Химические реактивы,
комплектующие и оборудование
для пиротехники

Составы цветных огней

Широкоизвестно что способность смеси к горению и образованию нужного эффекта сильно зависит от ее состава. Для получения нужных свойств компоненты смеси должны быть взяты в строго определенном количестве. Часто для создания смеси с нужном эффектом и свойствами не имеется готовых рецептов, поэтому приходится изготавливать смесь самостоятельно. Чтобы сделать это нужно произвести предварительные рассчеты, с целью придания ей нужных свойств. Рассмотрим общие принципы составления составов цветных огней и проведем практический рассчет нескольких составов. Для начала рассмотрим теоретические аспекты составов цветных огней.

Основой любого состава цветного огня как и любой пиротехнической смеси является смесь топлива и окислителя, сгорание которой в общем и обеспечивает само горения состава. Простейшим окислителем всегда присутствующим в окружающей среде является кислород воздуха, он обеспечивает сгорание например бензина, нефти и других органических и неорганических веществ на воздухе. В условиях же применения пиротехнических составов далеко не всегда имеется возможность достижения нужных свойств (прежде всего скорости горения и возможности сгорания в условиях когда приток воздуха затруднен) при использовании воздушного окисления, поэтому в состав пиротехнической смеси всегда вводят твердое вещество - окислитель, содержащее значительное количество кислорода и способное выделять его при нагревании, обеспечивая таким образом сгорание топлива.

Понятно, что простая смесь топлива с окислителем далеко не всегда дает пламя характерной окраски. Для того чтобы сделать пламя окрашенным в него надо внести вещество - цветопламенную добавку, которое будет соотбщать пламени окраску. Для этих целей на практике применяют соли натрия, бария, стронция и меди, некоторые соединения которых способны образовывать легколетучие продукты окрашивающие пламя в определенный цвет. Для улучшения качества окраски, часто вводят в состав дополнительные вещества, способствующие образованию оптимальных для окрашивания пламени условий.

Таким образом в составы цветных огней содержат следующие компоненты:

1. Кислородосодержащие окислители.
2. Органические или неорганические горючие, а так же горючие связующие (клеи).
3. Соли окрашивающие пламя.
4. Вещества улучшающие окраску пламени (доноры хлора).
5. Технические добавки (флегматизаторы, влагозащитные вещества).

Смесь топлива с окислителем является основным компонентом поддерживающим процесс горения, а выделяющаяся при сгорании энергия тратится на образование высоких темератур в горящем составе и продуктах его горения. После того как температура достигнет значительной величины в игру вступают вещества окрашивающие пламя и добавки улучшающие качество окрашивания пламени. Молекулы окрашивающей пламя соли под действием высокой температуры разлогаются выделяя легколетучие продукты, которые испаряются и под действием высокой температуры в пламени испускают цветной свет.

Для того чтобы лучше понять весь процесс и понять как сделать его более эффективным (т.е улучшить окрас пламени) необходимо рассмотреть простейшую теорию процесса образования цветного пламени.

Механизм образования цветного пламени

Опытным путем было установленно, что добавление к топливно окислительной смеси определенных веществ пламя приобретает характерную окраску, причем цвет создаваемый этими веществами является характерным для основного элемента, входящего в его состав. Так оказалось что некоторые соли стронция сообщают пламени красную окраску, cоли бария - зеленую, соли меди - синюю, соли же натрия окрашивают пламя в интенсивный желтый цвет. Сразу же было замечено что не все соли этих элементов способны сообщать пламени окрашивание, а те что вызывали его появление давали различное качество окрашивания.

Оказалось что источником окрашивания пламени явлются легколетучие продукты термического разложения окрашивающих солей - прежде всего галогениды и оксиды окрашивающих пламя элементов. Качество окраски оказалось зависящим прежде всего от состава света излучаемого молекулами излучателями и количеством этих молекул в пламени. Кроме того было замечено что другие вещества способные к подобным эффектам изменяют или вообще полностью убирают эффект окрашивания, так например введение в состав синего огня даже очень небольшого количества солей натрия полностью ликвидирует синюю окраску, в то время как введение хлорорганических соединений наоборот приводит к заметному улучшению синего окрашивания. Для того чтобы разобраться почему так происходит, рассмотрим процесс окрашивания пламени более подробно.

Горение топливно окислительной смеси приводит к образованию высоких температур внутри горящего состава а так же газообразных продуктах сгорания. В этих условиях цветообразующие соли претерпевают термическое разложение, так например нитрат стронция (используемый для создания красного окрашивания) при нагревании разлогается на окись стронция, оксид азота и кислород:

Sr(NO3)2 => SrO + 2NO2 + 1/2O2

В присутствии же веществ способных эффективно окисляться кислородом разложение идет еще дальше и вместо двуокиси азота появляется азот и еще большее количество кислорода:

Sr(NO3)2 => SrO + N2 + 5/2O2

Выделяющийся при разложении кислород расходуется на горения новых порций топлива. Подобным же образом разлогаются и другие богатые кислородом соли, например:

Sr(ClO4)2 => SrCl2 + 4O2
Sr(ClO3)2 => SrCl2 + 3O2
Sr(BrO3)2 => SrBr2 + 3O2

Таким образом некоторые соли стронция являются одновременно и цветообразователями и окислителями (например перхлорат, хлорат, бромат и нитрат). Термическое разложение солей более бедных кислородом идет несколько иначе и не приводит к образованию кислорода, так например карбонаты и оксалаты дают углекислоту и окись стронция:

SrCO3 => SrO + CO2
SrC2O4 => SrO + CO2 + CO

Очевидно что эти газы уже не способны поддерживать горение. Таким образом оксалаты и карбонаты являются чистыми цветообразователями и окислителями не являются. Как видно из приведенных реакций в любом случае при разложении стронциевой цветовой добавки выделяются либо галогениды либо окись стронция. Но при еще более высокой температуре (какая имеется в пламени) эти соединения так же неустойчивы - они разлогаются и ионизируются:

SrO => SrO* + e(-)
SrCl2 => SrCl* + 1/2Cl2
SrBr2 => SrBr* + 1/2Br2

Процесс образования этих молекул в пламени является основой любого состава цветного пламени. Именно от их содержания в пламени больше всего зависит качество получаемой окраски. Остается разобраться в том каим образом указанные молекулы испускают свет.

Для каждой молекулы подобно атому существует ряд строго определенных энергетических состояний в которых она может находиться (это ограничение накладывается законами физики микрообъектов - квантовой механикой). В нормальных уловиях молекула находится в состоянии с наименьшей энергией в самом низком энергетическом состоянии, ниже которого состояний нет. Если же молекуле передать некоторое количество энергии (например путем нагрева) то она перейдет в состояние с более высокой энергией - возбужденное состояние. Но возбужденное состояние неусточиво и молекула стремиться избавиться от лишнее энергии и перейти в устойчивое - низшее энергетическое состояние, при этом лишняя энергия выделяется в виде квантов света с длинной волны соответствующей выделяющемуся излишку энергии.

Из этого следует практически важный момент: поскольку разность между энергиями различных состояний не может быть любой, а может принимать только определенные значения то и свет испускаемый молекулами при переходах между состояниями может иметь лишь строго определенные длинны волн. А поскольку цвет света определяется его длинной волны то и свет излучаемый при переходах молекул будет иметь строго определенную окраску, характерную для каждого вида молекул.

