionano le stelline da party

scatole di bastoncini pirotecnici (sparkler)Avete presente quei bastoncini grigi con lo stecchetto metallico, lunghi circa 20-25 cm, che si accendono in occasione delle feste e che anno tante scintille tutte intorno, alimentando il giubilo di grandi e piccini?
Vi siete mai domandati come funzionano?
E, soprattutto, vi siete mai chiesti come si chiamano?   Già, perché stranamente a dirsi è proprio questa la parte più difficile, tanto che ci ho impiegato venti minuti buoni di ricerca su Google prima di rassegnarmi al fatto che nella lingua italiana non ci sia un termine specifico e comunemente utilizzato per indicarli, qualcosa che digitato nei motori di ricerca faccia – non dico inequivocabilmente, ma per lo meno prevalentemente – venire fuori le loro immagini o i video che ne illustrino il funzionamento.   Anche in inglese ho faticato non poco, ma alla fine un termine l’ho trovato: “Sparkler”, che letteralmente potrebbe significare “scintillatore” (da spark, scintilla).

Ed in effetti è proprio questa, la scintilla, la prerogativa più peculiare del loro funzionamento: non si tratta di un’esplosione, come nel caso di petardi e miccette, ma neanche di una tradizionale combustione continua, come nel caso delle candele…  per intenderci tutti oggetti al tempo stesso natalizi (o per lo meno nell’immaginario collegati alle feste, specie a quelle invernali), ed il cui funzionamento è basato su reazioni di ossidoriduzione.   La scintilla di questi simpatici bastoncini, in effetti, pur facendo parte anche lei di questo vastissimo mondo accomunato dal passaggio di elettroni dagli atomi di un atomo di un certo elemento (quello che si ossida) a quelli di un altro (quello che si riduce), merita di fatto un approfondimento a parte.

Innanzitutto cos’è una scintilla.
Al pari del fuoco e di un’esplosione, la scintilla non è di per sé stessa una sostanza o uno stato della materia, ma un insieme di manifestazioni fisiche percepibili con i nostri sensi di un fenomeno chimico-fisico.   Nel caso delle scintille, tuttavia, vi possono essere due fenomenologie ben distinte dietro ad uno stesso termine, ed in effetti non ci è richiesto uno sforzo così grande nell’individuare una differenza, anche ad iniziare da come si presentano nell’aspetto, delle scintille originate da un fenomeno elettrico rispetto a quelle originate da un’azione meccanica e/o da una reazione chimica.

scintilla elettricaNel caso di una scintilla elettrica, sia essa fugace come che “scocca” quando facciamo toccare fra loro due corpi elettricamente carichi oppure due cavetti elettrici collegati rispettivamente ai diversi poli di una batteria, che continua come nell’arco voltaico che si forma in un’ampolla sotto vuoto, sempre tra due corpi carichi elettricamente, essa è una manifestazione fisica di un fenomeno esso stesso fisico.   L’emissione di luce da parte di un corpo, indipendentemente dalla causa a monte che lo ha provocato, è sempre dovuto al ritorno di un elettrone eccitato, quindi che si trovava ad uno stato energetico superiore a quello che gli competerebbe in condizioni ordinarie, al suo stato energetico originale.  Questa transizione fra due livelli energetici differenti (che corrispondono a livelli energetici diversi negli orbitali elettronici) comporta il rilascio di energia dall’elettrone all’ambiente circostante, e l’emissione elettromagnetica sotto forma di luce (non soltanto di quella visibile) è una delle forme più comuni attraverso le quali questi elettroni eccitati possono scaricare la loro energia.   La quantità di energia rilasciata da ogni transizione elettronica dallo stato eccitato allo stato di quiete non può variare in modo continuo, magari in relazione all’entità dell’eccitazione stessa, tanto meno in modo casuale: essa procede invece a blocchetti, o a scaglioni: quelli che i fisici definiscono “quanti” di energia.
equazione di PlanckLa transizione di un certo elettrone di un certo elemento chimico, da un dato livello elettronico eccitato ed un altro livello più basso, comporta il rilascio di una ben precisa quantità di energia.   Per la relazione di Planck, che a ragione viene spesso definito come il padre fondatore della fisica quantistica, questa quantità di energia corrisponde ad una altrettanto specifica radiazione elettromagnetica, caratterizzata da una precisa lunghezza d’onda, o frequenza, o numero d’onda…  in pratica tutte indicazioni che, parlando di luce, ci indicherebbero un ben preciso colore.
esempi di spettro emissione atomica, a righe, per elementi chimici diversiQuesta quantizzazione nell’emissione elettromagnetica, che si traduce in uno spettro di emissione a righe sottilissime, virtualmente monodimensionali, si riferisce ovviamente ad atomi isolati, i cui elettroni vengono eccitati, quindi promossi ad un livello energetico superiore e quindi cedono questa loro energia tornando allo stato energetico originale: nel caso di più atomi legati insieme, ovvero di molecole, la situazione risulta di fatto più sfumata, tanto che le “righe” di emissione cedono gradualmente il posto a “bande” più o meno larghe che abbracciano ciascuna una certa ampiezza di spettro elettromagnetico.

