Vánoční speciál 2013: prskavky a jiná pyrotechnika

Na úvod trochu historie

Fascinace ohněm je pro lidstvo typická od nepaměti. Využívání ohně začalo asi před půl druhým milionem let. Nikdo už nezjistí, jak došlo k tomu, že se pravěcí jeskynní lidé začali ohřívat u ohniště; zdrojem ohně pravděpodobně byla bouřka a blesk, který udeřil do některého stromu.

Za první využití ohně ke „speciálním účelům“, tedy k účelům, které přímo nesouvisely s přípravou jídla nebo s ohříváním sebe sama, se považuje takzvaný řecký oheň. Zhruba před 1 400 lety jej začali používat Řekové v námořních bitvách a šlo vlastně o velmi ranou formu napalmu – byla to směs různých přírodních hořlavých substancí typu ropy či petroleje.

Zásadní pro vznik pyrotechniky byl ale objev čínských alchymistů v 8. století našeho letopočtu. V rámci svého zkoumání a hledání „elixíru života“, tedy substance, která by prodlužovala lidský život, míchali různé látky a zkoumali vlastnosti výsledných směsí. Mimo jiné zjistili, že když se smíchá síra se salpetrem (dusičnanem draselným) a s medem a tato směs se začne zahřívat, vyvalí se z nádoby sloup ohně.

Jak se v průběhu dějin ukázalo, tímto náhodným objevem přišli čínští alchymisté na něco, co život neprodlužuje, nýbrž jej může radikálně zkrátit. Uplynula však ještě dlouhá doba, než byla původní směs zdokonalena natolik, aby byla použitelná ve střelných zbraních a dosáhla kvalit dnešního střelného prachu.

Paradoxní je, že různá „zábavní“ pyrotechnika je daleko starší než střelné zbraně. Zatímco první děla se objevují až na konci 14. století, v čínských spisech datovaných do 11. století nalézáme popis jednoduché petardy, složené ze směsi velmi podobné modernímu střelnému prachu. Směs byla uzavírána do trubiček z pergamenu utěsněných na obou koncích a zapalována pomocí primitivní zápalnice.

Od časů prvních petard až do dneška bylo vymyšleno mnoho typů pyrotechniky, produkujících rozmanité světelné či zvukové efekty. Například petardy vytvářejí hlavně intenzivní zvuk, z fontán a prskavek vyletují různě zbarvené jiskry, rakety a pumy dokážou na obloze vykouzlit pestrobarevné obrazce podobné palmám (ale třeba i srdíčka, hvězdičky nebo smajlíky). Absolutní většina těchto efektů je založena na střelném prachu nebo na směsích jemu podobných.

Střelný prach

Střelný prach (nebo také černý střelný prach) je směs dusičnanu draselného, dřevěného uhlí a síry. Nejčastěji uváděný poměr složek je 75:15:10. To odpovídá nejrychleji hořícímu prachu (tedy nejúčinnějšímu), ale ne vždy je vysoká rychlost hoření nezbytná. Podle poměru jednotlivých komponent se mění i vlastnosti. Vhodným namícháním směsi lze dospět dokonce ke střelnému prachu, který se používá na hašení požárů! Tato varianta produkuje při svém hoření velké množství uhličitanu draselného, jenž ochlazuje plamen, a navíc zabraňuje přístupu kyslíku.

Když chceme rozdělat oheň, potřebujeme tři věci:

Za prvé musíme mít dřevo, uhlí, benzín nebo jinou hořlavinu. Takové materiály můžeme obecně označit za palivo. V případě střelného prachu a příbuzných pyrotechnických směsí se jako palivo používá dřevěné uhlí, síra, škrob nebo práškové kovy. Tyto látky jsou schopné se za přístupu dostatečného množství kyslíku oxidovat (hořet), přičemž vzniká velké množství tepla a světla.

Druhou, neméně důležitou substancí je kyslík. Když zapalujeme táborák, tak si kyslík nemusíme přinášet s sebou – pro oxidaci běžných paliv stačí kyslík obsažený ve vzduchu. Aby ale mohl střelný prach hořet uvnitř hlavně pušky, kam se vzduch nedostane, musí obsahovat dostatečné množství kyslíku už ve svých složkách. Jako „chemický“ zdroj kyslíku se používají látky s vysokým oxidačním číslem, které se mohou při reakcích chovat jako oxidační činidla. Mezi ně patří dusičnan draselný, chlorečnany, chloristany nebo manganistan draselný.