Теперь становится совершенно ясна причина того что одни вещества окрашивают пламя а другие нет и почему они окрашивают его в разной степени - они испускают свет различных длинн волн и в различных количествах. То есть свет испускаемый различными возбужденными молекулами имеет различный спектральный состав. Так например многие другие вещества не вызывают окрашивания пламени лишь потому что длинны волн испускаемого ими света лежит в невидимом для глаза диапазоне, а различное качество окрашивание например бромидом и хлоридом связано с тем что на каждую длинну волны они излучают различное колличество энергии, поскольку их молекулы хотя и схожи но имеют различную структуру.

Виды спектров и возможности их применения для окрашивания пламени

Спектром называется совокупность излучений всех длинн волн входящих излучающийся телом свет. Существуют различные виды спектров, поскольку вещество и тела в разных условиях излучает по разному. Так сильно нагретые твердые тела, капельки жидкости и твердые частицы излучают электромагнитные волны всех длинн, но интенсивность излучения приходящаяся на каждую длинну волны зависит от температуры и подчиняется законам излучения так называемого абсолютно черного тела. Наверняка многи обращали на то что при расскалении на огне металл накаляется и краснеет, при еще большем нагреве он желтеет а потом становится вовершенно белым - это наглядная илюстрация того как меняется излучение абсолютно черного тела с температурой. Важным является тот факт цвет нагретого тела напрямую связан с его температурой а так же то что в этом свете присутствуют волны всех длинн, но воспринимаемый глазом цвет соответствует волнам тех длинн, для которых интенсивность для данной температуры максимальна. Общая интенсивность излучения нагретого твердого тела пропорционально четвертой степени температуры (закон стефана - больцмана) поэтому с повышением температуры свет нагретого тела становится более ярким и начиная с определенного момента он уже ярок настолько что его цвет уже не воспринимается глазом и виден как белый. Таким образом излучение нагреты твердых тел содержит только определенные цвета и сильно меняет яркость с температурой, поэтому использовать его для создания цветного огня невозможно, но важно учитывать что чем больше твердых частиц в себе содержит пламя и чем выше их температура тем больше они будут засорять цвет пламени своим цветом и обесцвечивать пламя за счет своей яркости. Хорошим примером сказанному является обыкновенное известное всем пламя свечи, желтый цвет верхушки которого связан с тем что именно в верхней зоне пламени происходит само сгорание паров воска, поэтому в этой области пламени содержатся твердые частички сажи которые и светят желтым цветом из за своего теплового излучения. Поскольку тепловое излучение содержит все длинны волн то его спектр называется сплошным спектром.

спектр излучения

Атомарные спектры

Иначе светят нагретые атомы и молекулы. При сильном нагреве атомы переходят в возбужденные состояния после чего они возвращаясь в основное они испускают излучение с определенной длинной волны, таким образом спектр возбужденных атомов содержит в себе набор тонких линий соответствующий волнам определенных длинн. Количество линий в атомном (линейчатом) спектре так же зависит от температуры: при более сильном нагреве энергия атомов повышается и они получают возможность переходить в более высокие возбужденные состояния (например второе и третье) возвращаясь из которых на низшие энергетические уровни атомы излучают волны других длинн, т.е отличные от волн испускаемых при возвращении из других энергетических состояний, таким образом в атомарном линейчатом спектре появляются новые линии. Для иллюстрации ниже приведены линии испускаемые атомами натрия при переходе из возбужденных в низшие состояния. Верхний спектр содержит линии испускаемые при переходе из первого возбужденного состояния в основное, второй из второго возбужденного состояния а третий содержит совокупность первого и второго.

 спектр излучения

Первое что бросается в глаза это яркая желтая линия, испускаемая натрием при переходе из первого возбужденного состояния в основное. Она обладает настолько большой яркостью что другие линии первого возбужденного состояния просто не видны ня ее фоне, хотя их сотни (их можно разглядеть покрутив ручку яркости на мониторе), а общий спектр свечения атомарного натрия как будто бы вообще не содержит линий второго возбужденного состояния - настолько велика ее яркость. Причину этого понять несложно - чем ниже лежит возбужденное состояние тем меньше требуется энергии для того чтобы атомы перешли на него, поэтому число атомов находящихся на первом возбужденном состоянии намного более велико чем число атомов на втором возбужденном состоянии, поэтому последнее в общем спектре едва обнаружимо. Но если продолжать нагрев то энергия атомов будет становиться больше и больше и все большее их количество будет способно достигнуть второго возбужденного состояния, а значит линии второго возбужденного состояния будут становиться все ярче и ярче и при определенной температруре ярчайшую линию первого сотсояния в общем спектре будет уже незаметно.

Понятно что этот вид спектров к цветным пламенам имеет самое непосредственное отношение, ведь любое соединение натрия при высокой температуре разлогается и выдеяет атомарный натрий который будет светить желтым цветом (из за своей яркой линии в первом возбужденном состоянии). Поэтому любая простейшая смесь топлива с окислителем содержащия натрий будет гореть давая желтое пламя. Стоит обратить внимание так же на тот факт что энергия необходимая для перевода натрия в первое возбужденное состояние настолько низка, что на фоне его яркого желтого свечения линии спектров молекул соединений бария или стронция (которые используются для зеленых и красных огней) и особенно соединений меди (составы синих огней), будут совершенно неразличимыми и сообщаемая ими окраска полностью уничтожится. Яркость желтого излучения натрия настолько велика что достаточно введения в состав синего пламени всего 2-х тысячных процента соли натрия приведет к полному уничтожению синей окраски.

Для примера того как линейчатые атомарные спектры работают на практике можно привести в пример состав состоящий из 81.6 массовых процента перхлората натрия (NaClO4) и 18.4% шеллака:

желтое пламя

Приведенная фотография обычно оставляет некоторую долю недоумения связанную с тем почему желтым цветом светится лишь отражение света от окружающих предметов а пламя выглядит белым. Для того чтобы разгадать этот на первый взгляд загадочный факт надо вспомнить о теловом излучении тел и сплошные спектры - дело в том что как и говорилось ранее сплошные (тепловые) спектры содержат волны всех длинн, в том числе лежащих в инфракрасном диапазоне, к которому фотокамера проявляет не меньшую чувствительность чем к видимому свету, а интенсивность ИК излучения при температуре сгорания состава крайне велика. Поэтому центральня область выглядит белым из за засвета камеры инвракрасным излучением теплового спектра горящих твердых частиц состава. Человеческий же глаз легко определят цвет пламени как желтый (если яркость его не слишком велика), и тоже видит центральную область белой если яркость пламени значительна, в этом случае засвечивается уже глазной нерв.
 

