Vậy là còn vài ngày nữa là đến lễ Quốc khánh 2/9, đây được xem như một ngày lễ quan trọng của đất nước. Và tất nhiên việc bắn pháo hoa nghệ thuật cũng trở thành một thông lệ quen thuộc ở nhiều nơi.
Trong bài viết trước đây về hóa học của pháo hoa, blog cũng đã đề cập về các hợp chất hóa học tạo ra màu sắc của chúng. Nhưng khi xem xét thành phần của pháo hoa thì thuốc súng mới là thứ quan trọng nhất.
Vì thế trong bài biết lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về hóa học của thuốc súng để hiểu rõ hơn tại sao chúng được gọi là bột đen nhé!
Đôi nét
Cho đến giữa thế kỷ 19, thuốc súng là chất nổ hóa học duy nhất được biết đến. Tuy nhiên, việc sử dụng nó có thể được xuất hiện sớm hơn nhiều so với điều này, và có những bằng chứng lịch sử về việc sử dụng nó trong pháo hoa ở Trung Quốc cho đến tận năm 1200 AD (sau công nguyên).
Trong các thế kỷ tiếp theo, nó đã được ứng dụng quân sự trong súng trường và đại bác. Tuy nhiên sau này người ta ít sử dụng chúng và dần được thay thế bằng các loại bột hiện đại, không khói.
Ngành công nghiệp pháo hoa là một trong những ngành công nghiệp lớn cuối cùng vẫn sử dụng bột đen truyền thống.
Thuật ngữ ‘bột đen’ được dùng vào cuối thế kỷ 19, chủ yếu ở Hoa Kỳ, để phân biệt các công thức thuốc súng trước đây với các loại bột không khói mới và bột bán không khói.
Hóa học đằng sau
Thay vì là một hợp chất đặc biệt, thuốc súng thực sự là sự pha trộn của ba thành phần khác nhau.
Nó bao gồm kali nitrat (KNO3, chiếm 75% trọng lượng), than củi (C, chiếm 15% trọng lượng) và lưu huỳnh (S, chiếm 10% trọng lượng). Mỗi thành phần này đóng một vai trò quan trọng trong quá trình đốt thuốc súng.
Tỉ lệ trên được đưa ra trước đó là tỉ lệ tiêu chuẩn, trên thực tế thì tỉ lệ thành phần này cũng thay đổi theo thời gian và mục đích sử dụng. Sau đây là một vài ví dụ về công thức của thuốc súng, bạn có thể tham khảo thêm nhé!
| Công thức | Kali nitrat (%) | Than củi (%) | Lưu huỳnh (%) |
| Bishop Watson, 1781 | 75.0 | 15.0 | 10.0 |
| British Government, 1635 | 75.0 | 12.5 | 12.5 |
| Bruxelles studies, 1560 | 75.0 | 15.62 | 9.38 |
| Whitehorne, 1560 | 50.0 | 33.3 | 16.6 |
| Arderne lab, 1350 | 66.6 | 22.2 | 11.1 |
| Roger Bacon, c. 1252 | 37.50 | 31.25 | 31.25 |
| Marcus Graecus, 8th century | 69.22 | 23.07 | 7.69 |
| Marcus Graecus, 8th century | 66.66 | 22.22 | 11.11 |
Bột đen hay thuốc súng là hỗn hợp dạng hạt của:
- Nitrat, điển hình là kali nitrat (KNO3), cung cấp oxy cho phản ứng;
- Than củi, cung cấp cacbon và nhiên liệu khác cho phản ứng, được đơn giản hóa là cacbon (C);
- Lưu huỳnh (S), trong khi cũng đóng vai trò là nhiên liệu, làm giảm nhiệt độ cần thiết để đốt cháy hỗn hợp, do đó làm tăng tốc độ đốt cháy.
Trong đó, kali nitrat, còn được gọi là ‘saltpetre’, hay ‘saltpeter’, phân hủy ở nhiệt độ cao để cung cấp oxy cho phản ứng.
Điều này có nghĩa là thuốc súng không cần phải tiếp xúc với không khí để đốt – và đó là lý do tại sao việc bắn pháo hoa không làm chúng ngừng cháy!