Posledním krokem k zapálení táboráku (nebo odpálení rakety) je iniciace. Aby hoření začalo, je potřeba reakci nějak nastartovat. V případě táboráku musíme škrtnout zápalkou, při odpalování ohňostroje se používá drátek, jenž se rozžhaví procházejícím elektrickým proudem, zapalovač spoléhá na vykřesanou jiskru a pistole na prudký náraz kohoutku. Stejně jako táborák nevzplane samovolně, ani střelný prach či pyrotechnika tedy nemůžou začít hořet bez příčiny.

Prskavky

Konstrukce prskavky je velmi jednoduchá: na drátu je nanesena vrstva pyrotechnické směsi. První složku směsi tvoří dusičnan barnatý, který má funkci okysličovadla (zdroje kyslíku pro hoření). Druhou složkou je dextrin. Slouží jako lepidlo – zajišťuje, aby směs držela pohromadě a neopadávala z drátu. Poslední komponentu směsi představuje palivo. V prskavkách se používá hliníkový, železný nebo titanový prach; dalším palivem je navíc i lepidlo.

Právě práškový kov je zodpovědný za efekt, který prskavka vytváří – za spoustu zářivých jisker odletujících z hořícího drátu. Po zapálení prskavky začne pyrotechnická směs pomalu hořet. Při této reakci se uvolňuje velké množství tepla a plynů. Vzniklé teplo je dost velké na to, aby zažehlo kousíčky kovu rozptýlené ve směsi, a plyn pak zapálené kousíčky rozmetá po okolí.

Zajímavé je, že samotná směs nanesená na drátu nepotřebuje k hoření vzdušný kyslík. Hořící kousky kovu jej ovšem potřebují. Během svého letu reagují s kyslíkem, reakcí se ještě více zahřívají a září. Když ale prskavku zapálíme v prostředí bez kyslíku, žádné svítící jiskry odletovat nebudou.

Barva jiskřiček závisí na použitém kovu. Zatímco titan, hořčík a hliník vytvářejí zářivě bílé jiskry, práškové železo hoří oranžově (dává se do „zlatých“ prskavek). Prášková měď hoří nazelenale, ale v prskavkách se nepoužívá.

Podobný efekt jako prskavky produkují různé fontánky, například dortové. Jejich pyrotechnická směs má velmi podobné složení jako ta prskavková.

Pokus – hoří prskavka i bez kyslíku?

Jednoduchým experimentem se můžete přesvědčit, že prskavka sice k hoření nepotřebuje vzduch, ale bez něj neprská.

POZOR! Buďte velmi opatrní. Děti mohou přihlížet pokusu pouze pod dohledem dospělé osoby. Pokus provádějte v dobře větrané místnosti a zkontrolujte si, že v okolí nejsou žádné vznětlivé materiály. Doporučujeme používat ochranné brýle. Autor textu ani správci webu www.prirodovedci.cz nenesou odpovědnost za případné škody vzniklé během experimentu.

Co potřebujete: vyšší zavařovací sklenici (nejlépe litrovou), lžíci, prskavku, špejle, zápalky nebo zapalovač, jedlou sodu, ocet

Postup: Do sklenice nasypte vrchovatou lžíci jedlé sody a pomalu přilijte 50 ml octa. Směs začne ihned pěnit a sklenice se naplní oxidem uhličitým vznikajícím při reakci. Chvíli počkejte, dokud se bouřlivá reakce trochu nezklidní. Pak zapalte konec špejle a hořící špejli vsuňte do sklenice. Špejle by měla zhasnout. Pokud se tak nestane, sklenice dosud není plná oxidu uhličitého. V takovém případě ještě chvíli počkejte, eventuálně přidejte do sklenice trochu sody nebo octa.

Nyní zapalte prskavku a pomalu ji vsuňte do sklenice. Dejte pozor, aby se prskavka nedotýkala skla. Hořící prskavku můžete také ze sklenice opakovaně vysunovat a zase ji do ní zasunovat. Počkejte, až prskavka dohoří a pozorujte rozdíl mezi jejím hořením na vzduchu a ve sklenici s oxidem uhličitým.

Co se děje: Při hoření špejle dochází k oxidaci dřeva vzdušným kyslíkem – po vložení do sklenice s oxidem uhličitým špejle hořet přestane.

Prskavka se skládá z pyrotechnické směsi, která kromě paliva obsahuje také látky uvolňující kyslík. Prskavky tedy mohou hořet i bez přístupu vzdušného kyslíku – v inertní atmosféře oxidu uhličitého. Reakcí, která však vzdušný kyslík potřebuje, je hoření kousků práškového kovu. Prskavka hořící na vzduchu proto vytváří velké množství svítících jiskřiček, zatímco prskavka ponořená do inertní atmosféry tak pěkně nezáří.