...............تنعى هيئة الموسوعة العربية الأستاذة الدكتورة نجدة خماش، رئيسة قسم الحضارة العربية سابقاً، والخبيرة في موسوعة الآثار حالياً...............صدور المجلد الثاني عشر من الموسوعة الطبية المتخصصة بعنوان الأمراض العصبية ...............المدير العام لهيئة الموسوعة العربية الأستاذ الدكتور محمود السيد...............صدر المجلد الحادي عشر من الموسوعة الطبية المتخصصة ويتضمن أمراض الرأس ...............صدر المجلد العاشر من الموسوعة الطبية المتخصصة وهو بعنوان: الأمراض النَّفسيّة ...............إلى زوار موقع هيئة الموسوعة العربية الكرام، نلفت عنايتكم إلى أنه لا يوجد حساب لهيئة الموسوعة العربية على أي من مواقع التواصل الاجتماعي...............صدر المجلد السابع والأخير من الموسوعة القانونية المتخصصة ...............دور النشر والمكتبات المعتمدة لتوزيع الموسوعة العربية

المجلد العشرون >> العلوم التطبيقية>> الصناعة >> الناريات

الناريات Pyrotechnics Pyrotechnique

الناريات

 

يعتقد بعض الباحثين أن الدولاب أو العجلة هي أعظم اختراع في التاريخ، في حين يعتقد بعضهم الأخر أن النار هي أكثر ما غيَّر في أسلوب حياة البشر، وقد استخدمت بشتى أشكالها، مصدراً للحرارة وللضوء، إضافة إلى استخدام أحد أشكالها المدمرة في الحروب، كما أمكن استخدامها للتسلية بفضل اختراع ما يدعى بالألعاب النارية.

استُلهمت الألعاب النارية les feux d’artifice أصلاً من استخدام النار الإغريقية بدءاً من عام 670م، إذ كانت هذه النيران ترسل على الأعداء بأساليب بدائية على شكل سوائل أو قذائف مشتعلة. وكان يكفي إشعال مزيج من الراتنج والكبريت وزيت القار وملح البارود (نترات الصوديوم) للحصول على لهب مشتعل قابل للرمي بعيداً عن موقع إطلاقه. وتوصل الصينيون منذ بداية القرن التاسع إلى صنع المسحوق الأسود (البارود) الذي يصدر عند اشتعاله كميات هائلة من الغاز تدفع القذيفة بعيداً. وقد انتقلت صناعة البارود[ر] إلى أوربا عن طريق العرب في القرن الثالث عشر، واستعمل في الحروب وفي الأعياد التي تقام بعدها. وظلت الألعاب النارية حتى القرن التاسع عشر بدائية وبسيطة التركيب من حيث نقص الألوان وتنوع الأشكال وغير ذلك. ومع تقدم علم الكيمياء والفيزياء وتقدم علم الناريات Pyrotechniques تم تطوير منتجات جديدة من مكونات الألعاب النارية.

فوائد الناريات أو الألعاب النارية

إن استعراض الألعاب النارية وهي تخترق عباب السماء ليلاً مترافقة بانفجارات مدوية وبألوان زاهية، صار أحد الرموز التقليدية للأعياد القومية والوطنية لبعض دول العالم. ويعتمد مبدؤها على عمل أعواد الثقاب، فهي تتألف من مزيج من بعض المواد الكيمياوية مثل كلورات البوتاسيوم والكبريت مع مادة مساعدة على الاشتعال، كما تستعمل هذه المواد في صنع قنابل يدوية مدخنة وشهب إشارة وإضاءة، كما توضع على حافة الأسهم الخاصة والأسهم المضيئة المستعملة في الإرشاد أو التنبيه لخطر محدق كأضواء التحذير على الطرق السريعة وخطوط السكك الحديدية وفي البحار.

مبدأ الناريات أو الألعاب النارية

يعتمد مبدأ الناريات على تفاعلات الأكسدة والإرجاع[ر] في جسم مُرجعٍ كعنصر المغنزيوم القادر على تحرير الإلكترونات.

يحتوي المزيج الناري عادة على:

1- مركب مؤكسد لضمان الاحتراق وتضخيم الألوان كالأكسجين أو مركب قادر على تحريره (مثل النترات والكلورات وفوق الكلورات وغيره).

2- مركب مرجِع (عادة من العناصر اللامعدنية كالكبريت والكربون أو من المعادن مثل السليسيوم والبورون والمغنزيوم والتيتانيوم وغيره) يلتقط الأكسجين الذي يقوم بدور الوقود.

