Potas, odkryty w 1807 roku przez Sir Humphry’ego Davy’ego, odgrywa niezwykle istotną rolę w dziedzinie pirotechniki. Jego związki stanowią fundamentalny składnik wielu materiałów pirotechnicznych, tworząc efekty wizualne i dźwiękowe, które zachwycają i fascynują ludzi od wieków. W niniejszym artykule omówimy najpopularniejsze związki potasu wykorzystywane w składach materiałów pirotechnicznych, przybliżając ich właściwości oraz zastosowanie dawniej i dziś.
Chloran potasu
Przez wiele dekad chloran potasu był najważniejszym utleniaczem w pirotechnice obok azotanu potasu. Jego dominująca pozycja wynika z egzotermicznej dekompozycji, co sprawia, że łatwo spala się z każdym rodzajem paliwa:
2 KCIO3 → KCIO4 + KCl + O2, ΔH – 104,6 kJ mol-1
KCIO4 → KCl + 2O2, ΔH – 4 kJ mol-1
W połączeniu z paliwami chloran potasu tworzy mechanicznie wrażliwe układy, co wyjaśnia jego rolę jako utleniacza w zapałkach bezpiecznych.
Chloran potasu reaguje z silnymi kwasami (np. H2SO4), tworząc bardzo wrażliwy kwas chlorkowy, HCIO3, który dysproporcjonuje do kwasu nadchlorkowego i wysoko reaktywnego ditlenku chloru:
KCIO3 + H2SO4 → HClO3 + KHSO4
3 HClO3 → HClO4 + ClO2 + H2O
Ditlenek chloru(IV), nawet w stanie czystym, jest substancją wysoce niestabilną/eksplozywną, która także wykazuje egzotermiczną reakcję redoks z wieloma substancjami utleniającymi. Reaktywność KCIO3 z kwasami również decyduje o stabilności i kompatybilności KCIO3 z innymi składnikami w formułach. Siarka sublimowana ze względu na swoje wrodzone ślady H2SO4 może ulegać samozapłonowi na podstawie wcześniejszych reakcji. Nawet naturalne żywice (np. guma arabska) zawierające kwasy (kwas D-glukuronowy) mogą indukować samozapłon, gdy są mieszane z chlorkiem potasu.Wykazano, że egzotermiczna dekompozycja czystego KCIO3 sprawia, że jest ono podatne na detonację o niskiej prędkości, gdy jest odpowiednio silnie inicjowane.
Zastosowanie
Wysoka wrażliwość i zagrożenia związane z używaniem chloranu potasu doprowadziły do zastąpienia KCIO3 przez KCIO4, z wyjątkiem formuł dymnych. Chlorek potasu, po podgrzaniu, rozkłada się, uwalniając tlen. Ten wytworzony tlen podsyca płomień fajerwerku, zwiększając jego temperaturę. Podobnie jak inne związki potasu, pomaga on w utlenianiu mieszanki wewnątrz fajerwerku. Azotan potasu, chloran potasu i nadchloran potasu są kluczowymi utleniaczami w pirotechnice. Ten związek chemiczny wykorzystywany jest również w barwach materiałów pirotechnicznych, w trakcie spalania uwalnia energię, powodując emisję fioletowego światła.
Azotan potasu
KNO3 nie jest higroskopijny, ale ma tendencję do aglomeracji pod własnym ciężarem. Dlatego często dodaje się do niego środki przeciwzbrylające (np. drobno rozproszona kwas krzemowy) w ilościach 0,1-1,0% masy. Azotan potasu to najstarszy utleniacz znany ludzkości. Prawdopodobnie był używany w starożytnych Chinach dużo przed naszą erą. Choć wraz z pojawieniem się organicznych azotanów i nitramin w ostatnich 150 latach, najważniejsza rola azotanu potasu jako składnika materiałów wybuchowych zmniejszyła się; nadal jest on ważnym składnikiem wielu formuł cywilnych i wojskowych w pirotechnice.
Termiczna dekompozycja KNO3 zaczyna się przy T = 533 °C zgodnie z równaniem:
2KNO3 -> K2O + N2 + 5/2 O2
Zastosowanie
Azotan potasu może pełnić funkcję utleniacza. Inną funkcję może pełnić azotan potasu po zmieszaniu z trocinami lub sadzą, woskiem lub gliną i podpala. Mieszanki te tworzą białe iskry lub lśniący biały kolor z efektami brokatu. Efekt brokatu wykorzystywany jest często jako fajerwerki na wesele. Aby uzyskać żywsze kolory, takie jak czerwony lub zielony, do mieszanki fajerwerków dodaje się związki strontu.
Nadchloran potasu (chloran(VII) potasu)
Niehigroskopijny KClO4 jest jednym z najważniejszych utleniaczy w pirotechnice. Od dawna był używany jako współutleniacz w wojskowych kompozycjach czerwonych i zielonych sygnałów dymnych, a obecnie często znajduje zastosowanie w wielu formułach sygnałowych, jak również w ładunkach oślepiających do granatów ogłuszających i amunicji treningowej. Jego termiczna dekompozycja rozpoczyna się przy T = 561 °C i staje się gwałtowna tuż powyżej jego temperatury topnienia, tj. przy T = 607 °C.
Zastosowanie
Nadchloran potasu jest najczęściej stosowanym utleniaczem w kolorowych kompozycjach pirotechnicznych i proszku błyskowym. Jest również stosowany w gwizdkach, stroboskopach, fontannach i wielu innych wyrobach pirotechnicznych.
Benzoesan potasu
Benzoesan potasu jest łagodnie higroskopijny i dlatego przy wilgotności powietrza >80% RH tworzy trihydrat (C7H5O2K ⋅ 3H2O). Jest on stosowany jako paliwo w kompozycjach gwiżdżących razem z chlorkiem potasu jako utleniaczem. Benzoesan potasu został zaproponowany jako paliwo do rakiet fajerwerkowych. Zaproponowano również kompozycje gwiżdżące zawierające benzoesan potasu.
Zastosowanie
Benzoesan potasu jest okazjonalnie stosowanym paliwem w składzie gwiżdżących kompozycji pirotechnicznych. Jest przydatny jako bezpośredni zamiennik paliw zawierających sód, gdy jasnożółty płomień wytwarzany przez te paliwa byłby szkodliwy dla zamierzonego efektu.
Bromian potasu
KBrO3 został zaproponowany jako eksperymentalny utleniacz w kompozycjach sygnałowych o głębokim pomarańczowo-czerwonym i głębokim niebieskim. Jako prekursor dla KBr, został również sugerowany do wykorzystania w kompozycjach gaśniczych.
Zastosowanie
Bromian potasu stosowany jest w przemyśle pirotechnicznym do produkcji fajerwerków, zwłaszcza petard. Jest szeroko stosowany w chemii analitycznej jako środek utleniający i bromujący.
Pikrynian potasu
Pikrynian potasu był używany w tzw. proszkach pikrynowych już od XIX wieku. Mieszanki zawierające jednakową masową frakcję potasu i KNO3 były stosowane w przeszłości jako kompozycje gwizdzące.
Zastosowanie
Pikrynian potasu i kwas pikrynowy były wcześniej używane w pirotechnice do wywoływania efektu gwizdania, ale ponieważ od tego czasu opracowano mieszanki niezawierające pierwotnych materiałów wybuchowych, nie są one już stosowane w tej branży.