Hintergrund zu:

Buntes Feuerwerk

Grundsätzlich unterscheidet sich eine normale Verbrennung nur wenig von der eines pyrotechnischen Satzes. Dennoch gibt es Unterschiede, beispielsweise die Verbrennungsgeschwindigkeit oder auch die Komplexität, in der die Reaktionen ablaufen. So werden auch in pyrotechnischen Sätzen Brennstoffe (Reduktionsmittel) durch ein Oxidationsmittel, meist noch unter Anwesenheit weiterer Stoffe, wie Katalysatoren, oxidiert. Abhängig ist das Abbrandverhalten von Feuerwerkssätzen auch noch von anderen Faktoren, wie der Partikelgröße, den Abbrandbedingungen, der Temperatur, dem Druck oder der Verdämmung und, in wenigen Fällen, auch von der Art der Entzündung. [1]

Die Chemikalien, die in den Sätzen der Feuerwerkerei Verwendung finden, lassen sich in drei Gruppen einteilen. Erstens die Oxidationsmittel, zweitens die Brennstoffe und drittens die Zusatzstoffe, die sich wiederum in viele kleinere Gruppen aufspalten lassen (z.B. Farbgeber, Bindemittel, Katalysatoren). [1]

Oxidationsmittel

Oxidationsmittel machen das Geheimnis pyrotechnischer Sätze aus. Sie sorgen dafür, dass die Feuerwerkssätze unabhängig vom Luftsauerstoff reagieren können, indem sie den Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung stellen. Damit die einzelnen Komponenten eines Feuerwerkssatzes auch wirklich miteinander reagieren, werden noch weitere verschiedene Anforderungen an die Oxidationsmittel gestellt. So dürfen die Oxidationsmittel z.B. nicht hygroskopisch sein und müssen ihren Sauerstoff schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen abgeben. Diese Bedingungen erfüllen zumeist Metallsalze sauerstoffreicher, anorganischer Säuren, wie Nitrate oder Perchlorate. [1]

Brennstoffe

Der Brennstoff hat die Aufgabe, während der Reaktion in Verbindung mit einem Oxidationsmittel für eine hohe Temperatur zu sorgen. Eine hohe Temperatur ist dafür notwendig, dass z.B.  farberzeugende Stoffe zum Leuchten angeregt werden. Je höher die Temperatur, desto größer ist auch die Lichtausbeute, welche jedoch eine Grenze von 10% der Gesamtenergieabgabe nicht überschreitet. Zu den Brennstoffen zählen Metalle, wie Magnesium, Titan oder Eisen; Nichtmetalle, wie Schwefel oder Kohlenstoff und organische Verbindungen, wie Schellack oder PVC. [1]

Bei den Brennstoffen und den Oxidationsmitteln sollte man allerdings auf das chemische Gleichgewicht achten. D.h. in einer Mischung darf nicht mehr sauerstoffliefernde Substanz vorhanden sein, als zur Verbrennung der brennbaren Substanz nötig ist, da ein solcher Überschuss die Reaktion behindern würde. Das richtige Verhältnis kann man anhand der Reaktionsgleichung berechnen. Ein perfektes Gleichgewicht bedeutet aber nicht, dass eine Mischung auch gut funktioniert. Einen großen Einfluss auf das Gelingen der Reaktion hat auch die Partikelgröße. Bei der Feuerwerksmischung Grün kommt die heftige Reaktion nur zustande, wenn man mit Zinkpulver arbeitet. Bei Einsatz von Zinkbrocken würde die Reaktion nur sehr langsam und weniger exotherm ablaufen. Je feiner das Pulver ist, desto größer ist seine Oberfläche und desto besser kann es reagieren. Eine zu geringe Körnchengröße aber kann hierbei heftige Explosionen auslösen! Ein Kilo Holz in Form eines Würfels wird nicht brennen, wenn man ein brennendes Streichholz daran hält, ein Kilo Holzwolle dagegen schon! Man sollte sich also im Klaren sein, welche Reaktion man erreichen will - eine Wunderkerze mit Eisenstaub herzustellen ergibt keinen Sinn, sie würde mit hellem Aufleuchten in zwei Sekunden verbrennen; mit grobem Eisenpulver dagegen brennt sie ruhig und funkelt vor sich hin. Für ein Blitzlichtpulver, das schlagartig verbrennen soll, wird man also immer staubfeine Bestandteile verwenden. [2]

Zusatzstoffe

Alle weiteren Stoffe, die in einem pyrotechnischen Satz enthalten sind, bezeichnet man als Zusatzstoffe. Dies können beispielsweise Farbgeber, Katalysatoren, Inhibitoren oder Bindemittel sein.

