ดอกไม้ไฟเป็นสัญลักษณ์แห่งเทศกาลเฉลิมฉลองที่มีอายุหลายร้อยปี แต่ก็ยังเป็นสิ่งมหัศจรรย์ที่ทำให้คนรุ่นใหม่รู้สึกมีความสุขทุกครั้งที่ได้ชม และยังเป็นสิ่งประดิษฐ์ที่สอนวิชาวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจอย่างเคมีและฟิสิกส์อีกด้วย

      เทศกาลปีใหม่เป็นอีกหนึ่งเทศกาลเฉลิมฉลองที่จำเป็นต้องมีนางฟ้าของงานอย่างพลุหรือดอกไม้ไฟตระกาลตาที่ระเบิดกลางท้องฟ้าเพื่อเป็นสัญลักษณ์ในการต้อนรับการเริ่มต้นปีใหม่อีกครั้ง

ภาพที่ 1 ดอกไม้ไฟ
ที่มา Ray Hennessy/Unsplash

ดอกไม้ไฟคืออะไร?

      ดอกไม้ไฟหรือพลุ (Firework) เป็นสิ่งประดิษฐ์ในลักษณะของวัตถุระเบิดชนิดหนึ่งที่ออกแบบมาให้สามารถควบคุมการระเบิดและปรากฏให้เห็นเป็นสีสันที่สดใส ซึ่งดอกไม้ไฟจะมีรูปแบบที่แตกต่างกัน 4 ลักษณะ ได้แก่ แสง เสียง ควัน และวัสดุลอยตัว (เช่น เศษกระดาษสีสันที่ใช้โปรยในงานรื่นเริง) มักใช้เพื่อจุดประสงค์ด้านความบันเทิงในเทศกาลเฉลิมฉลองทางวัฒนธรรมและประเพณีต่างๆ เกือบทั่วทุกมุมโลก

      ดอกไม้ไฟถูกคิดค้นขึ้นในยุคกลางของจีนในช่วงศตวรรษที่ 7 ซึ่งเป็นผลสืบเนื่องมาจากการประดิษฐ์ดินปืน (หนึ่งในสี่สิ่งประดิษฐ์ที่ยิ่งใหญ่ของจีน) จุดประสงค์เริ่มแรกใช้จุดเพื่อขับไล่ภูตผีปีศาจที่มารังควาญ ก่อนที่จะใช้เพื่อกิจกรรมทางศาสนาที่สำคัญอย่าง วันตรุษจีน เป็นต้น ทั้งนี้จีนยังเป็นผู้ส่งออกดอกไม้ไฟรายใหญ่ที่สุดในโลกอีกด้วย

ส่วนประกอบของดอกไม้ไฟ

ภาพที่ 2 ส่วนประกอบของดอกไม้ไฟ
ที่มา Rosie Dunne

ดอกไม้ไฟจะมีการทำงานที่แตกต่างกันในแต่ละรูปแบบ โดยดอกไม้ไฟที่ระเบิดทางอากาศมีส่วนประกอบที่สำคัญด้วยกัน 4 ส่วนหลัก ๆ ดังนี้

1. Lift charge หรือส่วนของฐาน (หรือส่วนของหาง) เป็นแท่งไม้ตรงหรือแท่งพลาสติกยื่นออกมาจากด้านล่างของตัวพลุ  ทำหน้าที่นำดอกไม้ไฟขึ้นสู่ท้องฟ้าในทิศทางที่เป็นเส้นตรงก่อนการระเบิดกลางอากาศ
2. Fuse หรือชนวนหน่วงเวลา เป็นส่วนเริ่มต้นในการเผาไหม้ในส่วนหลักของดอกไม้ไฟ ซึ่งจะทำหน้าที่หน่วงเวลาเพื่อให้ดอกไม้ไฟระเบิดที่ระดับความสูงที่ต้องการ
3. Burst charge หรือเชื้อปะทุระเบิด มักประกอบไปด้วยดินปืนอย่างหยาบที่อัดแน่นอยู่ภายในตัวของดอกไม้ไฟ ซึ่งดินปืนที่ใช้ทำดอกไม้ไฟส่วนใหญ่จะเป็นโพแทสเซียมไนเตรตร้อยละ 75 รวมกับถ่านกัมมันต์ร้อยละ 15 และกำมะถันร้อยละ 10 แต่สำหรับดอกไม้ไฟในปัจจุบันอาจมีการใช้ส่วนผสมอื่น ๆ หรือสารเคมีอื่นแทน
4. Star หรือส่วนให้สี ซึ่งส่วนประกอบไปด้วยสารเคมีชนิดต่างๆ ผสมกับดินปืน พร้อมสำหรับการเกิดปฏิกิริยาหลังการระเบิด ได้เป็นสีสันของดอกไม้ไฟ