Молекулярные спектры

Существует третий и самый важный в нашем деле вид спектров - молекулярный спектр. Молекулярный спектр испускается молекулами различных сильно нагретых веществ в газообразном состоянии. В отличие от атомов молекулы имеют более сложную структуру и могут поглащать энергию увеличивая например скорость вращения или усиливая колебания атомов относительно друг друга, это приводит к тому что у молекулы помимо электронных уровней энергии (как у атомов) существуют еще колебательные и вращательные уровни энергии и соответствующие им возбужденные состояния. Переходы молекул между вращательными и калебательными состояниями характеризуются гораздо меньшими энергетическими изменениями, поэтому испускаемые при этом электромагнитные волны имеют гораздо меньшую энергию и соответственно намного меньшую длинну (смотри формулу планка E = hv). Таким образом линии соответствующие вращательным и калебательным переходам лежат в инфракрасном и микроволновом диапазонах, не видимых глазом. Их казалось бы можно считать несущественными, но если быть более внимательными то можно понять что молекула межет одним скачком перемещаться не только между вращательными и калебательными уровнями но и одновременно со скачком в электронном энергетическом уровне. Этот важный момент приводит к тому что любой электронный уровень содержит в близком по энергии соседством с собой множество калебательных и электронных уровней, и таким образом при переходах молекулы с одного электронного уровня на другой она может попасть на любой из соседствующих с этим электронным уровнем вращательный и калебательный уроветь. На практике это приводит к тому что спектр образующийся при переходах между электронными уровнями молекул, уже не является линейчатым так как полоса каждого электронного перехода соседствует с множеством других полос соответствующих тому же электронному переходу но ведущему на иной калебательный или вращательный уровень. Таким образом линии молекулярного спектра "размыты" и являются уже не линиями а полосками, поэтому молекулярные электронные спектры (которые так же как и линейчатые атомные лежат в видимом диапазоне) называют полосатыми спектрами. Полосатые спектры харектерны для нагретых газов и газообразных твердых веществ находящихся в молекулярном состоянии.

молекулярный спектр

Очевидно что этот вид спектров так же имеет прямое отношение к пиротехнике, так как многие области плосатого спектра лежат в пределах одного цвета и имеют большую яркость, чем легко можно воспользоваться для придания пламени окраски. Беглого взгляда на рисунок выше достаточно чтобы увидеть что яркость крассной области в приведенном спектре заметно выше чем яркость других областей и вещество образовавшее этот полосатый спектр можно использовать для создания красного пламени. Логично возникает правда вопрос почему светится весь диапазон волн а не только полосы? Дело в том что так же как и в случае с атомами не все молекулы светящегося газа находятся в возбужденном состоянии и излучают плосы, часть молекул до сих пор находится на основном (низшем) - стабильном энергетическом уровне, переходить этим молекулам некуда и поэтому они светят как простое нагретое тело давая фон из слабого спошного спектра - этот фон называется континиумом. Континиум виден тем ярче чем ниже температура и чем меньше молекул совершило переход на возбужденный энергетический уровень, если бы условия в пламени позволили перейти большей части молекул в возбужденное состояние то континиум был бы практически необнаружимым.

Молекулярные спектры применяются для цветных пламен исключительно широко и практических примеров их применения великое множество, но в качестве элюстрации я приведу например состав красного огня основанного на молекулярном свечении монохлорида стронция образующегося при горении состава содержащего 35 массовых процента перхлората аммония (NH4ClO4), 37% нитрата стронция (Sr(NO3)2), 17.5% уротропина ((СH2)6N4), 7.5% идитола (C13H12O2) и 2.5% тиомочевины (SC(NH2)2):

красное пламя

В следующем разделе мы детально разберем особенности спектров окрашивающих пламя веществ и выясним условия при которых наблюдается наилучшее окрашивание пламени. Зная эти условия мы сможем создавать составы необходимого нам цвета пламени.

Молекулярные спектры веществ применяемих в пиротехнике и условия их образования

В пиротехнике молекулярные спектры используются для создания пламени красного, зеленого и синего цветов. Особенности цветообразования в них во многом схожи, хотя имеют и ощутимые отличия. Для каждого из окрашивающего пламя элемента существуют различные соединения которые производят окрашивание, но качество этого окрашивания зависит от спектрального состава молекулярного свечения каждого из них. Так например соли стронция окрашивают пламя в красный цвет, но внесение в пламя например фторида стронция не приводит к заметному красному окрашиванию, что связано с особенностями его спектра. Спектр каждого химического соединения уникален и не совпадает ни с каким другим спектром, кроме того каждое соединение обладает своим уникальным набором физических и химических свойств. Поэтому далеко не все образующие цветное пламя соединения могут быть использованы в пиротехнике. Основным требованием к такого рода веществам являются: 1) безопасность и стойкость составов на его основе 2) низкая гигроскопичность (способность притягивать воду) 3) высокое качество образуемого в пламени молекулярного спектра. Рассмотрим особенности образования пламени каждого цвета и спектры соединений используемых в качестве цветообразующих соединений на практике. Данные по спектральному составу молекулярных излучателей заметно разнятся от источника к источнику, хотя общий их характер остается неизменным, что скорее всего обусловленно использованием для воссоздания спектра различных по составы цветных огней. Данные по молекулярным спектрам использованные для построения диаграм были взяты из базы данных NIST.

Красные огни

В ходе экспериментов было обнаружено что соли стронция способны сообщать пламени окраску и изначально предпологали что как и в случае с натрием оно основано на атомарном свечении атомов стронция. Однако очень было установленно что атомарное свечение атомов стронция дает линию в коротковолновой области спектра и использование его для создания красного окрашивания невозможно. Более тщательные исследования показали что окраска пламени вызвана моногидрокисью стронция (SrOH) образующейся в пламени при высокой температуре. Более того, оказалось что красное окрашивание дают и другие высокотемпературные соединения стронция - монохлорид (SrCl) и монобромид (SrBr). Таким образом для создания красной окраски пламени необходимо использовать такие соединения и смеси, которые в условиях горения способны образовывать молекулы моногалогенидов и моногидрокиси стронция. Человеку знакомому с химией существование этих соединений может показаться несколько странным, ведь стронций находится во второй группе таблицы менделеева и существование этих соединений противоречит переодическому закону. На самом деле никакого противоречия здесь нет, дело в том что эти соединения существуют только при высокой температуре, при которой строение электронной оболочки атомов стронция изменяется и позволяет быть ему одновалентным. Ниже приведена диаграмма со структурой спектров высокотемпературных соединений стронция используемых на практике:

спектр излучения сронция

Как видно из диаграммы гидроксид стронция (SrO) дает широкую размытую полосу в оранжево - красной части спектра. Идентичный спектр дает и нитрат стронция, который при горении пиросостава разлогается образуя оксись стронция, которая в свою очередь реагирует с водяными парами давая SrOH (более подробно смотри ниже). Пламя, получающееся при излучении гидроксида стронция, имеет лишь розовую окраску, так как вследствие его малой летучести (выше 2500°С) а так же присутствия в спектре оранжевой области создать в пламени значительное излучение в красном диапазоне трудно. Тем не менее составы основанные на излучении гидрокиси стронция иногда находят применение ввиду своей дешевизны и отсутствии необходимости в использовании хлорообразователей.

Спектр SrCl содержит яркую линию около 636 нм образующуюся при переходе из второго возбужденного состояния, а так же полосу 661 - 674 нм образуемую переходами из первого возбужденного состояния. Как видно обе эти области лежат целиком в красном диапазоне, и образуются при низких возбужденных состо-яниях, что в совокупности с хорошей летучестью монохлорида стронция делает его необходимой основой высококачественных составов красного пламени. Аналогичный спектр дает и SrBr, с той лишь разницей что его излучение лежит еще глубже в красной области, поэтому от составов на его основе можно ожидать немного более насыщенного красного оттенка.

Теперь нам остается выяснить способы получения указанных моносоединений в пламени, а так же условия способстующие их образованию.