La condizione di trovarci in condizioni di atomi isolati non è comunque difficile nel contesto di fuochi, scintille ed affini, dal momento che le alte energie in gioco comportano comunque la rottura di almeno una certa parte dei legami chimici anche delle molecole più complesse, con la formazione di specie atomiche o radicali che isolate che, per quanto effimere, riescono ad esistere quelle frazioni infinitesime di secondo sufficienti per generare l’emissione luminosa.
Questa situazione, che determina nel nostro caso il colore della scintilla elettrica, dell’arco elettrico (come quello di un tubo fluorescente tipo quelli al neon), fino ad arrivare alle piccole proiezioni di scintille dei nostri bastoncini natalizi, accomuna tutti i fenomeni descritti, e probabilmente molti altri ancora, come ad esempio i fulmini nel cielo e, sempre per restare in tema pirotecnico, i fuochi d’artificio colorati.

energia di attivazioneQuello che fa la differenza fra una scintilla elettrica ed una, diciamo, “chimica” è piuttosto la ragione che ha causato l’eccitamento elettronico.   Non dobbiamo sforzarci poi molto ad immaginare, anche banalmente partendo dagli stessi termini, che nel primo caso la ragione sia in primo luogo elettrica, quindi fisica, mentre nel secondo caso essa attinga energia da una reazione chimica di tipo esoergonico, ovvero che avviene con emissione di energia.   Una reazione esoergonica è sempre favorita almeno dal punto di vista termodinamico anche se, dal punto di vista pratico, può sovente incontrare delle difficoltà nel decollare, difficoltà questa che possono essere di natura cinetica o meglio ancora essere ricercate nella richiesta di un’energia di prima attivazione eccessivamente alta, condizione questa che può essere superata con l’impiego di un opportuno catalizzatore.
Una volta innescata, una reazione esoergonica libera energia che, nel caso più banale e “soft” può manifestarsi sotto forma di calore: la soluzione o comunque i materiali (reagenti e prodotti) si riscaldano spontaneamente man mano che la reazione procede.   Se il riscaldamento è così intenso e veloce da portare rapidamente in ebollizione almeno uno dei materiali coinvolti (es. il solvente di reazione) assisteremo ad un decorso piuttosto tumultuoso, addirittura violento della reazione.   Se poi tra i prodotti della reazione dovessero formarsi con estrema velocità prodotti gassosi (es. anidride carbonica, azoto, ecc), sulla semplice considerazione del fatto che questi a parità di peso tendono ad occupare un volume nettamente superiore rispetto ai reagenti originali dai quali si sono formati (liquidi o solidi) già si intuisce il potenziale “esplosivo” di questo genere di reazioni.

