La pirotecnica, ovvero l’arte dei fuochi artificiali, è nata in epoche remote in Cina. In Europa ha cominciato a svilupparsi intorno al 1300. Essa è un’antica arte che, pur essendosi sviluppata su basi essenzialmente empiriche, racchiude in sé interessanti aspetti scientifici. Alla base di qualsiasi manifestazione pirotecnica vi è la polvere da sparo, chiamata anche polvere pirica o polvere nera, anch’essa nata in Cina e diffusa in Europa da Ruggero Bacone, che ne rese nota la composizione nel 1242. La polvere pirica è costituita, oggi come nel passato, dal 75% di nitrato di potassio (salnitro), dal 15% di carbone in polvere e dal 10% di polvere di zolfo. La combustione della polvere pirica (e in generale di un esplosivo tradizionale) non è diversa da una normale combustione, in cui un combustibile (agente riducente) e un comburente (agente ossidante) reagiscono chimicamente tra loro. L’unica differenza rispetto alle normali combustioni consiste nel fatto che il comburente (l’ossigeno) non viene fornito dall’aria, bensì da uno dei componenti solidi della miscela stessa (nel caso della polvere pirica il nitrato di potassio).

Durante la reazione chimica il combustibile cede elettroni al comburente, formando legami con l’ossigeno. I legami che caratterizzano i prodotti della reazione sono più stabili di quelli che caratterizzano i reagenti. Di conseguenza la reazione produce la liberazione di energia sotto forma di calore. In seguito all’ignizione (innesco) la reazione avviene molto rapidamente, analogamente allo sviluppo di energia. Nei fuochi artificiali la polvere pirica funge sia da propellente che da carica esplosiva. Nella polvere pirica i combustibili sono costituiti dal carbone e dallo zolfo. Oltre a questi in campo pirotecnico vengono anche utilizzati altri combustibili: zucchero (per bombe fumogene), silicio e boro (utilizzati soprattutto per le micce) ed elementi metallici, quali alluminio, magnesio e titanio. Questi ultimi bruciano con l’ossigeno dell’aria raggiungendo elevate temperature ed emettendo una luce molto intensa e brillante (il magnesio veniva utilizzato a tale scopo anche in campo fotografico per realizzare il classico lampo). Gli elementi metallici vengono anche utilizzati per creare le suggestive emissioni di luce che accompagnano le esplosioni pirotecniche. La luce che si vede in uno spettacolo pirotecnico deriva essenzialmente da tre meccanismi: incandescenza, emissione atomica ed emissione molecolare. Le particelle solide portate ad alta temperatura dal calore liberato dall’esplosione emettono per incandescenza un ampio spettro di radiazione. Tanto più è alta la temperatura, tanto minore è la lunghezza d’onda delle radiazioni emesse. Nel caso della combustione del magnesio, ad esempio, le particelle di ossido che si producono raggiungono i 3000 ° C e questa temperatura determina l’emissione di una luce bianca molto intensa. Analoghi lampi si possono ottenere con miscele di perclorato di potassio e alluminio.

Molti atomi metallici, una volta eccitati fornendo loro energia, emettono radiazioni elettromagnetiche che cadono nella regione del visibile, cioè con lunghezze d’onda comprese tra 380 e 780 nanometri. Ogni elemento ha un suo spettro di emissione proprio, caratterizzato da valori di lunghezza d’onda (e quindi colore) ben definiti. L’emissione di radiazione è dovuto alle transizioni elettroniche tra orbitali di maggiore energia (raggiunti dagli elettroni in seguito all’eccitazione) e orbitali di più bassa energia. Ogni transizione elettronica determina l’emissione di un fotone di energia pari alla differenza di energia tra i due orbitali tra i quali la transizione è avvenuta. Un meccanismo analogo vale anche per le molecole le quali, una volta eccitate, possono emettere radiazioni caratteristiche. Anche le molecole per essere eccitate richiedono un aumento di temperatura, tuttavia se la temperatura è troppo elevata si può determinare la decomposizione della molecola stessa. Di conseguenza è importante fare in modo che la temperatura raggiunga valori ottimali.

Le colorazioni che si vedono negli spettacoli pirotecnici derivano dalle emissioni atomiche e molecolari delle sostanze che si formano aggiungendo specifici additivi alla polvere pirica. Così per ottener le colorazioni rosse si utilizzano composti dello stronzio che produce radiazioni di lunghezza d’onda compresa tra 605 e 682 nanometri. Il giallo si ottiene utilizzando composti del sodio che emette la caratteristica radiazione a 589 nanometri. Le colorazioni verdi si ottengono utilizzando composti del bario che emette radiazioni con lunghezza d’onda compresa tra 507 e 532 nanometri. Un problema difficile da risolvere per i pirotecnici fu l’ottenimento della colorazione blu. Infatti nessun elemento emette una radiazione di questa lunghezza d’onda. Il problema fu risolto utilizzando la molecola CuCl (cloruro rameoso). Tale molecola infatti emette una bella radiazione blu, purché la temperatura venga mantenuta in un intervallo ben preciso (se la temperatura è troppo elevata infatti la molecola si decompone). Particolari sfumature di colore vengono poi ottenute combinando diverse sostanze. Ad esempio il viola viene ottenuto dall’emissione congiunta dei cloruri di stronzio e di rame.

Oltre alle colorazioni è importante il “disegno” che i vari razzi devono descrivere in cielo. L’aspetto balistico viene regolato dalle modalità costruttive dei fuochi artificiali. Una carica di polvere pirica serve da propellente per portare il fuoco in quota. Al momento del lancio viene accesa anche una miccia ad azione ritardata che determina l’esplosione in quota che innesca le reazioni responsabili delle varie colorazioni. La struttura del razzo può prevedere esplosioni multiple successive che determinano singolari effetti.

Dicevamo che l’arte pirotecnica si è sviluppata sui basi essenzialmente empiriche ed è stata tramandata di generazione in generazione da un limitato numero di famiglie. Solo di recente il mondo scientifico ha cominciato a occuparsi dell’argomento. Per questo motivo la letteratura sull’argomento non è molto ampia. Nel passato è degna di nota l’opera De la pirotecnia di Vannoccio Biringuccio, pubblicata a Siena nel 1540. Si tratta di un opera che tratta vari argomenti, dall’estrazione e la lavorazione dei metalli fino all’utilizzo militare della polvere da sparo. Opere più recenti dedicate agli aspetti pratici della pirotecnica sono le seguenti: F. Di Maio, Pirotecnia moderna, Hoepli, Milano, 1891; T. De Francesco, Fuochi artificiali, Lavagnolo, Torino 1960 (questi due ultimi volumi possono essere scaricati on line all’indirizzo: http://www.earmi.it/download/libri/pirotec.htm); P. Macchi, Fuochi pirotecnici e artifizi da segnalazione, Pirola, Milano, 1984; F. Nicassio, Fuochi Artificiali, Levante Editore, Bari 1997.

In lingua inglese segnaliamo invece le seguenti opere che trattano gli aspetti scientifici dei fuochi artificiali: J. H. Mc Lain, Pyrotechnics from the Viewpoint of Solid State Chemistry, The Franklin Institute Press, 1980; J. A. Conkling, The Chemistry of Pyrotechnics, Marcel Dekker Inc, 1985; T. Shimizu, Fireworks: The Art, Science and Technique, Pyrotechnica Publications, 1988. Segnaliamo infine il seguente articolo dal quale sono state tratte numerose informazioni presenti nella seguente risposta: J.A. Conkling, “I fuochi d’artificio”, Le Scienze n. 265, settembre 1990, Milano.