explosão de química
Movimentos de elétrons dão aos fogos de artifício uma diversidade de cores

 ano 14  -  n.27  -   jan./jun. 2016 

por Evelyn Rodrigues Gaspareto e Daniel Perdigão

sxc.hu
Fogos de artifício alaranjados e violetas: sais de sódio e de potássio

Explosões de cores que rasgam o ar, chuva de brilho que ilumina o céu, nuvens de fumaça que polvilham a atmosfera... Quem tem essa capacidade de embelezar o que estã à sua volta com luzes das mais diversas cores são os fogos de artifício. Mas como podem iluminar o céu com cores tão diferentes, se o explosivo é o mesmo?

Antes de responder a essa pergunta, vamos contar um pouquinho da história desses artefatos. Bem, antes de entendermos como os fogos de artifício funcionavam, eles já existiam. Inventados pelos chineses por volta do século 7 d.C., foram levados pelos árabes até a Europa, onde ganharam popularidade a partir do século 17. Os primeiros especialistas na arte de produzir explosivos de chamas coloridas mantinham as receitas geradoras desses fogos em absoluto segredo, sustentando uma aura de mistério sobre esses explosivos.

Hoje, no entanto, não há mistério nenhum. Basta conhecermos a ciência que está por trás dos fogos de artifício. Na década de 1850, o químico alemão Robert Bunsen (1811-1899) descobriu que cada elemento químico emite luz com cores características, únicas desse elemento, quando aquecidos. E, portanto, a variedade de cores dos fogos de artifício se deve à variedade de elementos químicos presentes em sua constituição. Na construção dos fogos de artifício, normalmente, são utilizados sais em que esses elementos químicos estão presentes.

São comuns fogos que têm sais de bário em sua composição quando queremos explosões de luz verde. Usamos sais de estrôncio para obter a luz vermelha. Já para as luzes amarelas podem ser utilizados sais de sódio, enquanto os sais de potássio levam a uma coloração violeta. O bário, o estrôncio, o sódio e o potássio são metais. Mais que isso: são metais bastante reativos. é por isso que, no nosso dia a dia, não são encontrados objetos constituídos desses elementos na forma metálica. Eles sofreriam reações químicas: seriam rapidamente corroídos pela água ou pelo oxigênio do ar. No entanto, sais desses elementos são comuns. O sal de cozinha, por exemplo, é um sal de sódio.

As reações químicas ocorrem quando há um rearranjo de elétrons nos átomos que fazem as ligações químicas. Como os metais de que nós falamos há pouco são muito reativos, conseguimos facilmente mudar seus elétrons de posição. Em Química, dizemos que para elementos reativos pouca energia é necessária para que esse rearranjo de elétrons aconteça.

Os elétrons em átomos isolados estão posicionados em diversos níveis de energia. Esses níveis não são exatamente como andares de um edifício, mas essa associação pode ajudar você a entender. é como se eles morassem nesses andares. Se absorver energia, um elétron pode ir a um nível energético (andar) mais alto. Se o elétron já estiver em um nível mais alto do que aquele em que costuma estar, pode retornar a um nível mais baixo e, nesse caso, ele vai liberar energia.

Por terem elétrons, os átomos dos elementos químicos absorvem energia se forem aquecidos. Com isso, alguns de seus elétrons se reposicionam em níveis de energia mais elevados. Ou seja, aquecer os sais presentes nos fogos de artifício é uma forma de fornecer energia para os elétrons de seus átomos. Nesses dispositivos, a energia é fornecida pela substância explosiva. Por isso, os fogos de artifício têm, pelo menos, duas substâncias: sais de elementos metálicos, que dão a cor, e explosivos, que fornecem a energia aos átomos metálicos dos sais.

No entanto, os elétrons não ficam em níveis elevados de energia por muito tempo. Ao retornarem para níveis mais baixos, liberam a energia excedente na forma de luz. Logo, a luz colorida dos fogos de artifício se deve às transições dos elétrons entre níveis de energia: de níveis mais altos e, portanto, mais energéticos, para outros mais baixos, menos energéticos.

