При совместном применении цветных составов неплохо учитывать следующие закономерности, о которых пишет Чувурин [2]:'Знание этих явлений позволит вам добиться прекрасных цветовых эффектов в пиротехнике порой самым простым образом, не привлекая труднодоступные и дорогостоящие реактивы. Так, существуют сочетающиеся цвета, удачно дополняющие друг друга, например, богатым дополнением красного выступает зелёный, жёлтого - фиолетовый и голубой, оранжевого - синий.
Поэтому в пиротехнике, а тем более при устройстве фейерверков придерживаются определённых правил цветовой гаммы. Считается наиболее гармоничным расположение цветного огня в следующей последовательности: красный, зелёный, синий, фиолетовый, жёлтый и белый. Красный цвет неплохо гармонирует практически со всеми цветами радуги, особенно с зелёным, но теряет яркость в присутствии белого и проигрывает в окраске в присутствии жёлтого.
Зелёный цвет хорошо сочетается с красным, чуть хуже с фиолетовым и, наконец, с жёлтым. Его сочетание с синим считается не самым удачным, поскольку тот сбивается на фиолетовый, а с белым -так и вовсе исключением из правила. Жёлтый цвет вполне универсален и подобно красному неплохо сочетается с остальными. Это сродство несколько убывает для него в следующем порядке: фиолетовый, синий, зелёный, белый и красный.
Белый цвет наиболее ранимый и хорошо смотрится только в гордом одиночестве. В сочетании же с любыми другими цветами он неизбежно теряет чистоту окраски, всё больше вырождаясь в ряду сопутствующих цветов: красный, жёлтый, зелёный, голубой и, наконец, наиболее 'разрушительный' для него - синий. К примеру, если во время демонстрации на фоне белых свечей загорится жёлтое пламя - зрители будут наблюдать, как белые свечи перекрасятся в голубой цвет. Если же цвет дополнительного пламени будет красным, белые свечи покажутся зелёными'.
Итак нам понадобятся:
- цветообразующие реактивы. Это нитрат стронция Sr(NO3)2 — для красного; нитрат бария Ba(NO3)2 — для зеленого; нитрат натрия NaNO3 — для желтого. Обычно огни на их основе получаются без особых проблем. Надо только учесть, что красный стронция и особенно зеленый бария получаются только в присуствии ионов хлора в достаточном количестве, потому помимо дополнительных окислителей — хлоратов или перхлоратов — обычно добавляют хлорсодержащие горючие (см. далее). Если надыбаете хлората бария (вместо нитрата), то цвет будет, говорят, еще лучше.
Что же касается огня синих оттенков, то с ним приходится повозиться любому начинающему пиротехнику. В среде пиротехников-любителей синий цвет считается самым сложным. Его главным компонентом служат соединения меди, в качестве которых обычно применяют основной карбонат меди Cu2(CO3)(OH)2, оксид меди (I или II), хлорид меди (I или II), хлорокись 3Cu(OH)2CuCl2 (которую, впрочем, в чистом виде приобрести проблематично — фунгицид под таким названием содержит хлорокиси всего около 50%), банальный медный купорос, либо, наконец, просто порошок меди. У Чувурина вместо основного карбоната меди (дигидроксокарбоната, он же минерал малахит) в большинстве случаев указана более экзотическая горная синь Cu3(СО3)2(ОН)2 (дигидроксодикарбонат, он же минерал азурит или медная лазурь). Обратите на это внимание: в 'Химической энциклопедии' именно дигидроксодикарбонат указан в качестве компонента пиротехнических составов. В [8] тоже указывается, что '[горная синь], как более богатая медью, окрашивает пламя несколько гуще, потому и чаще применяется'. Однако, в продаже вы встретите скорее обычный основной карбонат (порошок зеленого цвета, в отличие от синего азурита). Его несложно получить и самостоятельно из других соединений меди.
Хлорид (I), (CuCl, хлористая медь) можно брать загрязненный, с хранения. Он тогда зеленоватого оттенка благодаря отчасти присутствию хлорной меди (II) (при сушке она желтеет) отчасти основного хлорида CuCl2·Cu(OH)2. Но, конечно, лучше, если хлористую медь почистить, пользуясь тем, что она почти нерастворима в воде, в отличие от хлорной меди. CuCl самопроизвольно окисляется до основного хлорида во влажном воздухе, при этом одновалентная медь переходит в двухвалентную, и потому свежий или заново очищенный хлорид(I) необходимо хранить в герметичной таре.