3- الصمغ الأحمر وهو الوقود الذي يتحكم بمعدل احتراق المزيج.

4- عامل رابط مثل الديكسترين.

5- الملَوِّنات.

يبدأ التفاعل عادة بانتقال الإلكترونات من الوقود الذي هو الجسم المرجع إلى الجسم المؤكسد:

حيث تحصل الأكسدة وفقاً لما يأتي

ويحصل الإرجاع بقدرة الأكسجين كجسم مؤكسد على استقبال هذه الإلكترونات:

ويتشكل في أثناء عمليتي الأكسدة والإرجاع في المزيج الناري نواتج أكثر ثباتاً من المكونات الأولية التي ترتبط فيها ذرات الوقود مع ذرات الأكسجين المتحررة من المؤكسدات، مشكلة غالباً ثنائي أكسيد الكبريت SO2 وثنائي أكسيد الكربون CO2. ويصاحب هذا المزيج تحرير كمية من الطاقة على شكل حرارة تسهم بثبات النواتج واستقرارها. ويشبه هنا ما يحصل في حالة الاحتراق العادي بحضور أكسجين الهواء، إلا أن منبع الأكسجين هنا يكمن في المزيج الناري الذي يحتوي المؤكسدات القوية، حيث يتم تحرير الطاقة ضمن حيز صغير جداً. ولا تتفاعل مكونات المزيج الناري إلا على السطح، وبسرعة محدودة بفعل الانتشار الجزيئي. يكون هذا الانتشار بطيئاً جداً في الحالة الصلبة، أي إن ثبات المزيج يكون أعظم بحفظه جافاً وبارداً. ولتحطيم هذا الثبات يقوم جهاز الإشعال والإرجاع بتبخير المواد الفعالة التي تمزج في الشعلة. إن هذا النوع من التماس يسمح بزيادة سرعة تفاعل الأكسدة والإرجاع، إضافة إلى أن الطاقة المتراكمة تسرع بدورها هذا التفاعل. وهنا تتدخل عوامل أخرى في تغيير سرعة التفاعل مثل تجانس المزيج الناري وشكل الأسهم النارية، فكلما كان المسحوق متراصاً ضمن حيز مغلق تزداد قوة الاشتعال وسرعته؛ لأن الحرارة والغازات تكون مركزة ضمن أصغر حجم ممكن، كما يزداد تبادل الإلكترونات بين المؤكسد والمرجع سهولة بتجانس مكونات المزيج. فالمزيج الذي يحترق ببطء في الهواء الطلق يمكن أن ينفجر بعنف عندما يكون متراصاً ومحصوراً في حيز ضيق.

يفضل عادة استخدام المساحيق الصلبة وليس الموائع لتشكيل المزيج الناري؛ ذلك لأن الموائع، على قابليتها للاشتعال بسهولة كبيرة وحسن تجانسها وتراصها، غير قابلة للتخزين مدة طويلة الأمد. ومن المهم جداً أن يحضر المزيج على مراحل رويداً رويداًً لأن قوة الانفجار ستكون مرتفعة جداً وتعادل مكعب الحجم عند كل كمية مضافة. فعلى سبيل المثال إن انفجار تسعة غرامات من مادة متفجرة أشد بنحو 729 مرة من الانفجار الحاصل من غرام واحد من المادة نفسها في الحجم نفسه.

حرارة الاحتراق أو الاشتعال

يبدو اختيار الوقود والمؤكسدات بفعالية مناسبة مهماً؛ لأنها تتعلق بحرارة احتراقه، أي بكمية الطاقة المتحررة من تفاعله مع الأكسجين.إن احتراق المعادن على سبيل المثال يحرر طاقة أكبر من الطاقة المتحررة من احتراق السكر. وبالمقابل تتعلق فعالية المؤكسدات بدرجة الحرارة وبحرارة التفكك. وتتفق درجة حرارة التفكك مع الدرجة التي يغدو فيها الأكسجين المتحرر من المؤكسد ملحوظاً بصورة جيدة جداً. وتعرّف حرارة التفكك غالباً على أنها كمية الحرارة الضرورية لتفكك المؤكسد ولتحرير الأكسجين. ووفقاً للأكسجين المستعمل فإن التفكك يؤدي إلى امتصاص الحرارة أو تحريرها، مما يقود أولاً إلى تفاعل ماص للحرارة وثانياً إلى تفاعل ناشر للحرارة. فعلى سبيل المثال تكون كلورات البوتاسيوم فعالة جداً بفضل تفككها الجيد والناشر للحرارة عند درجات الحرارة الأعلى من 360 ْم، وهذا ما مكَّن من استعمالها في أعواد الثقاب وفي صناعة القنابل المدخنة. ومع ذلك توجد مركبات أخرى مثل أكسيد الحديد الذي يتفكك عند الدرجة 1500 درجة مئوية ويتصف بتفاعل ماص للحرارة بصورة لا يمكن معها لأي وقود معدني أن يحرض التفاعل سوى معدن الألمنيوم، والذي يبقي التفاعل مشتعلاً إلى أن ينصهر معدن الحديد.