Получение в пламени окиси стронция (а соответственно и продукта его взаимодействия с высокотемпературным паром воды - SrOH), не представляет особых затруднений, поскольку она легко образуется при термическом разложении многих солей стронция (например нитрата, оксалата и карбоната) которые в условиях горения составов разлогаются по уравнениям :

Sr(NO3)2 => SrO + N2 + 5/2O2
SrC2O4 => SrO + CO2 + CO
SrCO3 => SrO + CO2

Образовавшаяся в результате одной из этих реакций окись стронция при высокой температуре испаряется и реагирует с водяным паром, который почти всегда содержится в продуктах сгорания топлива а так же в окружающем воздухе. При этом получается моногидрокись стронция, кислород и водород:

2SrO + 2H2O => 2SrOH + H2 + O2

Для нормальго протекания этой реакции требуются очень высокие температуры, при которых становится заметной и термическая диссоциация гидрокиси стронция. Кроме того при высоких температурах твердые частицы присутствующие в пламени создают интенсивное тепловое излучение что так же приводит к ухудшению окраски. Поэтому приходится довольствоваться либо более низкими температурами (что приводит к низкому качеству цвета), либо дополнительно вводить высококалорийные неорганические горючие (Al, Mg) значительно увеличивающие температруру пламени, что приводит с одной стороны к улучшению цвета за счет увиличения количества возбужденных молекул а с другой стороны к его ухудшению за счет яркого теплового излучения твердых тугоплавких продуктов их сгорания (MgO, Al2O3). Эти сложности в совокупности с не очень удачным спектром гидрокиси стронция, приводят к тому что составы на гидрокиси стронция имеют окраску относительно низкого качества.

Для получения высококачественного окрашивания используют моногалогениды стронция. Первым очевидным способом их получения является термическое разложение нормальных галогенидов стронция, которые при высокой температуре разлогаются с выделением галогена и моногалогенида:

2SrCl2 => 2SrCl + Cl2
2SrBr2 => 2SrBr + Br2

Но практике использование нормальных хлорида и бромида стронция оказывается невозможным из за их высокой гигроскопичности, поэтому для образования моногалогенидов строниция пользуются косвенными методами - например взаимодействием в пламени свободного галогена или галогеноводорода с окисью стронция.

Окись стронция получается термическим разложение некоторых солей (см.выше), источником же галогенов являются термически неустойчивые хлорорганические вещества, которые так же вводят в исходный состав. При высокой температуре между галогенами/галогеноводородами и окисью стронция начинаются обратимые реакции обмена кислорода на галоген:

2SrO + Cl2 => SrCl + O2
2SrO + Br2 => SrBr + O2
2SrO + 2HCl => SrCl + H2 + O2
2SrO + 2HBr => SrBr + H2 + O2

При более высоких температурах становится значительной термическое разложение самих моногалогенидов, поэтому температура пламени не должна быть слишком низкой, чтобы дать возможность переходить моногалогенидам в возбужденное сотсояние, и не должна быть слишком высокой, чтобы избежать их термического разложения. Поэтому в состав нельзя вводить значительных количеств высококалорийных металлических горючих и использовать малокалорийные горючие, идеальными в этом случае являются органические горючие средней калорийности - например смолы.

Протеканию обмена кислорода на галоген способствует избыток галогена/галогеноводорода, поскольку в этом случае равновесие в реакциях замещения кислорода смещается вправо, в избытке же кислорода равновесие смещается в сторону исходных продуктов. Поэтому состав составляют таким образом чтобы в пламени находилось минимальное количество кислорода (отрицательный кислородный балланс) и максимальное количество галогена.

Для того чтобы исключить все нежелательное тепловое излучение твердых и жидких частиц в пламени, стараются использовать смеси топлива с окислителем дающие при сгорании минимальное количество твердых продуктов.Это не только делает цвет более чистым и качественным за счет исключения теплового излучения твердах продуктов в пламени, но и повышает удобство использования состава на практике, где обычно нежелательно значительное дымо и шлакообразование.

Для того чтобы избавиться от нежелательных атомарных спектров, стараются полностью исключить любое содержание солей натрия в составе пиросмеси, а по возможности и максимальное количество солей других щелочных и щелочноземельных металлов. Атомы щелочных металлов исключительно легко возбуждаются затрачивая энергию и излучая ее вне необходимого диапазона, мещая таким образом возбуждению молекулярных излучателей, требующих для возбуждения значительно более высоких энергий. Минимальное количество других щелочноземельных металлов ликвидирует затраты энергии и потерю качества цвета за счет сторонних молекулярных спектров.

Для пиротехнических составов красного пламени используют следующие соли стронция: Sr(NO3)2, SrCO3, SrC2O4 ; в качестве окислителей чаще всего используют Sr(NO3)2, KClO3, KClO4, NH4ClO4, KNO3. Использование любых солей натрия недопустимо так как его атомарное свечение уничтожает красную окраску пламени. В качестве топлив используют в основном смолы играющие одновременно роль топлива и связующего - шеллак и идитол, реже используют камедь, декстрин, сахар и уголь, а иногда и небольшие количества высококалорийных горючих - аллюминий, магний, ПАМ. В случае необходимости для понижения температуры пламени вводят серу или  уротропин которые понижают температуру пламени и создают в нем восстановительную отмосферу необходимую для создания качественного окрашивания. В качестве доноров хлора используют гексахлорэтан (ГХЭ), гексахлорбензол (ГХБ) и поливинилхлорид (ПВХ).   

Ниже приведены две фотографии горения составов красного пламени на разных молекулах - излучателях, левый состав основывался на излучении моногидроксида стронция (SrOH) и сорержал по массе: 60% нитрата стронция (Sr(NO3)2), 30% порошка магния и 10% шеллака; состав справа основывался на излучении монохлорида стронция (SrCl) и содержал по массе: 60% нитрата стронция (Sr(NO3)2), 20% поливинилхлорида (ПВХ), 10% порошка магния и 10% серы.  

красный огонь красный огонь

Как хорошо видно по фотографиям состав на излучении монохлорида стронция получается заметно более качественным. Это обусловленно во-первых меньшей температурой горения и меньшим содержанием в пламени твердых и жидких продуктов (отсутствуют MgO, Al2O3) , а во вторых более качественным спектром хлорида стронция.

Что касается монобромида строния то его излучение применяется редко ввиду дороговизны бромидов в сравнении с хлоридам, в то время как выигрыш в качестве окраски на глаз почти не заметен. Кроме того промышленность в настоящие время не выпускаяет броморганических продуктов, содержащих необходимых для использования в качестве донора количеств брома.

Зеленые огни

Для получения зеленых пламен в пиротехнике применяют соли бария. Поскольку барий и стронций в химическом плане евляются совершенными аналогами, то стоило бы ожидать, что они будут аналогами и в отношении к окрашивания пламени (за исключением цвета конечно), и действительно - аналогия поведения стронция и бария проявляется во многом. Барий так же как и стронций не способен давать нужного атомарного свечения так как образует ряд линий в различных частях спектра; он так же как и стронций окрашивает пламя высокотемпературными моногалогенидами (BaCl, BaBr). Первым же серьезным отличием бария от стронция является неспособность бария образовывать окрашивающий пламя моногидроксид (ВаОH). Его излучение лежит большей частью вне видимого диапазона, а окись бария неспособна давать зеленое окрашивание. Этот момент приводит к тому, что использование составов на солях образующих окись, без применения доноров хлора оказывается невозможным. Ниже приведена диаграмма со структурой спектров высокотемпературных соединений бария:

спектр соединений бария

Как видно из диаграммы оксид бария (BaO) излучает в желто зеленой области спектра. Идентичный спектр дает и нитрат бария, который при горении пиросостава разлогается так же образуя окись бария. Пламя, основаное на излучении окиси бария, имеет желто - зеленую (ближе к желтому) окраску. К тому же окись бария является высокоплавким и малолетучим соединением, поэтому даже при желании создать значительную концентрацию его в пламени практически невозможно. Очевидно что составы на окиси бария применяться не могут, но ее излучение играет важную роль, поскольку она всегда в той или иной степени присутствует в пламени из за неполного взаимодействия с ней галогена поставленным донором, а так же за счет повторного окисления моногалогенида в областях богатых кислородом. 