Загрязненную CuCl очистить несложно, при условии, что у вас есть оборудование для фильтрации под вакуумом: грязную хлористую медь размешивают в воде, при этом голубая хлорная медь переходит в раствор, а нерастворимая хлористая медь образует взвесь белого цвета. Суспензию пропускают через грубый фильтр (ткань или нетканый материал), на котором остаются крупные включения, а затем отделяют белый осадок хлористой меди от голубого раствора с помощью фильтрации под вакуумом (воронка Бюхнера+водоструйный насос). Осадок можно дополнительно промыть водой и затем как можно быстрее высушить (иначе он опять позеленеет). И не мечтайте обойтись без вакуума: суспензия CuCl настолько мелкая, что через крупные фильтры проходит, не задерживаясь, а фильтровальную бумагу намертво забивает в первые секунды. Без вакуума можно только слегка почистить CuCl, если дать суспензии отстояться пару суток (а еще лучше пару недель), а затем аккуратно слить с осадка то, что можно слить, и отсосать большую часть оставшегося с помощью впитывающей ткани. Но таким образом можно очистить только от посторонних примесей — осадок слишком влажный и в процессе неизбежно длительной сушки успеет с поверхности на довольно большую глубину позеленеть заново.
В рецептах можно использовать чистый медный порошок, причем говорят, что с чистой медью цвет получается даже лучше, чем с ее соединениями [3]. Но оттенки пламени при замене могут меняться радикально; мало того, они зависят от степени дисперсности компонентов. Скажем, простая замена угля, который добавляют в синие составы в мизерных дозах (не более 1-3 %), с порошка ручного помола на пыль шарового помола может менять оттенок пламени. Меняет его неаккуратное смешение компонентов, крошки нерастертого перхлората или серы, применяемое связующее (которым иногда вообще заменяют горючее) и т.д.
Кроме всего прочего, синий цвет легко забивается любым другим и требует идеальной чистоты реактивов. Надо учесть, что для успешного получения синего цвета температура пламени не должна превышать 800-900 градусов (оцените — температура пламени свечи или спички в верхней его части гораздо выше, и составляет около 1200°), причем среда должна быть окислительной (избыток кислорода и хлора). В восстановительной среде (избыток нейтрального горючего) пламя получается зеленым [1]. Могут быть и все промежуточные случаи в виде голубого цвета — голубой получить, кстати, легче всего, к нему тяготеют все остальные.
- окислители. Указанные выше нитраты стронция, бария и натрия сами по себе служит отличными окислителями, и ряд рецептов этим и обходится. Однако дополнительно к ним часто употребляют перхлорат калия KClO4 или аммония NH4ClO4 (которые заодно служат хлорсодержащими агентами). В некоторые составы цветных огней входит и обычная калийная селитра. Ранее (примерно до Отечественной войны) в отечественных цветных составах широко использовали бертолетову соль KClO3, и следы этой популярности можно найти в неоднократно упоминавшейся книге Чувурина [1,2], а также в [8]. В настоящее время составы с бертолетовой солью из-за их повышенной чувствительности к трению и удару не рекомендуются, хотя кое-что мы тоже будем применять. В старой книге [8] составы синих/голубых огней почти все сделаны на основе хлората и серы. Это, очевидно, объясняется недоступностью или дороговизной многих привычных сегодня реактивов (в частности, уротропина и перхлората), но, как вы увидите, как раз эти рецепты неплохо работают.
- хлорсодержащие агенты. Присутствие ионов хлора в продуктах горения цветных составов с вышеуказанными цветообразующими компонентами — обязательное условие. Без хлора может обойтись только желтый огонь на основе натрия, так как он и без того дает насыщенное окрашивание, в остальных случаях в отсутствие хлора цвета пламени получаются блеклыми и невыразительными. Наиболее популярный хлорсодержащий агент в настоящее время — поливинилхлорид, ПВХ в виде порошка. Заодно он служит горючим. В случае отсутствия в продаже порошка ПВХ его можно напилить и самостоятельно, так как ПВХ — один из самых популярных пластиков. С этой же целью в цветные составы вводят, как уже указывалось, хлораты и перхлораты.