assorbimento ed emissione di luce in relazione all'eccitamento elettronicoQuando l’intensità dell’energia prodotta dalla reazione è sufficientemente alta ed il mezzo di reazione lo consente (ovvero non assorbe lui stesso questa energia come spesso capita nella reazioni in soluzione), questa può determinare dei fenomeni energeticamente più impegnativi, come appunto l’eccitazione di elettroni periferici degli atomi che, da un livello energetico di base, possono venire promossi temporaneamente ad un livello energetico superiore, ovvero ad uno stato eccitato.
Atomi isolati e fra loro rarefatti, idealmente come quelli introdotti in una zona a temperatura uniforma sulla fiamma di un becco Bunsen sul classico filo inerte in platino nel classico “saggio alla fiamma”, forniscono uno spettro di emissione atomico, a righe sottilissime, dove ogni riga corrisponde ad una ben precisa transizione da uno stato elettronico eccitato ad uno più rilassato.   Ogni elemento chimico è caratterizzato da un suo specifico spettro di emissione atomica, che nell’insieme delle sue righe determinerà una certa colorazione della fiamma, percepibile con i nostri occhi: giallo per il sodio, verde per il bario, fucsia per il litio, violetto per il potassio, e così via.   Nel caso di una massa incandescente, come ad esempio una colata di metallo fuso, ciascun atomo si trova in condizioni termiche differenti, con la possibilità fra l’altro di scambiare energia con gli atomi vicini, e per tanto la massa nel suo insieme, per quanto costituita da materia allo stato elementare, restituirà uno spettro di emissione differente dai rispettivi atomi isolati e rarefatti, che assomiglia di più ad uno spettro continuo, il cui massimo di emissione (che corrisponde al colore che percepiamo a vista) si sposta a seconda delle condizioni di temperatura.

Il caso dello spettro di emissione atomica “pulito” osservabile con il saggio sul becco Bunsen non si discosta invece di molto da quanto osservabile in cielo durante gli spettacoli pirotecnici e neppure dalle scintille di luce che vengono proiettate tutto intorno dai bastoncini festosi con i quali abbiamo aperto l’articolo.

saggi alla fiamma di litio, sodio, potassio e rame

Un prodotto pirotecnico, così come un esplosivo (in fondo quello che cambia è solo la destinazione d’uso) può essere visto come un prodotto autosussistente. Mi spiego meglio.
In una qualsiasi combustione, che come abbiamo più volte ricordato non è altro che una forma di ossido-riduzione, è necessario un combustibile (che ossidandosi “brucia”) ed on comburente (che si riduce, ovvero ossida il combustibile) che ne consente la combustione.
Il caso più facile da visualizzare è probabilmente quello della candela, che accesa sotto una campana di vetro brucia fintanto che è presente una quantità sufficiente di ossigeno, terminata la quale si spegne.   In un sistema autosussistente il comburente, ovvero il responsabile dell’ossidazione del combustibile, non può esaurirsi prima del combustibile semplicemente perché entra a fare parte integrante della formulazione del prodotto che brucia. Già nella classica polvere pirica nota ai Cinesi già ai tempi di Marco Polo, si miscelava uno o più combustibili (es. polvere di zolfo e/o di carbone) con il salnitro (nitrato di sodio): tutte sostanze facilmente reperibili in natura, che venivano finemente macinate singolarmente e poi intimamente mescolate insieme. Anche in tutte le formulazioni successive, dalla polvere da sparo ai petardi, dai fiammiferi che si accendono per sfregamento ai fuochi d’artificio, fino ad arrivare alle nostre stelline scintillanti, il concetto di fondo è sempre quello di mescolare intimamente un combustibile con un comburente, possibilmente entrambe in forma solida, scegliendo accuratamente sostanze che non siano igroscopiche (ovvero che non assorbano l’umidità ambientale, inzuppandosi di conseguenza) e che garantiscano una stabilità sufficiente per poter conservare e maneggiare il prodotto assemblato. triangolo del fuoco: condizioni richiesta affinché si realizzi una combustioneQuesto deve potersi accendere solo nel momento desiderato, tramite un innesco: questo costituisce il terzo ed ultimo termine del cosiddetto “triangolo del fuoco”, citato in tutti i corsi di prevenzione e protezione dagli incendi.   Oltre al combustibile ed al comburente, una combustione si avvia solo in presenza di un innesco, che può essere visto come una carica energetica più o meno intensa (a seconda del tipo di combustibile e di comburente utilizzati) necessari per fornire l’energia di attivazione del processo.   Dopo di che l’energia sviluppata dalla combustione stessa risulta ampiamente in grado di automantenere il processo avviato… a meno che si ricorra a tecniche per disperdere o assorbire questa energia, come ad esempio raffreddare fortemente il sistema, e l’impiego tradizionale dell’acqua per spegnere almeno “alcuni tipi” di incendi va anche (ma non soltanto) interpretato in questo modo.