Молекулы BaCl излучают в зеленой области спектра, причем на эту область приходится все их излучение. Излучение хлорида бария образуется при переходах из третьего возбужденного состояния, полосы нижележащих возбужденных состояний лежат вне видимого диапазона. Аналогичным спектром обладает и BaBr, с тем лишь отличием что его излучение лежит в области более глубокого зеленого оттенка.

Поскольку зеленое свечение моногалогенидов бария образуется при переходах с более высокого чем у стронция возбужденного уровня, то качество окраски оказывается заметно хуже чем у последнего. Еще более тревожным является, наличие еще более значительной разницы в энергии возбуждения излучающих в нужном диапазоне возбужденных состояний монохлорида бария и излучающих паразитные спектры возбужденных состояний  атомов щелочных металлов. Таким образом проблема исключения солей щелочных металлов встает еще более остро, а даже при их полном отстутствии чистота зеленого пламени не может привышать 65 - 70%.

Приводить заново всю схему образования моногалогенидов бария в пламени не буду, поскольку она один в один такая же как и соединений стронция с той лишь разницей что не происходит образования моногидрокиси бария (BaOH). Отметим лишь существенные различия и тонкости.

Для зеленых огней проблема окисления моногалогенидов кислородом встает намного более остро в силу того что окись бария не только легко образуется при небольшом привышении нужной температуры пламени но и легко излучает в желтой области с низких возбужденных состояний. Остро стоит и проблема термического разложения моногалогенидов, которые очень легко разлогаются при высоких температурах. Поэтому зеленые огни требуют жесткого поддержания восстановительной отмосферы и строго соблюдения температурного режима согласно которому температура пламени не должна превышать 2000°С.

Для создания зеленого пламени на основе оксидообразующих веществ (например нитрата бария), применение доноров галогена уже не является просто рекомендательным а является абсолютно необходимым. Так же как и в случае стронция избыток хлора в пламени и восстановительная атмосфера (отрицательный кислородный баланс состава) дают хорошее улучшение окраски.

Как уже отмечалось для того чтобы получить качественное зеленое окрашивание следует максимально исключить нежелательные спектры. Для этого необходимо максимально снизить количество твердых частиц в пламени и количество шлаков при горении, и по возможности полностью ликвидировать примеси всех щелочных и дргугих щелочноземельных металлов. Так же как и в случае красного пламени содержание даже крохотных количеств солей натрия следует полностью исключить, а в случае если нет возможность обойтись без солей калия добавлять их в минимально возможном количестве.

К счастью для создания составов обладающих необходимыми свойствами существует иной путь - использование хлората бария (Ba(ClO3)2) или бромата бария (Ba(BrO3)2). Эти соли бария при несильном нагревании легко разлогаются отдавая кислород:

Ba(ClO3)2 => BaCl2 + 3O2
Ba(BrO3)2 => BaBr2 + 3O2

Хлорат и бромат бария являются исключительно легко отдают свой кислород, что позволяет поддерживать энергичное горение составов при достаточно низкой температуре. Обратной стороной медали является наличие у составов на их основе заметных взрывчатых свойств, что заставляет соблюдать некоторую осторожность при их изготовлении и использовании.

Соли этого типа обладают солидным рядом достоинств. Во первых они одновременно играют и роль окислителя и роль цветовой добавки, что исключает неоходимость в третьих компонентах и таким образом поностью исключаются сторонние спектры. Во вторых при их использовании нет необходимости в газовых реакциях обмена кислорода на галоген, поскольку готовый галогенид бария уже содержится в продуктах их разложения cоли. Таким образом для образования моногалогенида нужна всего лищь термическая диссоциация нормального галогенида с выделением хлора, который к тому же будет в некоторой степени защишать готовый моногалогенид от окисления кислородом.

Что касается различия в качестве излучения монохлорида и монобромида бария,  то излучение последего несколько лучше и имеет более глубокий зеленый оттенок.

Для пиротехнических составов зеленого пламени используют следующие соли стронция: Ba(NO3)2, BaCO3, BaC2O4, Ba(ClO3)2, Ba(BrO3)2 ; в качестве окислителей чаще всего используют Ba(NO3)2, Ba(ClO3)2,NH4ClO4, Ba(BrO3)2, изредка применяют KСlO4 и KClO3. Использование любых солей натрия недопустимо так как его атомарное свечение необычайно легко уничтожает зеленую окраску пламени. В качестве топлив используют в основном смолы играющие одновременно роль топлива и связующего - шеллак и идитол, реже камедь, декстрин, сахар и уголь, а иногда и небольшие количества высококалорийных горючих - аллюминия, магния. В случае необходимости для понижения температуры пламени вводят серу или уротропин которые понижают температуру пламени и создают в нем восстановительную атмосферу необходимую для создания качественного окрашивания. В качестве доноров хлора используют гексахлорэтан (ГХЭ), гексахлорбензол (ГХБ) и поливинилхлорид (ПВХ), а так же используют составы на Ba(ClO3)и Ba(BrO3)2.   

Ниже приведены две фотографии горения составов зеленого пламени на разных молекулах - излучателях, левый состав основывался на излучении монохлорид бария (BaCl) и сорержал по массе: 60% нитрата бария (Ba(NO3)2), 20% поливинилхлорида (ПВХ) , 10% порошка магния и 10% серы; состав справа основывался на излучении монобромида бариия (BaBr) и содержал по массе: 90% бромат бария (Ba(BrO3)2), и 10% шеллака.  

зеленый огонь зеленый цвет

По фотографиям отличие в цвете невелико, хотя в реальнсти отличие весьма существенно - человеческим глазом хорошо заметно что цвет второго состава намного более насыщен, не смотря на то что второй состав вообще не содержит донора галогена.

Внимательный человек сразу бы задал вопрос почему же cмеси на подобных окислителях не использовались для создания красного пламени, или почему используют хлораты и броматы а не скажем перхлораты и перброматы. Ответ кроется в том, что действительно составы такого типа можно использовать и для красного огня, а хлораты и броматы можно заменить на перхлораты и перброматы. Но препятствие заключается в том что все эти соли весьма гигроскопичны, причем Sr(ClO4)2, Sr(BrO4)2, Ba(BrO4)2 гигроскопичны настолько что их можно эффективно использовать в качестве осушителей воздуха (оставленные на воздухе всего лиш на пол часа они образуют целую лужу). В меньшей степени гигроскопичность выражена у Ba(ClO4)2, Sr(ClO3)2 и Sr(BrO3)2, их уже в принципе можно использовать, но следует покрывать шашки состава влагозащитным покрытием.