- металлические порошки. Как правило, это магний, алюминиево-магниевый порошок (ПАМ) или, на худой конец, алюминиевая пудра (ПАП). В цветных огнях металлические порошки служат горючими и употребляются для повышения яркости пламени. Синий огонь тут представляет исключение, так как металлические порошки заодно повышают температуру горения и в голубых/синих/фиолетовых составах не используются.
Указанные металлы без принципиальных проблем заменяются друг на друга в рецептах. Единственное, что нужно учитывать — из чистого магния достаточно мелкий порошок получить нельзя, именно для этой цели его смешивают с алюминием, получая ПАМ. Потому заменять ПАМ на магний следует с оглядкой: крупный порошок магния мешает уплотнить смесь как следует, и она получается более склонной взрываться, а не гореть. Кроме того, порошок магния из-за относительной крупности частиц повышает температуру воспламенения состава, что особенно важно для звездок, которые находятся в контакте с пламенем ограниченное время. Зато цвет у составов с магнием оказывается на высоте — заметно чище, чем у составов с ПАМ и тем более алюминием. Особенно хороши красный и зеленый с нитратами и магнием, потому в некоторых случаях его применение может быть целесообразно.
В случае звездок, где смесь уплотняют влажной и с клеем, такая замена проходит относительно безболезненно, хотя судите сами: из 20 г смеси с ПАМ можно отпрессовать 4-5 звездок высотой 8-10 см, а из такого же количества смеси, где ПАМ заменен на магний, легко получается 6 штук, и притом высотой от 10 до 12 мм. То есть смесь с магнием более рыхлая, и это не очень хороший результат. Профессионалы пользуются прессами для уплотнения смесей, развивая давление до 75 кг/см2, и им без разницы, какой там порошок. А нам со шприцами при прессовании звездок, как минимум, следует разводить состав в большем количестве жидкости, чем обычно. Наоборот, составы с алюминиевой пудрой (ПАП) уплотняются лучше всего, потому их лучше всего применять для ракеты-форса, где вероятность взрыва наиболее велика.
Немногие знают, что можно употреблять и другие металлы: например, титан, хотя его порошок дорог и экзотичен (мы его будем применять в подмазке, где много состава не требуется). Отдельной строкой в составы вводят порошок железа — обычно достаточно крупнозернистое железо употребляется для получения искр. Причем предпочтительно использовать железо в виде чугуна — его крупинки, быстро нагреваясь, трескаются и разлетаются в воздухе на несколько мелких искр. Нужный порошок чугуна можно получить сверлением старой плиты, батареи отопления или заслонки от печки — под сверлом чугун не дает стружек, а сразу крошится в крупинки. Чтобы не испортить сверло сразу, сверлить следует, смачивая место сверления жидким маслом, которое затем отмывается полосканием опилок в бензине.
Все составы с металлами (особенно при наличии селитры) рекомендуют готовить незадолго до употребления. Правда, по моему опыту, если хранить составы в герметично закрытой посуде, употреблять их можно (кроме искристых составов с чугуном), как минимум, в течение сезона. Составы с чугуном теряют свойства в течение двух-четырех месяцев (в зависимости от влажности в начальном состоянии и герметичности емкости). Хуже других цветных огней хранятся зеленые (и, наверное, осветительные) составы с нитратом бария — они полностью теряют цвет к началу следующего сезона. Относительно хорошо хранятся красные с нитратом стронция. Конечно, желтые на основе натриевой селитры без металлов, подобно обычному черному пороху и мякоти, могут храниться сколько угодно. Долговечна в хранении титановая подмазка с бертолетовой солью (см. следующий раздел); и вообще составы с бертолеткой, при условии их аккуратного приготовления и хранения без доступа влаги, долговечнее, чем с нитратами.
- горючие компоненты, а также компоненты, облегчающие воспламенение состава. К ним в первую очередь относятся хорошо нам уже знакомые сера и уголь; кроме того, во многих составах употребляют порошок уротропина (сухого спирта). Уголь для цветных огней можно и нужно употреблять ручного растирания (из активированного угля можно в ступке, в противном случае измельчать 'методом молотка' или шлифмашинки). Хотя это и неофициальная рекомендация — в пособиях вы такого не встретите, возможно потому, что в пиротехнических цехах смеси употребляют килограммами, и вручную уголь для них не растирают. 'Ручной' уголь добавляет искристый шлейф к любому цвету, и без него мне эффект кажется каким-то вялым и скучным. Горючим является и упоминавшийся порошок ПВХ, также к ним относятся и связующие.