كمية الأكسجين

تتكون المؤكسدات عادة من إيونات (شوارد) معدنية (موجبة الشحنة) ومن جذور مؤكسدة (سالبة الشحنة) مثل نترات أو كلورات أو فوق كلورات المعادن( البوتاسيوم مثلاً): تتألف نترات البوتاسيوم من شاردة البوتاسيوم K+ والشاردة المؤكسدة...

  .... 

التي تكتب تجاوزاً NO3. تحرر النترات ثلث الأكسجين الذي يوجد فيها وفق التفاعل الآتي:

أو اختصاراً وفق التفاعل الرمزي الآتي:

وبالمقابل تحرر مادة الكلورات من الأكسجين أكثر بكثير من النترات إذ تحرر كل الأكسجين الذي فيها:

وكذلك تحرر فوق الكلورات كل الأكسجين الذي تحتويه وهو أكثر مما تحتويه الكلورات:

صفات الناريات

ـ الضوء la lumière

تصدر الأسهم النارية رائحة وصوتاً مميّزين في أثناء انفجارها، ولكن ما يميزها بصورة رئيسة هو الضوء الملون الجذّاب الصادر عنها. يصاحب هذا الضوء ثلاث ظواهر: التوهج l’incandescence والإصدار الذري l’emission atomique والإصدار الجزيئي l’emission moleculaire.

 

- الوهج أو التوهج

وهو ببساطة الظاهرة التي ترافق إشعاع كل الأجسام لدى تسخينها. وتتناسب شدة إصدار الضوء مع القوة الرابعة لدرجة الحرارة بحيث إن أي ارتفاع في درجة الحرارة مهما كان طفيفاً سيترافق بتزايد ملحوظ لإصدار الضوء. تلاحظ ظاهرة التوهج هذه على سبيل المثال في عنصر المغنزيوم حيث تصل درجة حرارة الأكسيد المعدني المتشكل في أثناء عملية الأكسدة إلى أكثر من 3000 درجة مئوية مما يؤدي إلى توهجه بنور أبيض يخطف الأبصار. فإذا كان المراد إصدار حزمة من الوميض (الشرارات) عوضاً عن التوهج فيفضل أن تستخدم دقائق معدنية أكبر حجماً بحيث تبقى ساخنة مدة أطول من الزمن بالمقارنة مع الدقائق الصغيرة، إضافة إلى تتابع اشتعالها في أكسجين الهواء.ويمكن أيضاً إضافة فوق كلورات البوتاسيوم إلى مسحوق المغنزيوم الناعم للحصول على انفجار عنيف يصاحب الوميض الأبيض.

- الإصدار الذري

 

يعتمد الإصدار الذري على ما يدعى الإشعاع الذري أو الجزيئي للحصول على ألوان الأسهم النارية البراقة، إذ يظهر اللون أصلاً في لهب الذرات أو الجزيئات عندما تكون في حالة البخار. ففي حالة الإصدار الذري تتهيج إلكترونات الذرات بفعل حرارة اللهب ما يسمح بنقلها من سوية طاقة أساسية إلى سوية طاقة أعلى منها. ولدى عودتها إلى الحالة الأساسية، فإنها تحرر الطاقة التي اكتسبتها على هيئة ما يدعى بالفوتونات.

وطبقاً لطبيعة ذرات الغاز وكمية الطاقة العائدة للإلكترونات فإن الفوتونات ستكون أطوال موجاتها مختلفة، أي تصدر ألواناً مختلفة على شكل إشعاعات ضوئية براقة. وتعد ذرةالصوديوم من بين العناصر الأكثر إشعاعاً للضوء وفق آلية الإشعاع الذري. فعندما يسخن الصوديوم إلى درجة حرارة أعلى من 1800 ْم؛ فإنه يصدر أو يشع الضوء الأصفر البرتقالي شديد التوهج بحيث يميل لأن يقنّع أو يحجب الإشعاعات الذرية الأخرى جميعها.