Синие огни

Для получения синих пламен в пиротехнике применяют соли меди. Составы синего огня являются святым граалем пиротехники, потрачены сотни лет, испытаны тысячи составов но до сих пор не найдено способа добиться чистого синего пламени. Даже самые страшные ухищрения не позволяют поднять чистоту цвета синего пламени выше 40%. Это связано в первую очередь с особенностями спектров и спектрообразования солей меди, а так же множеством практических трудностей связанных с получением хотя бы самого примитивного синего окрашивания. Единственными молекулярными излучателями синего цвета является монохлорид меди (СuCl) и монобромид меди (СuBr), которые в отличие от моногалогенидов стронция и бария устойчивы и при комнатной температуре и весьма капризны как в химическом плане так и в плане своего свечения. Ниже приведена диаграмма со структурой спектров высокотемпературных соединений меди свечение которых используются для создания синих огней:

спектр излучения синего огня

Как видно из приведенной диаграммы гидрокись меди (CuOH) имеет свечение в желто зеленой области спектра, поэтому при ее образовании в пламени сообщает ему зеленое окрашивание.  Очевидно что составы на гидрокиси меди применяться не могут, но ее излучение играет важную роль, поскольку она всегда в той или иной степени присутствует в пламени из за неполного взаимодействия галогена поставленного донором c окисью меди, а так же за счет повторного окисления моногалогенида в областях богатых кислородом или его взаимодействия с водяным паром. 

Излучение монохлорида меди (СuCl) приходится в основном на сине - голубую часть спектра. Излучение в сине голубой области соответствует переходам из 2-5 возбужденных состояний, а линия в зеленой области соответствует переходу из первого возбужденного состояния. Интенсивность этой линии не слишком высока и не мешает использованию хлорида меди в составах синего пламени.

Излучение монобромида меди (СuBr) так же приходится на сине - голубой участок спектра. Но возбуждается оно несколько легче потому как голубой цвет излучается уже из первого возбужденного состояния, узлучение в синей области соответствует 2-му и третьему возбужденным состояниям. СuBr излучает в более глубокой синей области и не имеет линии в зеленой части спектра, что естественно улучшает качество окраски. Таким образом спектр CuBr является несколько более удачным чем для CuCl, и от CuBr можно ожидать несколько большего качества окраски.

Монохлорид и монобромид меди могут вводиться в пламя простым добавлением их в состав пиросмеси. Кроме того монохлорид меди может образовываться в пламени при реакции оксидов меди, которые вводят в состав исходной смеси со свободным хлором (аналогичным путем монобромид получить нельзя так как доноры брома недоступны):

2Cu2O + 2Cl2 => 4CuCl + O2
2СuO + Cl2 => 2CuCl + O2
Cu2O + 2HCl => 2CuCl + H2O
2CuO + 2HCl = 2CuCl + O2 + H2

В состав пиросмеси в качестве окрашивающего компонента можно вводить так же негигроскопичные  соли лекгоразлогающиеся при нагревании до любого из оксидов меди, такой солью является например малахит: (оксалат меди для этой цели не подходит так как при разложении образует металическую медь и СO2):

Cu(OH)2*CuCO3 => 2CuO + H2O + CO2
Cu2C2O4 => Cu + 2CO2

Образующийся оксид меди может образовывать монохлорид меди по рекции приводившейся выше. В пламени содржащем кислород и водяной пар могут протекать и обратные реакции, например образование окиси и гидрокиси меди, при этом пламя окрашивается в характерный для CuOH зеленый цвет:

2СuCl + H2O => Cu2O + 2HCl
СuCl + H2O => CuOH + HCl
2СuCl + O2 = 2CuO + Cl2

Проблема окисления CuCl кислородом настолько остра, что нелегко получить пламя даже самого простейшего синего оттенка. СuCl черезвычайно легко окисляется кислородом уже при комнтаной температуре, а при более высоких температурах в присутствии кислорода окисление протекает мгновенно и полностью уничтожает окрас. Но и это еще не все, дело в том что помимо химической неусточивости в содержащем кислород пламени для CuCl характерна так же неустойчивость в плане термического разложения, при температурах выше 1200°С оно протекает проктически нацело уничтожая синий окрас.

Для создания cинего пламени на основе оксидообразующих веществ (например малахита), обязательно применение доноров галогенов, причем желателен значительный избыток хлора, так же очень рекомендуется вводить доноры и в составы содержащие готовый моногалогенид. Введение избытка хлора позволяет затормозить гидролиз CuCl до CuOH, сдвигая равновесие реакции в сторону образования монохлорида меди. К тому же избыток хлора способствует защите СuCl от кислорода. Важным является так же тот факт, что излучение в глубокой синей области у CuCl возбуждается с очень  высоких возбужденных состояний (4,5) в то время как у СuOH  излучение происходит из 1 и 2-го возбужденных состояний, поэтому очень важно свести любую возможность образования СuOH к минимуму в противном случае легко образующийся CuOH окрашивает пламя в грязно зеленый оттенок.

Проблема отклонения нежелательных спектров для синих огнеи имеет особое значение. Это связано с огромной разницой в энергиях необходимых для возбуждения высоких возбужденных уровней CuCl и очень низких и легко вобуждающихся уровней щелочных металлов которые могут присутствовать в исходной смеси. В случае их присутствия почти вся энергия будет испускаться путем их атомарного свечения. В присутствии дажее крохотных примесей натрия, уничтожение синей окраски носит катострофический характер, и уже в присутствии 2 тысячных процента солей натрия синие окрашивание полностью ликвидируется переходя в желтое атомарное свечение натрия. Это требует очень жестких требований к качеству исходных реактивов, в которых даже ничтожная примесь натрия совершенно недопустима. Что касается примесей твердых и жидких частиц в пламени, то это не имеет столь большого значения поскольку температура синих пламен низка и тепловое излучение частиц в пламени незначительно.

Стоит обратить самое пристальное внимание на температурный режим и среду. Как уже было отмечено выше синее пламя может быть получено лишь в востановительной среде хорошо защищающей СuCl, и только при температурах не более 1200°С. Поэтому для составления составов синего огня стараются использовать легкоразлогающиеся энергичные окислители, способные поддерживать интенсивное горение при низкой температуре (например хлорат и бромат калия и перхлорат аммония), а так же использовать малокалорийные горючие обычно используемые для снижения температуры пламени (уротропин, сера, лактоза).

Составы имеющие в своем составе CuCl или CuBr являются синим подобием составов на хлорате и бромате бария. Они сразу содержат готовую молекулу излучатель, ликвидируя таким образом необходимость в протекании реакций превращения оксида в галогенид, но в отличие от хлоратных и броматных зеленых аналогов, введение в состав доноров настоятельно рекомендуется. В целом в силу указанных обстоятельств качество цвета составов на готовых моногалогенидах получается несколько выше чем на окисях или малахите.

В общем случае совокупность всех сложностей делает создание синих цветных огней крайне тонким и непростым занятием, и даже в самых удачных условиях чистоту цвета выше 25-30% на практике черезывывчайно трудно. В случае использования в качестве одного из исходных компонентов монобромида меди (СuBr) cитуациая несколько улучшается (поскольку он излучает синий с низких возбужденных состояний, но в остальном все проблемы остаются в силе) и от него можно ожидать несколько большей чистоты цвета но и в этом случае 35-40% составляют фактический предел.

Для пиротехнических составов синего пламени используют следующие соединения меди: СuСl, CuBr, Cu2O, CuO, Cu(OH)2*CuCO3, Cu(OH)Cl ; в качестве окислителей чаще всего используют NH4ClO4 намного реже KClO3 и KBrO3 а еще реже KClO4. В качестве основных топлив используют в основном низкокалорийные горючие дающие низкотемпературное пламя и восстановительную атмосферу: серу, уротропин и лактозу, реже используют горючие чуть большей калорийности например канифоль или уголь. Применение горючих средней калорийности нежелательно хотя и возможно (в разумных пределах) а использование высококалорийных металлических горючих полностью исключается. В качестве доноров хлора используют: гексахлорэтан (ГХЭ) или гексахлорбензол (ГХБ), поливинилхлорид (ПВХ), а так же используют составы на CuCl и СuBr.   