Tornando ai sistemi combustibili autosussistenti, essi quindi sono stati progettati per mantenere la combustione anche in assenza di ossigeno atmosferico, e non solo.
Incrementando il rapporto comburente/combustibile oltre il rapporto stechiometrico calcolabile, ovvero introducendo in dose un eccesso di comburente rispetto al minimo indispensabile per mantenere la combustione, si può perseguire un’accelerazione nella combustione stessa che, in molto casi, può avere decorso esplosivo.
Un altro fattore importante, già anticipato precedentemente, è quello relativo alla comminuzione ed al mescolamento reciproco di combustibile e comburente: questo concetto, Ascanio Sobrero (1812-1888) e la nitroglicerinaportato all’estremo, lo si ritrova negli esplosivi più potenti e spesso anche più sensibili, dove in una sola molecola si trova una parte organica in grado di ossidarsi e che funge quindi da combustibile) e dei gruppi funzionali ossidanti (es. nitrogruppi) che nelle condizioni opportune possono supportare questa ossidazione… in un modo tanto “intimo” quanto si tratta di parti diverse della stessa molecola.   E’ l’esempio del tritolo (2,4,6-trinitrotoluene) come anche della nitroglicerina scoperta nel 1847 dal chimico italiano Ascanio Sobrero (vedi anche servizio di Chimicare sulla figura di Sobrero), la cui energia di attivazione della reazione di “ossidoriduzione interna” è talmente bassa che non serve come innesco una fiamma o una scintilla ma semplicemente l’energia minima fornita da un urto meccanico.

Al pari degli esplosivi e dei prodotti prirotenici, anche le stelline natalizie sono in grado di bruciare in assenza di ossigeno, o per lo meno ben oltre le condizioni nelle quali la candela ha consumato tutto l’ossigeno presente nel contenitore e si è per tanto spenta.
Le formulazioni dell’impasto solidificato sui bastoncini comunemente venduti per uso casalingo contengono in ogni caso uno o più ossidanti allo stato solido di sufficiente stabilità, solitamente nitrati di potassio, bario o stronzio, più raramente potassio perclorato (che potrebbe ingenerare rischi di esplosività del prodotto), con l’aggiunta di agenti leganti che tengano insieme questi con le particelle di combustibile, come ad esempio destrine (ovvero amido parzialmente idrolizzato) oppure nitrocellulosa, una classica molecola di quelle già descritte in precedenza che contiene al suo interno una parte organica facilmente ossidabile e dei nitro gruppi che ne supportano una vicace ossidazione, tanto che questo materiale può svolgere contemporaneamente il ruolo di legante, di combustibile e di comburente.