- الإصدار أو الإشعاع الجزيئي

يشبه هذا الإشعاع الإصدار الذري، ولكنه ينتج هنا من الانتقال بين حالتين من الطاقة، أي عندما تتبخر الجزيئات في اللهب عند درجة حرارة كافية لإيصال الطاقة إلى مرحلة الانتقال المذكورة. ومع ذلك يتوجب الانتباه إلى أن الشعلات الساخنة جداً تفكك الجزيئات التي لم تعد قادرة على إصدار أي ضوء. ويتعين عندئذٍ أن يكون تركيز الجزيئات في اللهب مرتفعاً كفاية لكي يكون الضوء الصادر ملوناً بقوة،لكن بالمقابل يتوجب أن يكون عدد الدقائق الصلبة أو المائعة قليلاً جداً لكي لا تقوم ظواهر التوهج بحجب الألوان الناتجة.

- الألوان

لكي تغدو الألعاب النارية جذابة يتوجب أولاً إنتاج الضوء وثانياً تلوينه. ويتألف الضوء من أشعة كهربائية ومغنطيسية، ويشع بتردد (أو تواتر) محدد، أي يصدر على شكل أمواج تنتشر باهتزازات خاضعة لتأثير الحقل الكهرطيسي. ويمكن لعين الإنسان أن تلتقط الإشعاعات الكهربائية المغنطيسية ذات الأطوال الموجية المحصورة بين 380 نانو متر (هذا يتفق مع اللون البنفسجي) و780 نانو متر (وهذا يتفق مع اللون الأحمر). تكون الأطوال الموجية الوسطية من رتبة الأطوال الموجية لقوس قزح (أزرق وأخضر وأصفر وبرتقالي). وينتج اللون الأبيض من الإصدار المزامن للأطوال الموجية المتعددة للضوء المرئي. أما الأشعة الأخرى التي أطوالها الموجية أصغر من 380 نانو متر فتدعى بالأشعة فوق البنفسجية[ر]. وأخيراً تدعى الأشعة ذات الأطوال الموجية الأعلى من 780 نانو متر بالأشعة تحت الحمراء[ر].

من المعروف أن طاقة الموجة E تتناسب طرداً مع ترددها (ميو) υ وكذلك يتناسب طول الموجة (لامدا) λ عكساً مع التردد (λ = c/υ) حيث تشير c إلى سـرعة الضوء أو سـرعة الفوتونات المـساوية 3× 810/ثا. وهكذا فإن الطاقة المحمولة بأمواج الضوء البنفسجي أكبر من تلك المحمولة بأمواج الضوء الأحمر.

ولصنع نماذج من النجوم بألوان مختلفة يتم اللجوء إلى المركبات الكيمياوية التي تعطي ألواناً متباينة لدى احتراقها وأمكن تلخيصها في جدول خاص. 

اللون

العنصر

المركبات

الصيغة

البنفسجي

البوتاسيوم

نترات البوتاسيوم

KNO3

كلورات البوتاسيوم

KClNO3

الأزرق

النحاس

الزنك (الخارصين)

كلوريد النحاس

CuCl

كبريتات النحاس

CuSO4

مسحوق الزنك

Zn

الأزرق

الباريوم

نترات الباريوم

Ba(NO3)2

كلوريد الباريوم

BaCl2

كلورات الباريوم

Ba(ClO3)2

الأصفر

الصوديوم

أوكزالات الصوديوم

Na2C2O4

أكسيد الصوديوم

Na2O

نترات الصوديوم

NaNO3

البرتقالي

الكلسيوم

نترات الكلسيوم

Ca(NO3)2

الأحمر

السترونيوم

نترات السترونيوم

Sr(NO3)2

هدروكسيد السترونيوم

Sr(OH)2

كلوريد السترونيوم

SrCl2

أكسيد السترونيوم

SrO2

كربونات السترونيوم

SrCO3

الأبيض

المغنزيوم

مسحوق المغنزيوم

Mg

الألمنيوم

مسحوق الألمنيوم

Al

الفضي

التيتان

مسحوق التيتان

Ti

الألمنيوم

مسحوق الألمنيوم

Al

الشرارات

الألمنيوم

حبيبات الألمنيوم

Al

الجدول (1)

أشكال الناريات

توجد عدة أشكال للناريات تتعلق بالمفعول الذي تخلقه اعتماداً على التركيب الكيمياوي وبنية الانفجار. ويعتمد تركيبها على المبدأ نفسه مهما اختلفت هذه الأشكال: أسهم، على شكل شلالات، بحيرات، وشمس، وعلى شكل ما يدعى بنار البنغال، والشموع الرومانية والمذنبات والحلزونيات والقنابل.