Для примера ниже приведены три фотографии cоставов синих огней на излучателях CuCl и СuBr. Левый состав содержит следующие компоненты (в массовых процентах): гексаметилентетрамин (уротропин, (СH2)6N4) - 14.5%, перхлорат аммония (NH4ClO4) - 73.2%, оксид меди (I) (Cu2O) - 7.9%, гексахлорэтан (ГХЭ, С2Сl6) - 4.4%; cостав в середине: перхлорат аммония (NH4ClO4) - 79.5%, гексаметилентетрамин (уротропин,(СH2)6N4) - 15.8% , хлорид меди (I) (монохлорид меди, СuCl) - 5.7%; cостав на крайней правой фотографии: Калия бромат (KBrO3) - 63.4%, порошок cеры (S) - 18.3%, бромид меди (I) (монобромид меди, СuBr) - 18.3%.

синий огонь синее пламя синий огонь

Как нетрудно заметить составы идут по качестуву своего цвета слева направо, состав на окиси меди оказался оаутсайдером что впрочем и следовало ожидать. Поиски качественных огней синего цвета продолжаются постоянно уже очень долгое время, и я тоже в свое время очнь долго и упорно бился над синим пламенем, испытав около 40-50 составов из взятых из книг а также придумав и испытав примерно такое же количество своих собственных, я выделил 2 состава справа как безспорных фаворитов в своем классе. Если вдуг вам, дочитав до конца это руководство удастся создать что то лучшее дайте мне знать :) 

Три класса составов цветных огней

Теперь, когда мы разобрались в особенностях излучения цветного света различными соединениями и смесями, мы можем произвести более полную классификацию составов цветных огней. Разумно разделить составы цветных огней по классам в зависимости от качества их двета относительно максимально достижимого для данного цвета. Цветообразовние сложный и многостадийный процесс состоящий в испарении базового окрашивающего вещества, реакциях протекающих в пламени, возбуждении молекул излучателей и наконец самого процесса излучени. Очевидно, что облегчение протекания любой из стадий или и вовсе исключение некоторых из них приводит к увеличению качеству цвета пламени.

Таким образом все составы пламен на молекулярных излучателях можно разделить на три класса по качеству. Для каждого из этих классов характерны свои пути улучшения окраски пламени в пределе приводящие к максимально достижимому качеству пламени для данного класса. Рассмотрим эти классы более подробно:

Составы первого класса.

Составами первого, самого низкого класса являются смеси не содержащие галогенов и их доноров. Единственным цветом для которого применяются составы этого класса это красный цвет основанные на стронции. В таких смесях основой цвета является излучение гидроксида стронция. Спектр гиидрокиси стронция имеет низкое качество и качество цвета не велико, более того крайне низкая летучесть окиси стронция сильно затрудняет образования молекулы цветообразователя а высокая температура пламени делает значительным тепловое излучение частиц твердых веществ присутствующих в пламени.

Цветообразование в составах этого класса проходит все стадии, и на практике улучшить качество их цвета почти невозможно. Максимальное качество данных составов достигается путем нахождения максимального балланса между температурой горения, определяющей количество образующихся молекул излучателей, и тепловым излучением частиц - крайне труднолетучих и тугоплавких продуктов сгорания высококалорийных металлических горючих (MgO, Al2O3) создающих при высокой температуре яркое тепловое излучение, уничтожающего окраску пламени.

Состава этого класса дают самую низкую чистоту цвета.

Пример состава первого класса: 60% нитрата стронция (Sr(NO3)2), 30% порошка магния и 10% шеллака.

красный огонь

Составы второго класса.

Составами второго - среднего класса, это смеси веществ образующие при нагреве окись металла цветообразователя и доноры хлора. Основой цветного пламени в составах этого класса являютс монохлориды металлов цветообразователей. Монохлориды имеют хорошее качество спектров и дают хорошую окраску. Подводным камнем является необходимость протекания обратимых реакций замещения кислорода окиси на хлор, а эти реакции всегда смещены в сторону образования окисей поскольку кислород по сравнению с хлором является более сильным окислителем.

Фактическая концентрация же монохлорида не высока и может быть повышена путем введения в пламя избытка хлора, затруднением протекания реакции окисления созданием восстановительной защитной среды, а так же строгим контролем за температурным режимом, что исключает возможность термического разложения галогенидов.

Максимальное качество составов этого класса достигается за счет совокупности следующих факторов: эффективного использования доноров хлора; созданием эффективной защитной восстановительной атмосверы; четким контролем терпературного режима; максимально возможным исключением веществ дающих ненужные спектры.

(*) Для наибольшей эффективности донор хлора следует вводить в таком количестве, чтобы скорость горения смеси и температура пламени менялись незначительно, и в то же время выделялось заметное количество хлора. Поэтому необходимо использовать только очень богатые хлором и термически неустойчивые вещества содержащие в своем составе не менее 50% хлора и вводить их в количестве не более 5-8% для составов красного и зеленого огня и не более 3-4% для составов синего огня.

(*) Для создания эффективной защитной восстановительной атмосферы следует внимательно следить за тем чтобы составы имели некоторый недостаток кислорода (не более 5%, так как иначе образуется много сажи которая создает в пламени тепловое свечение) и вводить в них небольшие количества веществ образующих после сгорания восстановительную среду (сера, уротропин, тиомочевина), но так чтобы температура пламени понижалась незначительно.

(*) Для контроля температуры пламени (чаще всего приходится ее понижать), в составе смесей заменяют некоторую часть горючего на горючее обладающее низкой температуру горения (сера, сахар, лактоза, уротропин, тиомочевина). Если же температуру пламени необходимо повысить то часть топлива заменяют на органическое горючее большей калорийности (смолы: идитол, шеллак) или же на высококалорийное металлическое горючее (магний, аллюминий, ПАМ). Нужное количество низкотемпературного или высокотемпературного горючего подбирают опытным путем.

(*) Для максимального исключения ненужных спектров следует снижать количество окислителей на основе щелочных металлов путем их частичной или полной замены на окислитель содержащий цветообразующий металл (наприер на нитраты стронция и бария), избегать введения веществ образующих тугоплавкие нелетучие продукты сгорания (Mg, Al, ПАМ и другие металлы) и стараться минимизировать выделение дыма. В случае синих огней соли щелочных мелаллов следует исключать полностью и использовать всесто них перхлорат аммония (NH4ClO4).

Состава этого класса дают среднее качество цвета.

В качестве примера качественного состава второго класса можно привести например такой состав зеленого пламени: Нитрат бария (Ba(NO3)2) - 48.52% ; перхлорат аммония (NH4ClO4) - 29.41% ; гексаметилентетрамин (уротропин, (CH2)6N4) - 10.29% ; идитол (новолачная смола) - 4.41%; тиомочевина (SC(NH2)2) - 1.47% ; гексахлорэтан (гексахлоран, ГХЭ) - 5.88%

зеленое пламя

Третий класс.

Составы третьего - высшего класса это смеси содержащие в своем составе готовую молекулу излучатель или вещеста образующие ее при термическом разложении и используемые одновременно в роли окислителя. Основой цветообразования в этих составах так же являются моногалогениды металлов - цветообразователей, но в отличие от составов других классов в составах третьего класса могут быть использованы и монобромиды, дающие более качественные спектры. Составы этого класса практически лишены недостатков за исключением использования менее доступных и дорогих веществ.