Nel video che segue è riportata una miscela di un fortissimo ossidante (il potassio clorato) con un combustibile (amido) e stronzio nitrato (lo spettro di emissione atomica dello stronzio ricade nella zona del rosso dello spettro della luce visibile).   In questo caso le tre sostanze sono state semplicemente “miscelate” allo stato di polveri, senza la compressione con un legante che attribuisce a loro la forma di un bastoncino: la combustione e l’emissione luminosa risulta pertanto particolarmente breve ma intesa, tanto da rendere questa esperienza potenzialmente pericolosa e quindi sconsigliata.   Come si vedrà in seguito, manca però da questa formulazione una tipologia di ingrediente fondamentale, indispensabile per la generazione delle note “scintille”.

Zolfo e carbone possono essere utilizzati come combustibili, ma se fossero loro gli unici combustibili presenti nella miscela dei bastoncini, una volta accesi il loro aspetto sarebbe nettamente meno “scintillante” e festoso, assomigliando probabilmente di più ad una candelina che ha molta fretta di bruciare e non perde tempo né sa come produrre scintille.
A venirci in aiuto in questo senso sta invece un’altra tipologia di materiale, questo più specifico nell’ambito delle stelline appunto, ma anche di molti altri giochi pirotecnici dove il lato estetico costituisce esso stesso il motivo di essere del processo di combustione: parliamo del cosiddetto “combustibile metallico”. Si tratta di minuscoli frammenti, pagliuzze, polvere, striscioline o granuli, di un metallo fra i quali: alluminio, ferro, titanio, magnesio, o anche di loro leghe, come quella ferro-titanio o il cosiddetto “magnalium” (una lega di alluminio contenente max. 1% di magnesio e quantità minori di altri metalli).
Non è probabilmente così scontato per i non-chimici associare l’idea di un metallo con quella di un combustibile, ma se pensiamo che una combustione è comunque un processo di ossidazione a carico di una sostanza ad opera di ossigeno o comunque di una sostanza in grado di liberare ossigeno (come ad esempio i nitrati precedentemente descritti), iniziamo a comprendere come lo stesso processo di ossidazione di un metallo come semplice ferro, che nelle condizioni di un grosso blocco di materiale e di bassa energia di attivazione porta semplicemente alla lenta formazione di ruggine superficiale, nelle condizioni di suddivisione più fine, corpuscolare, del metallo ed in presenza di una forte energia di attivazione (es. innesco) può presentarsi sotto le vesti di un fenomeno apparentemente del tutto diverso: quello della scintilla.

scintille bianche molto luminose da titanio durante la saldatura di questo metalloLa scintilla “chimica” (la chiamiamo così per distinguerla dal caso elettrico, descritto all’inizio dell’articolo) è costituita da un pezzo, talvolta minuscolo, di combustibile (nel nostro caso di metallo) che si ossida in modo molto rapido, con la conseguente emissione di luce, mentre nel contempo si muove velocemente allontanandosi dal corpo che l’ha generata.   Se ci pensate bene, questa spiegazione accomuna sia le scintille ottenute per sfregamento meccanico di due oggetti (ad esempio quando si cerca di tagliare un metallo con un seghetto), sia nel caso dei fuochi pirotecnici, comprese le nostre stelline festose.
Nella sua vita effimera, il tempo di un volo, una frazione di secondo, la pagliuzza di metallo si ossida in modo veloce ed esoergonico, grazie nel nostro caso alla presenza delle sostanze ossidanti, emettendo una luce che corrisponde grosso modo allo spettro di emissione degli atomi dei quali è costituito.   E’ proprio questo il criterio che guida i Produttori alla scelta di un metallo o di una lega piuttosto che un altro: mentre il ferro produce scintille di colore arancio, stranamente “ramificate”, il titanio è noto per il colore bianco intenso delle sue emissioni e la lega ferro-titanio sta all’origine di scintille di colore giallo-dorato.
In realtà, dal momento che in condizioni di elevata temperatura, per quanto brevissime, il corpuscolo di metallo rischia di fondersi, e comunque non riesce a raggiungere le condizioni di atomi isolati che costituiscono l’ideale per l’osservazione di uno spettro di emissione atomica puro, per avere delle vere colorazioni, diversificate ed apprezzabili, gli stessi produttori dei bastoncini scintillanti introducono talvolta nella miscela dei coloranti pirotecnici, che altro non sono che sali (di solito cloruri o nitrati) di metalli come bario, stronzio, litio e rame, noti a tutti gli studenti per i loro spettri di emissione caratteristici, osservabili con grande facilità tramite il classico saggio alla fiamma.