Than thường được xem như một nguồn carbon đơn giản, hoạt động như một loại nhiên liệu, mặc dù nó thực sự là một dạng cellulose bị phá vỡ, với công thức thực nghiệm gần đúng là C7H4O.
Cuối cùng, lưu huỳnh cũng có thể hoạt động như một loại nhiên liệu, và nó trải qua các phản ứng tỏa nhiệt (phản ứng tỏa nhiệt) ở nhiệt độ tương đối thấp, cung cấp nhiều năng lượng hơn và giảm nhiệt độ bắt lửa của than.
Điều đáng chú ý là chỉ cần trộn ba thành phần này với nhau là không đủ để tạo ra thuốc súng chất lượng tốt.
Thực tế, chúng phải được trộn kỹ, làm ẩm và nghiền để tạo ra hỗn hợp phản ứng. Các sai lệch so với tỷ lệ lý tưởng được đưa ra ở trên đôi khi được sử dụng để thay đổi hành vi đốt của hỗn hợp, và việc thêm một lượng nhỏ nước vào hỗn hợp cũng có thể được sử dụng để kéo dài thời gian cháy.
Các phản ứng chính xác của thuốc súng rất khó để làm sáng tỏ. Thay vì là một phản ứng đơn giản, việc đốt thuốc súng bao gồm nhiều phản ứng phức tạp khác nhau. Để dễ hiểu các bạn theo dõi phản ứng bên dưới nhé!
Một hỗn hợp các sản phẩm rắn và khí được tạo ra bởi các phản ứng, cùng với một lượng nước rất nhỏ.
10 KNO3 + 8 C + 3 S -> 2 K2C03 + 3 K2SO4 + 6 CO2 + 5 N2
hoặc 6 KNO3 + C7H4O + 2 S → K2CO3 + K2SO4 + K2S + 4 CO2 + 2 CO + 2 H2O + 3 N2
Rõ ràng việc sử dụng bột đen trong pháo hoa là ‘bệ đỡ’, đẩy pháo hoa lên không trung. Ngòi nổ, cho phép trì hoãn trước khi bắn pháo hoa, và chính vụ nổ, cũng sẽ sử dụng thuốc súng.
Việc đốt than trong thuốc súng thường là nguồn gốc của những chùm pháo hoa lấp lánh khi chúng bay lên.
Các khí được tạo ra bởi phản ứng đốt cháy là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhiên liệu và sự bùng nổ cuối cùng của pháo hoa.
Trong một số trường hợp, các chất thay thế an toàn hơn cho thuốc súng ổn định hơn và dễ xử lý hơn hiện đang được sử dụng trong pháo hoa hiện đại.
Tuy nhiên, nhiều người vẫn sử dụng thuốc súng, tiếp tục một phong tục hàng thế kỷ.
Trên đây là một vài điều thú vị về hóa học của thuốc súng. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai.
Lần sau nếu có ai hỏi về chúng thì hãy nhớ về hóa học đằng sau nhé!
Tuyên bố từ chối trách nhiệm:
Xin lưu ý rằng nội dung được cung cấp bởi trang web của chúng tôi chỉ dành cho MỤC ĐÍCH GIÁO DỤC.
Pháo hoa và các hóa chất chứa trong chúng rất nguy hiểm và phải luôn được xử lý cẩn thận và được sử dụng theo lẽ thường.
Bằng cách sử dụng trang web này, bạn thừa nhận rằng HHLCS.com sẽ không chịu trách nhiệm cho bất kỳ thiệt hại, thương tích hoặc các vấn đề pháp lý khác do bạn sử dụng pháo hoa hoặc kiến thức hoặc ứng dụng thông tin trên trang web này.
Đặc biệt, chúng tôi không chấp nhận việc sử dụng pháo hoa cho các mục đích gây rối, không an toàn, bất hợp pháp hoặc phá hoại.
Bạn có trách nhiệm tuân theo tất cả các luật hiện hành trước khi sử dụng hoặc áp dụng thông tin được cung cấp trên trang web này.
Tham khảo J A Conkling, M S Russell, vi,wikipedia và Compound Interest.
