För många människor runt om i världen kommer de allra första ögonblicken av det nya året att fyllas med ljud och färgglada ljusshower av fyrverkerier. Från höga smällar till långa visselpipor, klarröda till ljusblå färger, det finns tusentals varianter av fyrverkerier och en hel gren av kemi som utforskar dessa roliga explosioner.

Jag är kemist och ordförande för Pyrotechnics Guild International, en organisation som främjar säker användning av fyrverkerier och deras användning för att fira högtider som nyår.

Det finns hundratals kemiska formler - eller som jag gillar att tänka på dem, pyrotekniska recept - för fyrverkerier. Dessa recept är fortfarande baserade på en uråldrig blandning av kemikalier som producerar den avgörande smällen, men moderna fyrverkerier använder alla typer av kemisk magi för att sätta upp dagens otroliga shower.

Allt börjar med svartkrut

Den första ingrediensen i ett fyrverkeri är det gamla explosiva svartkrutet. Det upptäcktes av kinesiska alkemister för mer än tusen år sedan, och receptet har varit praktiskt taget oförändrat under århundradena sedan dess. För att göra svartkrut behöver du bara blanda 75 % kaliumnitrat, 15 % träkol och 10 % svavel. För att göra ett grundläggande fyrverkeri eller en smällare lägger du bara detta pulver i en behållare, vanligtvis gjord av tjock kartong eller papper.

Svartkrut används för att skjuta upp fyrverkeriet i luften samt antända och driva effekterna – som färg – in i ett mönster på himlen. Så hur fungerar det?

När den tänds med en säkring eller gnista, smälter svavlet först vid 235 F (112,8 C). Svavlet rinner över kaliumnitrat och träkol, som sedan brinner. Denna förbränningsreaktion producerar snabbt en stor mängd energi och gas - med andra ord en explosion. Om det finns ett litet hål för gasen att komma ut, skjuter reaktionen upp fyrverkeriet i luften. I ett mycket trångt utrymme spränger den isär komponenterna i fyrverkeriet och tänder allt i närheten.

Förutom att ändra hur instängt det svarta pulvret är, kan storleken på pulverkornen ändra hur snabbt det brinner också. Tänk på en lägereld. När du lägger till en stor trädgren brinner lågorna längre och långsammare. Om du slänger en näve sågspån i lågan brinner det varmt och snabbt. Svartkrut fungerar på liknande sätt, och det gör det enkelt att kontrollera hur mycket och hur snabbt energi som frigörs.

Olika kemikalier för olika färger

Om du lägger mycket fint svartkrut i ett trångt utrymme exploderar det i ett moln av värme, gas och buller. Så var kommer färgerna och det starka ljuset ifrån?

När du värmer upp något material, vad du egentligen gör är att lägga energi i elektronerna i det materialets atomer. Om du exciterar elektronerna tillräckligt, när de faller tillbaka till sina normala energinivåer frigör de den överskottsenergin som ljus.

Det finns ett antal olika element som, när de läggs till ett fyrverkeri och värms upp, frigör olika våglängder av ljus som uppträder som olika färger. Strontium gör rött. Barium producerar grönt. Koppar brinner blått och så vidare.

Att göra fyrverkerier som producerar blues har länge varit en utmaning för fyrverkerikemisterna. Deep blues är för mörkt och kan inte ses mot natthimlen. Men om det blå är för ljust ser det vitt ut. Så våglängden för den "perfekta blå" måste vara mycket exakt. Detta är svårt att uppnå eftersom blått ljus har en kortare våglängd – vilket betyder att avståndet mellan ljusvågens toppar och dalar ligger mycket nära varandra.

Vissa element ger olika färger, men hur är det med gnistrar och blixtar? För att göra dessa effekter kan olika metaller läggas till de pyrotekniska formlerna. Aluminium, magnesium och titan producerar alla vita gnistor. Genom att tillsätta järn får du guldgnistor. Blandning av olika typer av träkol kan ge röda och orangea gnistor. Vart och ett av dessa element brinner med olika hastighet och på olika sätt och producerar därför olika färger och ljusintensiteter.

Att göra en visselpipa eller en bom

Den sista biten av ett bra fyrverkeri är en spännande ljudeffekt.

För att lägga till ljudeffekter till fyrverkerier behöver du en formel som producerar en stor mängd gas mycket snabbt. Om ett fyrverkeri har en liten öppning för gasen att komma ut genom kommer det att producera ett visslande ljud. Gasens hastighet och storleken på öppningen kommer att variera tonhöjden och ljudet av en visselpipa.

Att göra en bom är mycket lättare. Lägg helt enkelt en energisk formel i ett trångt utrymme utan någonstans för gasen att ta vägen. När den antänds kommer trycket att byggas upp och fyrverkeriet exploderar, vilket ger en plötslig bom eller smäll.

När du tittar på fyrverkerierna på nyårsafton eller lanserar några av dina egna på bakgården, vet du nu hur de fungerar. Fyrverkerier är väldigt roligt, men explosionerna och brinnande kemikalier är farliga – även om de kommer i färgglada förpackningar. Om du lagligt kan skjuta upp konsumentfyrverkerier i din stad, vänligen hantera dem på rätt sätt.