- связующие употребляют для получения более прочного и плотного состава при прессовании звездок и в других подобных случаях, а иногда и как самостоятельные или дополнительные горючие компоненты. В старые времена употребляли экзотические ныне камеди (застывшие соки некоторых деревьев, в т. ч. гуммиарабик; химически представляют собой полисахариды — полимеры глюкозы и родственных ей моносахаридов), но сейчас они почти недоступны. Из традиционных связующих ныне доступны шеллак (компонент натурального спиртового лака по дереву) и идитол (спирторастворимая смола, родственник бакелита, придуманная изначально, как синтетический заменитель дорогого шеллака), которые можно приобрести в интернет-магазинах. С точки зрения удобства пользования идитол и является наилучшим связующим для наших целей, при условии, что вы сможете приобрести чистый спирт-ректификат для его растворения. Идитол растворяется и в ацетоне, но ацетон слишком быстро испаряется, и работать с таким составом очень неудобно. То же относится и к фабричному нитролаку, который часто упоминается в качестве связующего на пиротехнических интернет-форумах. Автор несколько раз пытался освоить фабричный нитролак в качестве связующего (о нем так много говорят!), но ни разу ничего не получилось: например, смесь для звездок сохнет быстрее, чем успеваешь ее напихать в шприц для прессования. Кроме того, нитролак абсолютно не липкий и потому смеси на нем не получаются пластичными.
Если вы встречаете эти вещества в рецептах, а приобрести не получается, то не гоняйтесь по всему Интернету: их можно заменить на более доступное связующее (исключение представляют смеси, где связующее служит и основным горючим [8] — там замена не всегда возможна). Авторитетный Платов [6] для простых изделий предпочитает дешевый крахмал, который действительно удобнее, когда нужно приготовить сразу много всего (при небольших объемах производства он неудобен, потому что его долго готовить и нельзя долго хранить разведенным). Для звездок можно применять спиртовой раствор канифоли, хотя они получаются не столь прочными.
Автор очень долго работал с декстрином, который легко растворяется просто в воде, и большая часть сказанного далее проверена именно на смесях с декстрином. И лишь потом перешел на идитол, когда удалось его приобрести. Идитол в продаже бывает в крупных прозрачных желтоватых чешуйках. Перед добавлением в состав его надо растереть в мелкий порошок, что может представлять отдельную проблему. Идитол легко крошится, но при растирании липнет к стенкам ступки, и оттереть ее можно потом только после замачивания в ацетоне (или спирте). Потому целессообразно сразу заготовить грамм сто размолотого идитола для дальнейшего использования. Посуда после размешивания смесей на идитоле и спирте легко оттирается тряпочкой, смоченной в ацетоне. И ни в коем случае не добавляйте идитол в смесь для размола в шаровой мельнице — потом не отмоете!
Связующего добавляется обычно порядка 5% от объема или (если связующее сухое) массы состава (сверх 100%, то есть 5 г на 100 г смеси). В некоторые составы с идитолом (осветительные, например), его добавляется 1/10 по весу. Крахмал, по Платову, нужно растворять примерно в двадцатикратном объеме воды (230 г на 4 л), предварительно заварив его в кипятке, образованном из десятой части этой воды.
- флегматизаторы горения нужны для предотвращения взрывного разложения состава в условиях применения. В рецептах прессованных звездок флегматизатор обычно служит и связующим.
Все компоненты, склонные к слеживанию и комкованию перед смешиванием необходимо просушивать. Особенно это необходимо, если вы их пользуете на даче летом, где влажность почти всегда повышенная. То есть сушить окислители, кроме негигроскопичных марганцовокислого калия и бертолетовой соли — обязательно! В первую очередь это относится к нитратам и перхлорату, но и бертолетову соль, марганцовку также необходимо просушить, если атмосфера очень влажная, как бывает после длительных дождей. То же относится к сере — просушенная сера в любом случае будет меньше комковаться и липнуть к ступке. Необязательно сушить металлические порошки, ПВХ, малахит и уголь, если только они не откровенно влажные. В некоторых случаях (составы без бертолетовой соли, серы и без металлических порошков) просушивать можно и уже готовый состав.