เคมีของดอกไม้ไฟ

      ดอกไม้ไฟที่สวยงาม มีรูปทรงและสีสันตามต้องการ จะต้องมีส่วนผสมทางเคมีที่เหมาะสมเพื่อการเผาไหม้ในอุณหภูมิและเวลาที่เหมาะสม โดยส่วนผสมทางเคมีที่สำคัญมีอยู่ด้วยกัน  6 ชนิดได้แก่ สารออกซิไดซ์ สารรีดิวซ์ เชื้อเพลิง สารสี สารควบคุมความเร็วในการเผาไหม้ และสารยึดเกาะ นอกจากนี้ยังมีสารที่ให้คุณสมบัติพิเศษอื่น ๆ อย่างแมกนีเซียมที่ให้แสงสว่าง พลวงให้แสงแวววาวระยิบระยับ เป็นต้น

ภาพที่ 3 การทำงานของดอกไม้ไฟ
ที่มา Rosie Dunne

      ไฟที่จุดที่ส่วนของฐาน จะทำให้ตัวของดอกไม้ไฟพุ่งขึ้นสู่ท้องฟ้าในทิศทางเป็นเส้นตรง และส่วนของชนวนหน่วงเวลาก็จะถูกจุดให้ติดไฟในระหว่างนั้น โดยชนวนหน่วงเวลานั้นจะเป็นตัวกำหนดระดับความสูงของดอกไม้ไฟ ซึ่งเมื่อชนวนหน่วงเวลาถูกเผาไหม้จนหมดแล้วจะเป็นคิวของการระเบิดของเชื้อปะทุระเบิดที่อยู่ภายในตัวของดอกไม้ไฟ ที่ส่งผลต่อการระเบิดของส่วนให้สีตามลำดับ

       เมื่อเชื้อเพลิง (ดินปืน) ภายในของส่วนให้สีติดไฟ จะมีการถ่ายเทอิเล็กตรอนไปยังตัวออกซิไดซ์ (oxidizer) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นสารประกอบไนเตรต คลอเรต และเปอร์คลอเรต เกิดเป็นออกซิเจนสำหรับการเผาไหม้ โดยออกซิเจนที่เกิดขึ้นนั้นจะทำหน้าที่ในการออกซิไดซ์ซัลเฟอร์และคาร์บอนซึ่งเป็นสารรีดิวซ์ในส่วนให้สี ได้เป็นแก๊สซัลเฟอร์ไดออกไซด์และคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีความร้อนสูงออกมา และพลังงานความร้อนดังกล่าวจะทำให้สารเคมีในส่วนให้สีปลดปล่อยแสงและสีสันออกมาเป็นดอกไม้ไฟที่สวยงาม

ภาพที่ 4 สีสันของดอกไม้ไฟ
ที่มา  Vernon Raineil Cenzon/Unsplash

สำหรับสีสันสดใสที่เห็นจากดอกไม้ไฟเกิดจากสารเคมีที่อยู่ในส่วนให้สี โดยสารประกอบโลหะแต่ละชนิดจะมีการปลดปล่อยแสงสีที่แตกต่างกันเมื่อได้รับพลังงานความร้อน

• สีแดง      จาก สตรอนเชียม (Strontium)
• สีส้ม        จาก แคลเซียม (Calcium)
• สีเหลือง จาก โซเดียม (Sodium)
• สีเขียว     จาก แบเรียม (Barium)
• สีฟ้า        จาก ทองแดง (Copper)
• สีม่วง      จาก สตรอนเชียมผสมกับทองแดง (Strontium and Copper)
• สีขาว      จาก อลูมิเนียม (Aluminum)หรือไทเทเนียม (Titanium)

แหล่งที่มา

Chris Woodford. (2017, 6 June), Firework science.
         Retrieved October 9, 2017,
         from http://www.explainthatstuff.com/howfireworkswork.html

Parna Nathan. (2017, 2 July), Everything you need to know about the explosive science of fireworks.
         Retrieved October 9, 2017,
         from https://www.popsci.com/explosive-science-fireworks

Loren Grush. (2015, 3 July), The chemistry behind a firework explosion.
         Retrieved October 9, 2017,
         from https://www.theverge.com/2015/7/3/8886697/the-chemistry-behind-a-firework-explosion

Joseph Stromberg. (2012, 4 July), 5 Things You Didn’t Know About the Science of Fireworks.
         Retrieved October 9, 2017,
         from https://www.smithsonianmag.com/science-nature/5-things-you-didnt-know-about-the-science-of-fireworks-481649/

Fireworks
         Retrieved October 9, 2017,
         from https://en.wikipedia.org/wiki/Fireworks

วลัยพร มุขสุวรรณ. (2549, 30 ตุลาคม). ดอกไม้ไฟ. สืบค้นเมื่อ 9 ตุลาคม 2560, จาก
         http://www.chemtrack.org/News-Detail.asp?TID=4&ID=8

ดิษยพงศ์ ใจหนักแน่น. (2551, 8 พฤศจิกายน). ดอกไม้ไฟ: แสงสีจากเคมีของปฏิกิริยา. สืบค้นเมื่อ 9 ตุลาคม 2560, จาก
         https://disayaphong.wordpress.com/2008/11/12/fireworks/