Составы этого класса имеют значительные приимущества. Во первых полностью исключается необходимость протекания обратимых реакций обменя кислорода на галоген в газовой фазе. Во вторых эти составы не требуют (в случае красного и зеленого цветов) введения доноров хлора, а в случаях когда он все таки необходим (синий цвет) позволяют свести его количество к минимуму. В третьих в некоторых случаях, например  в случае зеленого и красного огней они позволяют полностью исключить из состава окислители создающие паразитные спектры (окислители на основе щелочных металлов) - единственным необходимым вторым компонентом является органическое топливо.

Стоит заметить правда что составы этого класса так же требуют соблюдения нужных условий в пламени, они в равной степени требуют поддержания нужного температурного режима, поддержания восстановительной защитной атмосферы и исключения всех нежелательных спектров.

Максимальное качество составов этого класса достигается за счет совокупности следующих факторов: создания эффективной защитной восстановительной атмосверы; четкого контроля терпературного режима; максимально возможным исключением веществ дающих ненужные спектры.

(*) Для контроля температурного режима и поддержания защитной восстановительной атмосферы используют те же методы что и в составах второго класса (см. выше).

(*) Для максимального исключения ненужных спектров следует полностью исключить соли щелочных металлов, для этого в составах на стронции и барии в качестве единственного окислителя следует брать их хлораты, броматы или перхлораты а в составах на моногалогенидах меди использовать в качестве окислителя перхлорат аммония. Следует избегать введения веществ образующих тугоплавкие нелетучие продукты сгорания (Mg, Al, ПАМ и другие металлы) и стараться минимизировать выделение дыма.

(*) Обратите внимание на то что многие составы этого класса способны врываться и очень не любят влагу, килоты и соли аммония. При растирании хлоратов бария и стронция с серой происходит взрыв, а при хранении возможно их самовоспламенение, для того чтобы избежать этого при приготовлении сначало смешать все компоненты а уже после этого аккуратно смешать их с хлоратом или броматом, a для придания стойкости при хранении добавлять небольшие количества 1-2% карбонатов стронция или бария. С солями аммония под действием вляги хлораты и броматы образуют неустойчивые хлорат и бромат аммония которые способны взрываться самопроизвольно как сами по себе так и вызывать самопроизвольный взрыв смеси, поэтому при использовании хлоратов и броматов следует полностью исключать соли аммония.

(*) Стоит внимательно отнестись к защите составов этого класса от влаги так как составляющие их окислители являются гигроскопичными, а некоторые из них даже являются высокоэффективными осушителями, поэтому составы этого типа следует тщательно защищать от влаги.

Составы третьего типа дают максимально возможное качество окраски.

Пример довольно удачного состава третьего класса: Аммония перхлорат (NH4ClO4) - 72.27% ; уротропин (гексаметилентетрамин, (СH2)6N4) - 14.36% ; хлорид меди (I) (CuCl) - 5.18% ; гексахлорэтан (ГХЭ) - 9%.

синее пламя

===

Для того чтобы пламя состава имело наиболее качественную окраску необходимо чтобы при горении состава образовывались летучие молекулы излучатели (выделяющие цветной свет), и имелись необходимые условия для их хорошего испарения или их образования в продуктах горения. Для получения каждого из основных цветов хорошего качества требуются условия индивидуальные для каждого из них.

Красное пламя

Основа: Молекулярное излучение соединений стронция.
Максимально достижимая чистота цвета: около 90-95%.
Молекулы излучатели: SrCl+, SrBr+, SrO+ (в порядке уменьшения чистоты цвета).
Оптимальная температура пламени: 1300-1800°С для (SrCl+, SrBr+), 2500°С и более для SrO.
Применяемые соли: Sr(ClO4)2, Sr(ClO3)2, Sr(BrO3)2, Sr(NO3)2, SrC2O4, SrCO3. (в порядке уменьш. кач. цв.).
Лучшие топлива: Cмолы (идитол, шеллак, гуаровая камедь), уротропин, тиомочевина, сера.

Тип состава

Факторы увеличивающие качество цвета (в порядке уменьшения влияния).

Тип №1 Высокая температура пламени, отсутствие других излучателей, отрицательный к.б.
Тип №2 Средняя температура пламени, хлор в продуктах горения, отрицательный к.б.
Тип №3 Средняя температура пламени, отрицательный к.б.
Тип состава Окислители Цветообразователи Добавки
Тип №1 Sr(NO3)2, KNO3 Sr(NO3)2, SrCO3, SrC2O4 Mg, Al, ПАМ
Тип №2 Sr(NO3)2, KClO4, NH4ClO4, KClO3, KBrO3, KNO3 Sr(NO3)2, SrCO3, SrC2O4 ГХЭ, ГХБ, ПВХ
Тип №3 Sr(ClO4)2, Sr(ClO3)2, Sr(BrO3)2 Sr(ClO4)2, Sr(ClO3)2, Sr(BrO3)2

-

 

Зеленое пламя

Основа: Молекулярное излучение соединений бария.
Максимально достижимая чистота цвета: около 70-80%.
Молекулы излучатели: BaBr+, BaCl+, BaO+ (последний дает очень плохой цвет и почти не используется).
Оптимальная температура пламени: 1900-2300°С  для (BaCl+, BaBr+), 2100°С и более для BaO
Применяемые соли: Ba(BrO3)2, Ba(ClO4)2, Ba(ClO3)2, Ba(NO3)2, BaCO3, BaO2 (в порядке уменьш. кач. цвета).
Лучшие топлива: Cмолы (идитол, шеллак, гуаровая камедь), сера, тиомочевина, уротропин.

Тип состава

Факторы увеличивающие качество цвета (в порядке уменьшения влияния).

Тип №1 Высокая температура пламени, отсутствие других излучателей, отрицательный к.б.
Тип №2 Средняя температура пламени, хлор в продуктах горения, отрицательный к.б.
Тип №3 Средняя температура пламени, отрицательный к.б.
Тип состава Окислители Цветообразователи Добавки
Тип №1 Ba(NO3)2, KNO3 Ba(NO3)2, BaCO3, BaO2 Mg, Al, ПАМ
Тип №2 Ba(NO3)2, KClO4, NH4ClO4, KClO3, KBrO3, KNO3 Ba(NO3)2, BaCO3, BaO2 ГХЭ, ГХБ, ПВХ
Тип №3 Ba(BrO3)2, Ba(ClO4)2, Ba(ClO3)2 Ba(BrO3)2, Ba(ClO4)2, Ba(ClO3)2

-

 

Синее пламя

Основа: Молекулярное излучение cоединений меди.
Максимально достижимая чистота цвета: около 35-40%.
Молекулы излучатели:  CuCl*, CuBr*, Cu2O* (в порядке уменьшения спектральной чистоты цвета).
Применяемые соли: CuBr, CuCl, Сu2O, Cu2S, CuO (в порядке уменьшения качества цвета).
Лучшие топлива: Сера, тиомочевина, уротропин, смолы (идитол, шеллак, гуаровая камедь).

Тип состава

Факторы увеличивающие качество цвета (в порядке уменьшения влияния).

Тип №1 Составы этого типа не используются.
Тип №2 Низкая температура пламени, хлор в продуктах горения, отрицательный к.б.
Тип №3 Составы этого типа не используются.

 

Поделиться: