Penulis : Agustina Nur Herawati, S.Pd , Wahid Andri Yanti, S.Pd, Yuli Andriani, S.Pd, Yulius Lumban Tobing, S.Pd (Mahasiswa Pendidikan IPA SPs Universitas Pendidikan Indonesia)
Baru saja kita menikmati indahnya kembang api pada malam pergantian tahun. Pancaran cahaya yang indah dari bunga api yang beraneka warna menghiasi langit malam. Bahkan pertunjukkan kembang api ini menjadi puncak dari acara pergantian tahun. Kembang api menghasilkan efek cahaya, warna, dan pola yang indah. Namun bagaimana bentuk dan isi kembang api sebelum meledak, bagaimana proses kembang api bisa terlontar tinggi ke udara, bagaimana pembentukan warna dan pola-pola yang indah? dan amankah bermain dengan kembang api?
Bagaimana bentuk dan isi kembang api yang digunakan pada pertunjukkan besar?
Jenis kembang api yang biasa digunakan pada pertunjukkan besar adalah kembang api shell yaitu kembang api yangberbentuk tabung yang berisi bahan kimia yang mudahmeledak. Kembang api jenis shell ini terdapat dalam dua bentuk yaitu dalam bentuk tabung (cylindrical) dan bulat (spherical). Shell ini merupakan komponen utama pada kembang api karena di dalam shell ini terdapat bahan bakar dan star yang terdiri dari oksidator, reduktor, pengikat, dan agen warna yang akan menghasilkan cahaya indah yang kita nikmati. Star merupakan bagian kembang api yang memberikan sensasi keindahan saat meledak. Sebuah star yang belum meledak berbentuk bulatan hitam kusam seukuran permen.
Gambar 1 Bagian Dalam Kembang Api
Efek pola kembang api terbentuk dari peletakkan stars didalam shell. Misalkan, jika kita ingin menghasilkan efek pancaran yang berbentuk lingkaran, stars harus disusun dengan konfigurasi melingkar mengelilingi hulu ledak, dengan jarak dan posisi yang sama. Untuk menghasilkan bentuk lainnya, menyusun stars dalam bentuk dan lapisan yang berbeda-beda.
Terdapat dua zat penting dalam kembang api yaitu bahan peledak atau dikenal dengan mesiu atau bubuk hitam, dan agen pewarna. Bubuk hitam adalah suatu campuran yang terdiri dari bubuk arang (karbon), sulfur, dan kalium nitrat (KNO3), dengan perbandingan tertentu, perbandingan ini berhubungan dengan fungsi dari bubuk hitam itu sendiri, untuk kembang api perbandingan KNO3:C:S adalah 75:15:10. Bubuk KNO3 berfungsi sebagai oksidator atau penghasil oksigen, sementara campuran aran dan sulfur berfungsi sebagai reduktor. Reaksi kimia yang terjadi pada bubuk hitam merupakan reaksi redoks dan memerlukan sejumlah energi untuk mengaktivasi reaksi redoks. Oleh karena itu kembang api hanya dapat bereaksi jika telah diberi percikan api. Saat diberi percikan api, bubuk hitam dapat mencapai energi aktivasinya, dan bereaksi seperti persamaan kimia dibawah ini:
4KNO3(g)+ 7C(s) + S(s) → 3 CO2(g)+ 3CO(g) + 2N2(g) + K2CO3(s) + K2S(s)
Dari persamaan kimia diatas, kita mengetahui bahwa zat hasil reaksi peledakan bubuk hitam adalah sejumlah padatan (K2CO3 dan K2S) dan gas (CO2,CO,N2). Selain dihasilkan zat baru, persamaan kimia diatas juga menghasilkan sejumlah energi yang cukup besar, jika dihitung nilai perubahan entaplhinya secara teoritis. Dengan menggunakan stoikiometri, maka secara teoritis, 2 gram bubuk hitam akan melepaskan energi sebesat 1688,2 kJ/mol dan hanya terjadi pada suhu 2500K. Energi yang dilepaskan akan berubah menjadi energi lain seperti energi suara, energi cahaya, dan energi panas.
Cahaya pada kembang api dihasilkan dengan dua cara yaitu Incandesence dan Luminescence.
Proses incandesence adalah proses penghasilan emisi cahaya karena panas. Panas tersebut membuat bahan penyusun meningkat suhunya dan bercahaya
Pada pemanasan ini mengakibatkan suatu benda bisa memancarkan cahaya berwarna-warna sesuai dengan tabel 1.