إن العبوة الأكثر شعبية هي العبوة النارية ذائعة الصيت من النوع الأوربي أو الياباني. تعبأ العبوة الأوربية بالبارود مع جهاز إشعال مؤقت إضافة إلى نحو ثلاثين كيساً صغيراً مملوءاً بمزيج ناري يدعى النجوم. يؤدي ترتيب النجوم داخل المزيج إلى مفعول مختلف تبعاً لترتيبها. إذ يمكن أن يعطي ما يشبه أعشاب الزينة وسعف النخيل وأسهم الكستناء وأشجار الصفصاف الباكي. أما العبوة اليابانية فتتشكل أيضاً من البارود المرصوص في قعر هاون خاص، إلا أن ترتيب النجوم داخل العبوة يتم بحيث تتوزع الشرارات الملونة بالتناظر.

مما سبق تعتمد الناريات على ظاهرتين أساسيتين:

الاشتعال وإصدار الضوء إضافة إلى الصوت والموسيقى حيث يعد كل ذلك الأساس لظواهر أخرى ضرورية لإنتاج المشاهد بألوان ممتعة تحجب الصعوبات والأسرار من ورائها.

البارود الأسود

يستخدم البارود الأسود في قاعدة السهم:

1- لإطلاق العبوة أو قذفها إلى أقصى ارتفاع ممكن بحيث تنفجر عنده.

2- لتفجير الأسهم النارية وتشتيت النجوم في السماء في أثناء الانفجار.

يتصف البارود الأسود بعدة ميزات أهمها:

قلة التكاليف وتوفره في الطبيعة وقلّة سميّته. ويعد مزيج البارود الأسود ثابتاً مادام بمعزل عن الرطوبة، ويشتعل بأقل كمية من الطاقة ولو كانت شرارة.

السهم الناري

لصنع السهم الناري الذي يطلق الحشوات؛ تغلف الحشوات بعدة طبقات من العلب الورقية ثم توضع ضمن لفافة من الورق المقوى، توضع بدورها في لفافة أسطوانية ورقية، تحشر الحشوة الانفجارية من البارود الأسود في وسط مكعبات الألوان. وعند انفجار البارود الأسود تشتعل المكعبات وتنقذف خارجاً محدثة انفجاراً براقاً. ويمكن أن تحدث ثلاثة انفجارات متعاقبة تصدر بريقاً وتوهجاً ملوناً إذا كانت الحشوة من النوع الذي يشتعل بالهواء ومتعدد الانفجار (الأحمر والأبيض والأزرق). يطلق الدرع خارج أنبوب مدفع هاون (أنبوب أسطواني مفتوح من إحدى نهايتيه وموجه نحو السماء). يقذف البارود الأسود الحشوات تحت الدرع بالطريقة ذاتها التي يعمل بها البارود في قاعدة «خرطوشة» الطلقة. ويتم إشعال الفتيل الموجود في أعلى الدرع حتى أسفله بالتوقيت والميكانيكية نفسها. يحترق الفتيل حتى أسفل الدرع ويشعل الحشوة المنطلقة فينطلق الدرع في الهواء بفعل طاقة الغاز المتحررة. يحترق الفتيل في هذا الوقت مدة ثلاث ثوانٍ قبل إشعال الحشوة الانفجارية الأولى في الدرع، محدثاً الوهج الأحمر في الهواء، ويطلق على هذه العملية الانفجار الأولي، ويحدث بعد ثانية ونصف ما يدعى بالانفجار الثاني محرِّراً سيلاً من البريق الأبيض. وينفجر باقي الدرع محرراً الوهج الأزرق بعد ثانية ونصف أخرى. ويبين الشكلان النموذج الشرقي والغربي للدرع المنفجر.

ألوان بعض المركبات الكيمياوية في أثناء احتراقها:

كما هي مبينة في الجدول (1).

تمزج المواد المدرجة في الجدول (1) تبعاً للون المطلوب مع بعض الإضافات الرابطة مثل اللاكتوز والصمغ وغير ذلك لربط هذه المواد بعضها مع بعض.

عبد المجيد البلخي

الموضوعات ذات الصلة:

الأشعة تحت الحمراء ـ الأشعة فوق البنفسجية ـ الأكسدة والإرجاع ـ الأمواج الكهرمغنطيسية ـ البارود.

مراجع للاستزادة:

- PETER ATKINS, Chimie générale (Paris 1992).

- MICHEL BEAUNOYER, Comment on fabrique les feux d’artifice (1993).



رقم صفحه البحث ضمن المجلد:347