Огненные забавы

Вы думаете, мода на фейерверки в новогоднюю ночь появилась в России 10—15 лет назад? Ничего подобного. В далеком 1675 году «художества огненныя» были устроены в городе Устюге (тогда еще не знали, что это родина Деда Мороза): «было зажжено сто смоленых бочек, множество ракет и шутих при громадном стечении народа». «Огненным потехам» покровительствовал Петр I. Он собственными руками смастерил детали грандиозного фейерверка, запущенного зимой 1690 года в подмосковном селе Воскресенском. Новогодние «огненные забавы — иллюминации» 1702, 1703 и 1705 годов подробно описаны современниками. Фейерверк, «изготовленный по изобретению профессора Ломоносова», зажженный на Новый 1754 год, запечатлен на хорошо сохранившейся гравюре. Во время царствования Екатерины II устройство фейерверков было обязательным атрибутом праздничных увеселений и гуляний. Нередко случались пожары, поэтому правительством было принято регламентирующее «Положение о фейерверках».

Иллюстрация Елены Станиковой

Давайте познакомимся с фейерверком (от нем. Feuer — огонь, Werk — дело) поближе. Его основа — горение пиротехнического состава (от греч. pyr – огонь), иначе говоря, окислительно-восстановительная реакция с образованием пламени, сопровождаемая тепловыми, дымовыми и звуковыми эффектами. Пиротехнический состав — смесь веществ, состоящая из окислителя, горючего средства, цементатора, или склеивающего компонента, а также красителей пламени, стабилизаторов, активаторов и ингибиторов. Окислители — это соли кислородосодержащих кислот, например хлораты KClO₃ (бертолетова соль), Ba (ClO₃)₂, нитраты KNO₃, NaNO₃, перманганаты KMnO₄,а также оксиды и пероксиды металлов Fe₂O₃, РbO₂, CrO₃, WO₃ и др. В качестве горючего используются фосфор, сера, углерод в виде угля или сажи, углеводороды, термопласты, каучуки, металлы — магний, алюминий медь, сурьма. Цементаторы — это смолы, камеди, олифа. Стабилизаторы – анилин, камфара — препятствуют самовозгоранию смеси при хранении. Активаторы увеличивают активность веществ. Ингибиторы замедляют скорость горения.

В первых фейерверках горела пороховая смесь, состоящая из калиевой селитры KNO₃ в роли окислителя, древесного угля — основного горючего и серы — цементирующего вещества, облегчающего воспламенение. Эта пиротехническая смесь называется черным или дымным порохом и до сих пор считается идеальным, классическим фейерверочным составом при соотношении 75:15:10. Приближенно процесс описывается реакцией: 2KNO₃+S+3C→K₂S+N₂+3CO₂+148 ккал.

Как взрывчатое вещество черный порох впервые в Европе был описан английским монахом-алхимиком Роджером Бэконом в 1242 году: «Им можно производить в воздухе гром и молнию, гораздо более мощные, чем естественные». В 1354 году еще один монах-алхимик, немец Бертольд Шварц случайно получил порох. По преданию, он смахнул порошки веществ, с которыми он работал, в медную ступку. Она упала со стола, и произошел взрыв. Шварца обвинили в колдовстве и даже водворили в темницу. Изучение остатков содержимого ступки, а это были сера, толченый уголь и селитра, позволило повторить эксперимент без привлечения магии, и обвинения с несчастного были сняты. Наверное, от радости, что удалось избежать сожжения на костре, Шварц оставил поиски философского камня и посвятил себя изучению пороха. До сих пор один из пороховых составов носит его имя, а в Германии благодарные потомки воздвигли ему памятник.

На Руси порох производился уже в XV веке. В XIX веке при Охтинском пороховом заводе открылась Пиротехническая школа, где в течение пяти лет обучали «изготовлению пороха, военно-лабораторному делу и приготовлению фейерверков». В Михайловской артиллерийской академии разрабатывались новые материалы, в частности, и для фейерверков, делающие их более красочными и зрелищными. Конечно, главной всегда была не «потешная», а военная пиротехника, и она в России имела огромные достижения.

Долгое время пиротехника не базировалась на научном фундаменте. Считалось, что для изготовления фейерверка достаточно быть хорошим практиком. Все накопленные знания основывались главным образом на личном опыте и опыте предшественников. Например, вещества для окрашивания пламени или звуковых эффектов — свиста, рева — подбирались почти наугад, методом проб и ошибок. Как наука, пиротехника родилась только в середине XX века, когда были успешно проведены исследования физико-химических процессов, лежащих в основе механизмов цепных реакций. Теоретический фундамент был заложен советским ученым физиком и химиком Н.Н. Семеновым, который в 1956 году был удостоен Нобелевской премии «за исследования в области механизма химических реакций». Современная гражданская пиротехника занимается, конечно, не только созданием новых безопасных материалов для фейерверков и имитации пожаров и взрывов в кино, но и вполне серьезными вещами, например, производством сигнальных дымовых и осветительных снарядов, мирных взрывов, применяемых в горнорудном деле и при прокладке дорог и туннелей в горах, изучает физические процессы, лежащие в основе спецэффектов, и т. д. Конечно, со времен Ломоносова пиротехника сильно изменилась. Современный арсенал пиротехнических средств огромен — создаются все новые взрывчатые смеси, в рецептуру которых входят фенолформальдегидные смолы, полиуретановые и бутадиеновые каучуки, поливинилхлориды и полиакриламиды.

С пиротехническим составом мы разобрались. Дело за малым — запустить его и воспламенить. Воздушные фейерверки в зависимости от высоты запуска делятся на верховые (они выстреливаются из мортир на высоту до 500 метров) и средние, или взлетающие (высота полета ракеты до 50 метров). Готовая пороховая смесь загружается в фейерверочный снаряд, снабженный огнепроводным шнуром и взрывателем замедленного действия, который поджигает заряд высоко в небе. И вот он, главный момент праздника! Сердце и ребенка, и взрослого замирает от восторга, когда в ночное небо выстреливаются разноцветные огненные фонтаны и водопады, шары вдруг рассыпаются на ярко сияющие или мерцающие звездочки, швермеры — фейерверочные ракеты рисуют на черном фоне золотые и серебряные линии-змейки… Можно ли найти более яркое доказательство, что химия — это красиво?