Tabel 1. Warna yang Dihasilkan 1389435982587940643
Untuk warna biru dan hijau tidak bisa menggunakan metode ini karena membutuhkan temperatur dan energi yang tinggi sehingga memerlukan metode kedua yaitu Luminescence. Luminescence adalah menghasilkan cahaya selain dengan energi panas. Cahaya dihasilkan oleh elektron didalam atom logam. Elektron didalam atom tersusun sesuai dengan bilangan kuantumnya. Elektron menyerap energi dari hasil reaksi reduksi oksidasi dan dapat tereksitasi ke sub kulit diatasnya, ini membuat atom tersebut tidak stabil. Elektron akan kembali ke posisi semula dengan memancarkan energi sehingga membuat stabil kembali (gambar 2)
13894322641200860292
Spektrum yang dipancarkan merupakan ciri khas dari suatu atom. Atom yang berbeda memiliki spektrum dengan panjang gelombang berbeda, sehingga warna spektrum untuk atom berbeda juga berbeda. Hal ini disebabkan oleh perbedaan energi dari setiap masing-masing atom, misalnya atom barium memiliki nomor atom yang besar sehingga memiliki kulit-kulit dengan tingkatan energi yang lebih besar dibandingkan dengan atom litium yang memiliki nomor atom yang kecil sehingga memiliki kulit dengan tingkatan energi yang lebih kecil. Sehingga pada saat tereksitasi atom barium akan tereksitasi ke tingkat energi yang lebih besar dibandingkan atom litium dan saat kembali akan memancarkan energi yang sama dengan perbedaan energi antara energi awal (energi standar) dengan energi pada saat elektron tersebut tereksitasi hal ini menyebabkan emisi cahaya yang dipancarkan pun berbeda sesuai dengan besar energinya yang berdampak pada panjang gelombang emisi cahaya tersebut, dimana semakin besar energi yang dipancarkan, semakin kecil panjang gelombangnya. Berikut ini contohterbentuknya warna hijau pada kembang api karena adanya stars yang terdiri dari garam Barium dan oksidator KClO4. Saat terjadi reaksi pembakaran yang suhunya mencapai >2500oC, terjadi reaksi:
KClO4 → KCl +2O2
KCl → K+ + Cl-
K+ + Cl- → BaCl+
BaCl+memiliki panjang gelombang 514 nm dan 524 nm, hal ini membuat reaksi emisi yang terjadi Nampak berwarna hijau. Reaksi seperti ini juga terjadi pada garam-garam lainnya. Berikut ini bahan-bahan penyusun yang digunakan dalam kembang api ditunjukan dalam tabel 2.
Tabel 2 1389435064437798869
Intensitas warna yang terlihat pada saat kembang api meledak dipengaruhi beberapa hal, salah satunya adalah komposisi zat dalam stars itu sendiri dan massa dari stars yang digunakan. Jika terdapat dua atau lebih gelombang cahaya maka akan menyebabkan superposisi gelombang cahaya. Peristiwa dimana beberapa gelombang secara bersama-sama membentuk gelombang tunggal disebut sebagai superposisi. Superposisi gelombang yang bersifat konstruktif terjadi ketika gangguan pada gelombang (1) searah dengan gangguan pada gelombang (2). Hal ini dapat dibayangkan dari sudut pandang gangguan yang dirambatkan dimana jika gangguan (gaya) bekerja pada arah yang sama berarti gangguan total yang dihasilkan dari dua gelombang tersebut semakin besar. Pada gelombang, efek tersebut terlihat pada ukuran amplitudo yang makin besar. Ketika dua gelombang cahaya melintas satu sama lain, medan listrik resultan E pada titik persimpangansama dengan penjumlahan dari masing-masing medan listrikE1 dan E2
1389435162915394683
Sedangkan intensitas sendiri, intensitas gelombang gabungan adalah sebanding dengankuadrat medan listrik resultan:
1389435226788016964
Kembang api terlontar dikarenakan hasil reaksi dari kembang api menghasilkan gas yang sangat banyak.Selain menghasilkan gas dengan cepat, reaksi kimia dari bahan menghasilkan panas dan mengalami pemuaian. Dalam termodinamika dan kimia fisik, hukum Charles adalah hukum gas ideal pada tekanan tetap yang menyatakan bahwa pada tekanan tetap, volume gas ideal bermassa tertentu berbanding lurus terhadap temperaturnya (dalam Kelvin).
Berdasarkan hukum Charles maka volume gas akan mengalami pemuaian seiring dengan meningkatnya suhu pada tekanan tetap (gambar 3) . Peningkatan suhu ini akan meningkatkan gerakan molekul gas, ini yang menyebabkan shell terlontar ke angkasa. Pemuaian gas yang begitu cepat dibandingkan dengan kecepatan suara menghasilkan suara ledakan yang sering kita dengar.
13894326211206137938
Ketinggian kembang api terlontar sebanding dengan besar kembang api untuk menghasilkan gas. Menurut stokiometri bahwa hasil reaksi yang dihasilkan sebanding dengan pereaksinya. Jika kembang api ditontarkan membentuk sudut maka gaya gravitasi akan mempengaruhi sehingga membentuk lintasan berbentuk parabola (gambar 4). Perubahan massa persatuan waktu ini juga yang menyebabkan mengapa kembang api bisa terlontar keatas. Lintasan ini digunakan oleh Pyrotechnicuntuk menghasilkan bentuk pola kembang api seperti pada gambar 4
13894336961610946731
Menghidupkan kembang api itu sangat menyenangkan apalagi jika diiringi dengan acara tertentu seperti perayaan tahun baru yang baru saja kita rasakan. Namun kembang api harus diberi perhatian serius karena kembang api sesungguhnya sangat berbahaya. Suara yang dihasilkan bisa membuat kehilangan pendengaran kita apalagi jika terdapat beberapa ledakan akan membuat suara lebih kuat. Ini dikaenakan gelombang suara kembang api yang satu dengan yang lain akan melakukan superposisi sehingga menghasilkan amplitudo yang tinggi dan suara yang keras. Selain menutup teliga untuk mengurangi dari dampak suara yang keras, penonton harus menjauh dari sumber ledakan kembang api. Ini sesuai dengan persamaan taraf intensitas bunyi, jika kita akan mengurangi tingkat kebisingan (taraf intensitas) maka harus membuat jarak baru yang menjahui dari sumber bunyitersebut. Selain bunyi dan ledakan yang dihasilkan membahayakan, kembang api jenis firecrackers juga perlu perhatian yang serius karena selain cahaya yang dihasilkan kembang api ini menghasilkan suhu yang sanggat tinggi yaitu sekitar 1000 oC. Untuk itu, orang tua harus memberikan perhatian jika anak-anak sedang menghidupkan kembang api.