Просушивания, в общем, не требуют компоненты, которые потом будут подвергаться увлажнению и прессованию: для изготовления звездок и т.п., однако лучше их тоже просушить — смешивать будет несравненно легче, компоненты перестанут липнуть к ступке и комковаться. То есть, если вы готовите звездки на декстрине и воде, то просушивать компоненты не обязательно, просушивают уже готовые звездки. Удобство применения идитола на спирту для звездок еще и в том, что в этом случае также можно избежать сушки: при испарении спирта он захватывает с собой лишнюю воду.
Для просушки на металлический лист стелят бумагу, на которой ровным рыхлым слоем не более 1 см толщиной рассыпают порошок компонента. Просушивают в электродуховке при температуре 100° 15-20 минут и дают остыть вместе с духовкой, или на нагревательном приборе 40-50° в течение часа. Серу лучше в духовке при 100° не сушить — она плавится уже при 113° и может по краям подплавляться.
В принципе горение пиротехнических смесей, как и любая химическая реакция, поддается теоретическому расчету. Эта тема не очень освоена даже многими людьми с химическим образованием: в школе ее проходят по необходимости поверхностно, а для современных химиков она не очень нужна сама по себе — за исключением немногих профессиональных неоргаников. В реальности теория этого дела изуметельно проста: она исходит из того, что вещества реагируют в том сотношении атомов, которое указано в реакции, и при этом в одном моле любого вещества (грамм-молекуле или грамм-атоме по старой терминологии) содержится одинаковое число молекул. Потому достатно положить перед собой таблицу Менделеева, где указаны атомные веса элементов, чтобы рассчитать в принципе любую реакцию.
Классический пример: 2H2+O2=2H20. Зная вышеприведенные правила, из этого уравнения, согласно которому две молекулы водорода реагируют с одной молекулой кислорода, образуя две молекулы воды, можно извлечь массу полезной информации:
— молекулярный вес (строго говоря, масса, но я привык к молекулярному весу) водорода H2 = 2, кислорода O2 = 32, отсюда 4 грамма водорода, реагируя с 32 граммами кислорода, дадут 36 грамм воды. Имея исходный вес компонентов в смеси, по этим данным можно рассчитать конечный результат реакции: например, определить какой из компонентов в избытке и сколько его останется непрореагировашим, то есть сколько его надо добавить для полного протекания реакции (т.е. определить стехиометрическое соотношение компонентов). Можно, например, подсчитать, сколько воздуха нужно взять и сколько добавить к нему водорода, чтобы весь кислород прореагировал без остатка;
— более того: если реакция, как здесь, полностью протекает в газообразной фазе, то стоит вспомнить еще одно правило: один моль любого газа занимает при нормальных условиях объем 22,4 литра. С соотношением объемов иметь дело даже проще, чем с граммами: например, для нашей реации отсюда вытекает точное соотношение объемов газов в исходной смеси для нашей реакции: два объема водорода и один объем кислорода. В результате, между прочим, получится два объема водяных паров, то есть объем результата на треть меньше исходного, и давление должно упасть! А, учитывая то, что вода при нормальных условиях большей частью сконденсируется в жидкость, то вообще образуется вакуум. Но произойдет, конечно, это только после остывания: температура водородно-кислородного пламени сильно больше 2000°, оттого продукты резко расширяются и реакция протекает в форме мощного взрыва.
И так далее...
Довольно подробно этот вопрос применительно к пиротехническим смесям рассмотрен в пособии [13]. При составлении смесей играет роль так называемый кислородный баланс: соотношение количеств атомов (точнее, грамм-атомов) кислорода в исходной смеси и их количества, необходимого для образования продуктов реакции. Сразу отметим, что у большинства правильно составленных смесей этот баланс отрицательный, то есть кислорода меньше, чем надо: иначе реакция протекала бы слишком бурно. Эти расчеты могут быть полезны при доработке смесей — если вы хотите ускорить или замедлить горение, или заменить один компонент на другой. Однако, надо помнить, что без знания реально протекающих реакций эти расчеты могут быть лишь очень приблизительными (ниже я приведу пример, как без знания механизма реакции запросто можно попасть пальцем в небо).