Informationen zu Farbgebern:
Eine Flamme kann durch Zugabe von Metallsalzen eingefärbt werden. Die Farberscheinung ist darauf zurückzuführen, dass die Valenzelektronen der Metalle durch die Brennerflamme in einen angeregten Zustand versetzt werden. Dieser angeregte Zustand ist aber sehr instabil. Beim Zurückfallen auf den Grundzustand wird der zwischen den beiden Schalen vorherrschende Energieunterschied in Form von Lichtenergie frei. [3]

Was die Farbe des Feuerwerkes angeht, muss man wissen, was man erreichen will. Nimmt man eine Mischung aus Schwefel, Kaliumnitrat, Strontiumnitrat und Natriumnitrat, so wird diese Feuerwerksmischung immer gelb verbrennen, da das Natrium selbst in einem sehr intensivem Gelb verbrennt und so das Rot des Strontiums und das Violett des Kaliums völlig überdeckt. Gibt man zu einer Mischung von Strontiumnitrat und Schwefel noch Magnesium dazu, wird diese Mischung viel schwächer rot verbrennen, da das Magnesium ein sehr helles, weißes Licht abgibt und so das Rot zum Teil verblasst. Alle Farben, außer Blau, lassen sich sehr einfach erzeugen. Der Einsatz von Kupfernitrat erzeugt allerdings keine blaue Farbe in pyrotechnischen Mischungen. Um Blau zu erzeugen, muss man verschiedene Kupfersalze in derselben Mischung verwenden, und genaue Mengen organischer Chlorverbindungen zufügen, da die blaue Färbung nur dann entsteht, wenn während des Verbrennens neben Kupfer auch Chlor vorhanden ist. In diesen Mischungen herrscht ein feines Gleichgewicht vor, das man nicht errechnen kann. [4]

Zum Versuch

Feuerwerkschemie läuft nicht schulbuchmäßig sauber ab, sondern es existieren viele Nebenreaktionen. Die Reaktionsabläufe werden durch die Stöchiometrie der Edukte stark beeinflusst.

Rotes Feuerwerk:

Strontiumnitrat wirkt als Farbgeber und Oxidationsmittel; Kaliumchlorat wirkt als Oxidationsmittel. Schwefel, Antimon und Zucker wirken als Brennstoffe.

Die Umsetzungen könnten wie folgt verlaufen:

Kaliumchlorat zersetzt sich ab 400°C in einer Disproportionierungsreaktion zu Kaliumperchlorat, Kaliumchlorid und Sauerstoff:

Ob diese Disproportionierung beim Verbrennungsvorgang tatsächlich nötig ist bzw. abläuft, bleibt offen. Kaliumperchlorat zersetzt sich weiter zu Sauerstoff und Kaliumchlorid:

Kaliumchlorat reagiert mit Schwefel zu Kaliumchlorid und Schwefeldioxid:

Der Zucker wird oxdiert:

Antimon verbrennt zu Antimonoxid:

In der Schmelze mit Schwefel bilden sich je nach stöchiometrischem Verhältnis auch Antimonsulfide:

Zudem finden ebenfalls Reaktionen von Nitrat mit Schwefel bzw. Kohlenstoff statt (siehe Gelbfeuer).

Grünes Feuerwerk:

Bariumnitrat wirkt als Farbgeber und Oxidationsmittel, Zinkpulver wirkt als Brennstoff und Farbgeber, Ammoniumchlorid und Ammoniumnitrat wirken als Oxidationsmittel und Energielieferanten.

Die Umsetzungen könnten wie folgt verlaufen:

Ammoniumchlorid zersetzt sich durch thermische Dissoziation zu HCl und NH₃. Der Ammoniak verbrennt zu Wasser und Stickstoff (exotherm). Ammoniumnitrat ist für sich genommen schon ein Explosivstoff, es zerfällt in einer Synproportionierung (stark exotherm) zu Stickstoff, Wasser und Sauerstoff:

Der entstehende Sauerstoff dient wiederum als Oxidationsmittel.

Gelbes Feuerwerk:

Die Zusammensetzung entspricht im wesentlichen der von Schwarzpulver. Kaliumnitrat wirkt als Oxidationsmittel, Holzkohle und Schwefel als Reduktionsmittel und Natriumacetat als Farbgeber. Natriumnitrat wäre hier nicht geeignet weil es zu hygroskopisch ist.

Die Umsetzungen könnten wie folgt verlaufen:

Kaliumnitrit wird unter den gegebenen Reaktionsbedingungen weiter reduziert zu Kaliumcarbonat, Stickstoff und Kohlenmonoxid:

Kaliumnitrit reagiert mit Schwefel u.a. zu Distickstoffoxid, das in N₂ und O₂ zerfällt.

Eventuell intermediär auftretendes N₂O reagiert mit CO zu Stickstoff und Kohlendioxid:

   [3]

Weißes Feuerwerk:

Kaliumchlorat wirkt als Oxidationsmittel. Schwefel und Aluminium wirken als Reduktionsmittel und als Brennstoff:

Die Umsetzungen könnten wie folgt verlaufen:

Kaliumchlorat kann mit Schwefel zu Kaliumchlorid und Schwefeldioxid reagieren:

oder Kaliumchlorat reagiert mit Aluminium zu Kaliumchlorid und Aluminiumoxid:

Literatur:

1. http://www.pyroweb.de/WissenChemie.php, Stand 22.02.06
2. http://www.uni-bayreuth.de/-departments/didaktikchemie/umat/
   feuerwerk/feuerwerk.htm, Stand 22.02.06
3. http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/gefahr/feue-was.htm, Stand 22.02.06
4. http://www.pyro-partner.de/feuerwerk/fwrk_chemie.html, Stand 22.02.06

Links: