Indahnya Kembang Api dan Kimianya

Kembang api selalu mampu menciptakan warna tampak yang memberi kesan indah. Warna tersebut tentu saja dihasilkan dari berbagai komposisi kimia yang terkandung dalam kembang api yaitu berupa atom (yang bersenyawa) seperti stronsium, kalsium, lithium, barium dan lain sebagainya.

1.        Stronsium

Stronsium berasal ari kata Strontian, yang merupakan sebuah kota di Skotlandia.Terdapat 0,03% keberadaannya dalam kerak bumi yaitu pada mineral selestit (SrSO₄) dan strontantit. Pada suhu ruang stronsium mempunyai wujud padat dan berwarna kuning metalik. Struktur kristal dari Stronsium sama seperti teman segolongannya Ca yaitu memiliki struktur kubus pusat muka (fcc) dan faktor kerapatan per unit sel 0,74. Senyawa stronsium memiliki suatu sifat karakteristik yakni sukar larut dalam air atau memiliki nilai kelarutan yang kecil. Cara untuk mengekstraksi stronsium dilakukan melalui metode elektrolisis, yang sumber utamanya adalah selestit (SrSO₄). Senyawa ini diproses menjadi SrCl₂. Sr dapat diperoleh dari elektrolisis lelehan SrCl₂ sebagai berikut:

Katode: Sr_{2 (l)} + 2e^-  -> Sr_(l)

Anode: 2Cl^-_(l) -> Cl_2(g) + 2e^-

Senyawa Sr(NO₃)₂ digunakan dalam nyala api/suara dan cahaya merah pada kembang api.

2.       Kalsium

Kalsium berasal dari bahasa latin Calx/calcis yang berarti kapur. Terdapat 3,4% dan menjadi nomor 5 terbanyak keberadaanya pada kerak bumi yaitu dalam senyawa karbonat, fosfat, sulfat, dan fluorida. Senyawa karbonat CaCO₃ terdapat dalam kapur, batu kapur, dan marbel. Kalsium pada suhu ruang akan berwarna putih metalik. Struktur kristal dari klsium sama seperti stronsium yang telah disebutkan di atas. Senyawa kalsium memiliki suatu sifat karakteristik yakni sukar larut dalam air atau memiliki nilai kelarutan yang kecil. Senyawa CaO(Kalium Oksida) dibuat dari pemanasan CaCO₃, Ca(HCO₃)₂ (Kalsium hidrogen karbonat) meski tidak larut dalam air, namun CaCO₃ larut dalam asam dan membentuk Ca(HCO₃)₂ sedangkan CaSO₄ (Kalsium sulfat) ditemukan di alam sebagai mineral gipsum CaSO₄.2H₂O. Pemanasan pada suhu sedikit dia tas 100^oC akan mengurangi kadar airnya dan membentuk plester CaSO₂.1/2 H₂O -> CaSO₄.1/2 H₂O + 3/2 H₂O(g). Proses ekstraksinya melalui metode elektrolisis yang sumber utamanya adalah batu kapur. CaCO₃ ini direaksikan dengan HCl untuk membentuk CaCl₂ melalui reaksi:

CaCO₃ + 2HCl -> CaCl₂ + H₂O + CO₂

Ca dapat diperoleh dari elektrolisis lelehan CaCl₂ sebagai berikut:

Katode: Ca_{2 (l)} + 2e^- -> Ca_(l)

Anode: 2Cl^-_(l) -> Cl_{2 (g)} + 2e^-

Sebagi catatan, CaCl₂ juga dapat diperoleh sebagai produk samping dari pembuatan Na₂CO₃ (dengan proses Solvay). Adapun metode lainnya yaitu metode reduksi yang dihasilkan dari reduksi CaO oleh Al atau reduksi CaCl₂ oleh Na.

Reduksi CaO Oleh Al : 6CaO + 2Al -> 3Ca + Ca₃Al₂O₆

Reduksi CaCl2 oleh Na : CaCl₂ + 2Na -> Ca + 2NaCl.

3.       Lithium

Terdapat 0,0007% di bebatuan beku dalam kerak bumi yaitu pada spodumene LiAl(SiO₃)₂. Karakteristik warna nyala lithium adalah putih metalik/abu-abu, merah. Memiliki struktur kristal yang sama dengan semua teman segolongannya yaitu stuktur kubus pusat badab (bcc), dengan faktor kerapatan per unit sel 0,68. Lithium merupakan logam yang sangat reaktif karena keanggotaannya pada golongan alkali. Proses ekstraksinya dapat dilakukan melalui metode elektrolisis yang bersumber dari mineral spodumene [LiAl(SiO₃)₃]. Spodumene dipanaskan pada suhu 100^oC, lalu dicampur dengan H₂SO₄ panas, dan dilarutkan ke air untuk memperoleh larutan Li₂SO₄. Kemudian, Li₂SO₄ direaksikan dengan Na₂CO₃ untuk membentuk Li₂CO₃ yang sukar larut.

Li₂SO₄+Na₂CO₃ -> Li₂CO₃(s) + Na₂SO₄

Setelah itu, Li₂CO₃ direaksikan dengan HCl untuk membentuk LiCl.

Li₂CO₃ + 2HCl -> 2LiCl + H₂O + CO₂

Li dapat dipeeroleh dari elektrolisis lelehan LiCl sebagai berikut:

Katode: Li⁺_(l) + e^- -> Li_(l)

Anode: Cl^- _(l) -> ½ Cl_2(g) + e^-

Karena titik leleh LiCl tinggi (>600^oC), biaya elektrolisis menjadi mahal. Namun, biaya dapat ditekan dengan cara menambahkan KCl (55% LiCl dan 45% KCl) yang dapat menurunkan titik leleh menjadi 430^oC.

4.      Barium

Berasal daribahsa Yunani barys yang berarti rapat/berat. Terdapat sekitar 0,04% pada kerak bumi yaitu dalam mineral barritin (BaSO4) dan witerit (BaCO3). Barium memiliki warna nyala putih metalik, hijau pucat dengan struktur kristal berupa kubus pusat badan(bcc) yang faktor kerapatan per unit selnya 0,68. Barium merupakan salah satu logam reaktif meskipun tidak sereaktif golongsn tetengganya yaitu alkali. Barium diekstraksi melalui metode elektrolisis yang bersumber dari barit (BaSO₄). Senyawa ini diproses menjadi BaCl₂. Ba dapat diperoleh dari elektrolisis lelehan BaCl₂ sebagai berikut:

Katode : Ba₂⁺_(l) + 2e^- -> Ba_(l)

Anode: 2Cl^-_(l) -> Cl_2(g) + 2e^-

Dapat pula diperoleh dari metode reduksi BaO oleh Al. Reaksinya adalah:

6BaO + 2Al -> 3Ba + Ba₃Al₂O₆

Ba(NO₃)₂ digunakan untuk memberikan warna hijau pada kembang api.

Jika unsur atau senyawa logam tersebut dipanaskan, maka akan dihasilkan warna-warna terang yang merupakan karakteristik untuk setiap logam tersebut. Hal ini dapat dipahami dari struktur atom sendiri, bahwa atom tersusun dari inti yang dikelilingi oleh elektron-elektron. Elektron-elektron tersebut berada pada tingkat-tingkat energi tertentu/diskrit. Apabila atom dipanaskan, elektron dapat tereksitasi atau pindah ke tingkat energi yang lebih tinggi. Sewaktu pemanasan berhenti, elektron tersebut akan kembali ke tingkat energi awal disertai pancaran cahaya dalam bentuk foton-foton atau paket-paket energi dengan frekuensi atau panjang gelombang tertentu yang mempunyai warna tertentu.

Kembang api bila jatuh pada benda yang mudah terbakar dapat mengakibatkan kebakaran. Kembang api pun mempunyai kontribusi bagi gangguan kesehatan, polusi udara dan perubahan iklim.
Komposisi utama kembang api secara umum terdiri dari:

1.             Binder = berfungsi untuk agen pengikat sehingga seluruh bahan pembuat kembang api dapat dijadikan campuran berbentuk pasta. Binder yang sering dipergunakan adalah dextrin.
2.            Oksidator = diperlukan sebagai penghasil oksigen untuk memulai proses pembakaran. Bahan oksidator yang dipakai biasanya dari golongan nitrat, klorat, ataupun perklorat. Awalnya nitrat dipakai sebagai bahan oksidator dan senyawa yang sering dipakai adalah kalium nitrat.
3.            Reduktor = bereaksi dengan oksigen yang dihasilkan oleh oksidator membentuk gas yang bertemperatur tinggi dan mengembang dengan cepat. Reduktor yang dipakai biasanya adalah belerang dan karbon.
4.            Fuel= Karbon atau thermit umumnya dipakai sebagai fuel pada kembang api . Fuel akan melepaskan elektron pada oksidator. Menyebabkan oksidator tereduksi, selama proses ini berlangsung maka akan terjadi ikatan antara fuel dan oksigen membentuk produk yang lebih stabil, peristiwa pembakaran ini hanya memerlukan sedikit energi agar reaksinya berlangsung, dan ketika proses pembakaran dimulai maka akan dihasilkan energi yang cukup banyak untuk melelehkan dan menguapkan material lain sehingga terjadi percikan api yang menyebabkan terbentuknya cahaya kembang api.
5.            Regulator= Logam biasanya ditambahkan untuk mengatur kecepatan terjadinya reaksi pada kembang api. Semakin besar luas permukaan logam maka semakin cepat reaksi akan berlangsung.

Percikan api yang keluar lebih cepat dibandingkan suara ledakannya. Saat menyulut kembang api kecepatan cahayanya lebih cepat 1 juta kali dibandingkan dengan kecepatan suara. Artinya, diperlukan 3 detik untuk mendengar suara ledakannya setelah melihat percikan cahayanya dalam jarak tembak 1 kilometer dari permukaan tanah.

Melihat berbagai bahan kimia yang menjadi campuran dalam pembuatan kembang api, tentu menimbulkan bahaya bagi manusia dan lingkungan. Asap dan debu kembang api mengandung sisa-sisa logam berat dan senyawa-senyawa kimia yang beracun dan membahayakan kesehatan . Senyawa-senyawa tembaga yang dipakai untuk menghasilkan warna biru dapat menghasilkan
dioxin dapat menyebabkan kanker. Tingkat toksisitas residu kembang api juga ditentukan oleh banyaknya bubuk mesiu yang digunakan, jenis oxidizer, warna yang dihasilkan dan metode peluncuran kembang api. Kembang api juga mengandung senyawa perklorat yang sangat mudah larut dalam air. Bahkan dalam konsentrasi yang sangat rendah disuplai air minum, perklorat dapat menghambat pengambilan iodine oleh kelenjar tiroid. Penggunaan kembang api juga dapat meninggalkan sampah padat dari sisa-sisa penyalaan kembang api, baik yang mudah maupun yang sukar terurai. Sampah padat ini akan mengotori perairan maupun tanah/daratan tempat serpihan- serpihan tersebut jatuh. Kembang api juga berkontribusi terhadap terjadinya hujan asam.