Методика расчета проста по сути, но довольно муторная и просто так автоматизации не поддается (и это еще счастье, что у нас с вами есть калькулятор: химики времен выпуска указанного пособия все считали на бумажке вручную или, в лучшем случае, на логарифмической линейке). Покажем, как это делается, на примере расчета смеси оранжевого огня, содержащей целых три окислителя: азотнокислый натрий, азотнокислый стронций, а также перхлорат калия. Третий окислитель — перхлорат, — здесь нужен, как хлорагент (для «проявления» красного цвета стронция), и мы заодно посмотрим, как он влияет на кислородный баланс.
Sr(NO3)2 46
NaNO3 11 (вариант: уменьшить до 5-7)
Перхлорат калия KCl04 19
S (сера) 21
C (угольная пудра) 3
Al (пудра) 3
(цифры здесь обозначают условную массовую долю компонента; сумма этих долей необязательно равна 1 или 100%, так удобнее считать и составлять смеси; далее мы широко будем применять этот прием в рецептах).
Молекулярные веса компонентов (Мкомп): Sr(NO3)2 — 212; NaNO3 — 147; KCl04 — 138,5; S — 32; C — 12; Al — 27. Если вам встретится полимер (например, ПВХ в некоторых рецептах), то нужно считать по минимальному повторяющемуся фрагменту («составному звену»), в большинстве случаев соотвествующему молекуле мономера (для ПВХ это хлорвинил C2H3Cl).
Принимаем мольную долю азотнокислого стронция (АС) за 1 и составляем пропорции для остальных компонентов по уравнению:
212 : Mкомп×мол. доля комп = масс. доля АС по рецепту: масс. доля комп по рецепту;
Смысл этой пропорции в том, чтобы найти неизвестную нам мольную долю компонента: умноженная на его молекулярный вес, она даст массу компонента, которая относится к известной нам массе азотнокислого стронция (212×1) согласно соотношению массовых долей по рецепту. Распишем пропорции для всех компонентов (буквы после молекулярного веса означают искомую мольную долю по первой букве названия компонента):
NaNO3: 212:147·N = 46:11 (для второго, более красного, варианта огня 46:5);
KCl04: 212:138,5·K = 46:19;
S: 212:32·S = 46:21;
C: 212:12·C = 46:3;
Al: 212:27·A = 46:3.
Не уверен, что сейчас пропорции так же обстоятельно проходят в школе, как в мое время — по сути пропорция есть более наглядный вид обычного равенства произведений, в логику математики она не укладывается, зато прекрасно укладывается в здравый смысл. Мы даже не писали знака деления, ставя вместо него тире и произнося словами примерно такое: «212 частей в-ва АС — это 147х частей в-ва N, а 46 частей в-ва АС — это 11 частей N». Неизвестная величина, где бы она не стояла, при этом находится из основного правила пропорции: «произведение крайних членов равно произведению средних членов». Отсюда:
Мольная д. NaNO3 I вар. N = 212·11/147·46 = 0,345;
II вар. N = 212·5/147·46 = 0,157;
Мольная д. KCl04 K = 212·19/138,5·46 = 0,63;
Мольная д. S = 212·21/32·46 = 3,0;
Мольная д. C = 212·3/12·46 = 1,15;
Мольная д. Al A = 212·3/27·46 = 0,5;
Отсюда расписываем мольный состав кислородсодержащих соединений в смеси и подсчитываем количество грамм-атомов кислорода в ней:
I вариант: Sr(NO3)2 + 0,345·NaNO3 + 0,63·KCl04;
содержание кислорода в смеси I = 6+0,345·3+0,63·4 = 6+1,03+2,52 = 9,55 г-а (или 4,8 моля молекулярного O2 в официальных единицах, хотя так считать неудобно).
II вариант: Sr(NO3)2 + 0,157·NaNO3 + 0,63·KCl04;
содержание кислорода в смеси II = 6+0,157·3+0,63·4 = 6+0,47+2,52 = 9,0 г-а.