Per concludere, una nota di cronaca: un rapporto del 2009 del National Council on Fireworks Safety degli Stati Uniti indica che le scintille prodotte da questo genere di bastoncini sono responsabili del 16% delle lesioni dovute ad oggetti pirotecnici “legali” negli stessi USA.   In particolare ben il 57% delle lesioni riportate da bambini di età inferiore ai 5 anni di età a causa di oggetti pirotecnici in occasione delle festività del 4 luglio 2003 sono state dovute a questo genere di oggetti.
Tutto sommato un numero ancora contenuto di casi, mi verrebbe da argomentare con una certa amarezza, se confrontati al grande numero di genitori irresponsabili che a quanto pare mettono in mano ad un bambino di età pre-scolare anche il più sicuro degli oggetti accesi, fosse anche soltanto una candela, tanto più se composto da nitrati, sali magari di rame o di bario, e metalli in corso di ossidazione che schizzano allegramente tutti intorno.

6 risposte a la chimica fa scintille: come sono fatte e come funzionano le stelline da party

  • kelino scrive:

    sono tossiche?

  • michele scrive:

    bellissime le scintille.
    bellissimo articolo, complimenti all’autore.

    ma si possono fare in casa:
    quali sono le percentuali o i grammi di sostanze per creare la miscela di stelline con ossido di ferro e polvere di alluminio?

    qualcuno mi sa rispondere?

    • babbo scrive:

      lascia perdere queste stronzateda laboratorio scolastico io sono 40 anni che faccio il pirotecnico oltre ad essere chimico industriale e la votare come tale in pirotecnica si chiamano candele elettrica perché contiene alluminio e produce un col re elettrico meglio erano quelle sul filo di ferro ondulato immersa in pasta semiliquida se vuoi saltare in aria Usa il perclorato sostituito benissimo dal nitrato di bario la ultima azienda italiana che li fabbrica va era laGERRIERO DI NAPOLI CHE HA CHIUSO NEL2013 RICONVERTENDOSI ALLA PRODOTTO CINESEquindi come vedi tutto fa parte di una professione che si chiama pirotecnica

  • Aldo scrive:

    Bellissime le stelline scintillanti o qualunque nome gli si voglia dare.
    È sempre un oggetto da usare con cautela (a me hanno sempre dato l´idea di raggiungere temperature altissime mentre bruciano)

    Sarebbe possibile produrre autonomamente la miscela per rivestire i bastoncini, e magari riutilizare, ricoprendoli, quelli già bruciati ?

    Grazie.

    Aldo

  • Gifh scrive:

    Meravigliose stelline di Natale, le adoro perché sono abbastanza innocue da poterle affidare anche a un bambino! Per quanto riguarda il nome, anche se non è molto diffuso, credo proprio che “scintilline” talora anche “argentate” sia il termine più usato, inoltre esistono le candele scintilline che in versione più piccola qualche volta spuntano sulle torte per un compleanno in allegria!

    Tanti cari auguri di buon Natale!

  • Hawthorn scrive:

    Un articolo davvero molto interessante, oltre che in perfetta sintonia con il clima natalizio!

    Mi son sempre chiesto quale fosse il meccanismo alla base dell’emissione delle scintille di questi “sparklers” (che tuttora continuo a chiamare impropriamente stelline) – ed immaginavo si trattasse di uno speciale fenomeno di combustione. Non avevo però mai avuto modo di approfondire il discorso.

    Grazie e buone feste! =)

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