Embora recebam a energia fornecida aos átomos pelo aquecimento, os elétrons não estão livres para absorver ou liberar qualquer quantidade de energia. Um elétron em um átomo só pode ter quantidades de energia bem determinadas, bem específicas. Da mesma forma que, em um edifício, só se pode morar nos andares existentes, primeiro, segundo, terceiro..., mas nunca no andar “um e meio”, os elétrons só moram nos níveis de energia um, dois, três..., mas nunca no “um e meio”.

Os “andares”, ou melhor, os níveis de energia podem, eventualmente, ser subdivididos. O nível um só tem um subnível, denominado s. O nível dois possui dois subníveis, o s e o p. O terceiro nível tem três subníveis, e assim por diante.

Já dissemos que os elétrons, ao se deslocarem de um nível (ou subnível) de energia alto para outro mais baixo no átomo, liberam a energia extra na forma de luz. Pois bem: a cor da luz depende da energia. E, na escala de energia da luz, a luz infravermelha é a menos energética, depois vem a luz visível e, como a mais energética, a ultravioleta. Embora os elétrons possam liberar luz infravermelha ou ultravioleta, só conseguimos ver a luz visível (é claro!).

Cada transição eletrônica de nível alto para nível mais baixo tem a sua luz específica em cada átomo. Então, por exemplo, a transição que dá a cor característica do sódio, por ser mais frequente que as demais, é a transição do elétron do subnível p do terceiro nível para o subnível s desse mesmo nível. é uma transição que resulta numa cor amarela.

Notemos, no entanto, que os elétrons no sódio podem fazer muitas outras transições que também liberam energia na forma de luz visível, das mais diversas cores. é a composição dessas cores, com intensidades diferentes, que resulta na cor que vemos não somente ao estourar um artefato pirotécnico que contém sal de sódio, mas também ao jogar sal de cozinha na chama do fogão, ou olharmos para uma lâmpada de sódio característica da iluminação pública.

O que não contamos aqui, mas a revista Cultura Secular já explicou em um artigo de 2005, é a forma como a Física contemporânea entende essa emissão de luz por parte do elétron. Ela diz que, para cada transição eletrônica, a luz é emitida em um pacote de energia chamado quantum de energia. Esse quantum, sendo de luz, também é chamado fóton. Vale a pena ler aquele artigo para saber mais sobre isso, e saber das implicações do fato de que, para cada transição eletrônica, um único fóton é liberado, ou seja, a energia liberada não se divide.

Voltemos aos nossos fogos de artifício. Em resumo, as luzes coloridas emitidas pelos fogos de artifício correspondem à emissão de energia pelos elétrons dos átomos que constituem cada elemento químico presente no sal, quando os mesmos retornam a níveis ou subníveis de energia mais baixos, na forma de fótons, que são como pacotes de luz de energias muito bem definidas e, portanto, de cores muito bem definidas. Combinando-se as diversas emissões, na proporção de quanto cada uma delas costuma ocorrer, resultamos na cor bruta característica de cada elemento.

Da próxima vez em que olhar para o céu e se deslumbrar com uma apresentação de cores dos fogos de artifício, não se esqueça: a magia que você sente é explicada e trabalhada pela ciência. Talvez, pela primeira vez, ao olhar o mundo com as lentes da ciência, você possa ficar ainda mais feliz com o espetáculo: agora você consegue entendê-lo e, assim, senti-lo mais profundamente.


Cultura Secular

Revista de divulgação científica e cultural do grupo de pesquisa “Investigações Transdisciplinares em Educação para a Ciência, Saúde e Ambiente”.

Comissão editorial
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Glauco Lini Perpétuo

Jornalista responsável
Daniel Perdigão-Nass (MTPS 37654/SP)

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Brasília, DF, Brasil

ISSN 2446-4759