Теперь посчитаем, сколько его надо для полного сгорания. Полагаем, что все участвующие элементы-восстановители окисляются полностью, а именно:
Sr → SrO
Na → Na2O
K → K2O
S → SO2
C → CO2
Al → Al2O3
Иными словами, на 1 грамм-атом стронция Sr пойдет 1 грамм-атом кислорода O, на 1 грамм-атом Na и K пойдет 1/2 грамм-атома кислорода; серы S и угля С — по 2 грамм-атома; алюминия Al — 3/2 грамм-атома. Зная количество мольных долей каждого из этих элементов (в том числе в составе соответствующих соединений), получаем необходимое количество грамм-атомов кислорода:
Sr: 1 г-а O;
Na: I вар. 0,345/2 = 0,17 г-а O; II вар. 0,157/2 = 0,08 г-а.
K: 0,63/2 = 0,315 г-а O;
S: 3,0*2 = 6 г-а O;
C: 1,15*2 = 2,3 г-а O;
Al: 0,5*3/2 = 0,75 г-а O;
Итого I вариант требует 10,5 г-а кислорода, II вариант - практически то же самое (разница менее, чем на 0,1 г-а). Анализ этих цифр приводит к следующим выводам:
— смесь дефицитна по кислороду, но не намного (10-15%). То есть в результате горения часть горючих может окисляться неполностью (C → CO вместо CO2 и т.д.);
— большую часть вклада по кислороду дает Sr(NO3)2 и KCl04, доля NaNO3 гораздо меньше и практически никакой разницы в смесях по I и II варианту нет, кроме изменения цвета;
— перхлорат калия, несмотря на его относительно малую долю (10 частей), — необходимая составляющая смеси, кроме хлора для усиления красного, он дает заметную часть кислорода. В противном случае дефицит кислорода был бы гораздо больше, и смесь горела бы слишком вяло.
10-20% дефицита кислорода может считаться нормой, при большей недостаче смесь может просто гаснуть в процессе горения, если вообще ее удастся воспламенить. Справедливости ради отметим, что недостача связанного кислорода не единственная причина плохого зажигания и вялого горения смесей, о чем несколько слов в конце этого раздела.
Как видим, расчеты действительно довольно муторные, но иногда их проводить целесообразно. Например, такой же анализ смесей красного и зеленого огня (см. след. раздел), показывает, что замена азотнокислого стронция на азотнокислый барий в равном весовом количестве практически ничего не меняет в кислородном балансе, и одинаковый состав для удобства составления смесей тут вполне приемлем.
Но все это при условии, повторим, что мы действительно представляем себе протекание реакциий в смеси правильно. Яркий пример того, как можно крупно ошибиться, представляет собой обычный черный порох (75KNO3, 10S, 15С). Если мы, не вникая в процесс горения, посчитаем, как в изложенной выше методике, что все элементы окисляются кислородом полностью, иными словами:
K → K2O
S → SO2
C → CO2,
то получим чудовищный (примерно 4-кратный) кислородный дефицит. И вообще тогда будет непонятно, как этот состав может гореть и не гаснуть.
В реальности реакция тут совсем другая: 2KNO3+S+3C=K2S+N2+3CO2! И по ней классический состав черного пороха кислороднодефицитен в минимальной степени: просто небольшая (не более 1/10) часть C сгорает до CO, а не CO2).
В пособии И. В. Быстрова для артиллеристов [13], откуда заимствована эта методика, приводятся примеры и других теоретических расчетов пиротехнических составов. Из них самый большой интерес представляет тепловой расчет, который в принципе прозволяет оценить температуру и интенсивность горения смеси. На практике, однако, такие расчеты из-за большого числа влияющих факторов довольно бесполезны — измените крупность частиц, рыхлость смеси и соотношение поверхность/объем (т.е насыпную плотность — насколько смесь утрамбована), замените картонный корпус на металлический, учтите влажность компонентов — все это влияет на интенсивность и температуру горения. Причем влияет неоднозначно: уменьшение площади поверхности по отношению к объему сначала увеличивает скорость горения (из-за снижения теплопотерь в окружающую среду), но затем, по мере уплотнения самой смеси скорость горения быстро снижается — смесь становится слишком плотная, чтобы гореть сразу во всем объеме, и сгорает послойно. Кроме того, для каждого соотношения площадь/объем есть оптимальная крупность частиц, при котором скорость горения максимальна (сравните гранулы ружейного и артиллерийского пороха). И, как любые другие тепловые расчеты, ваш окажется к большинству практических случаев неприменимым. Так что такие расчеты могут в лучшем случае служить некоторым подспорьем для опытного экспериментатора, а сами по себе они не окупают затраченного времени.