Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 16.02.16

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Chemie der Feuerwerkskörper

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Vortrag von Thomas Hagen im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2001/2002

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Gliederung:

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1. Feuerwerkskörper

vergleich2.gif (9870 bytes)

Abb.1: Aufbau von Rakete und Kugelbombe im Vergleich

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2. Die Treibladung: Schwarzpulver

2.1. Historische Betrachtung

Das Schwarzpulver wurde vermutlich in Indien durch Zufall entdeckt. Es ist schon seit dem Jahre 1000 bekannt.  Sein Einsatz war damals hauptsächlich zu  friedlichen Zwecken, wie den großen Feuerwerken der Könige Ludwig XIV. und XV. im Barock und Rokoko. Im 13. Jahrhundert wurde die Mischung vom Franziskanermönch Berthold Schwarz verbessert.
Die Verwendung in der Pyrotechnik ist darauf hinauszuführen, dass Schwarzpulver gegenüber von anderen gewerblichen Sprengmitteln eine wesentlich niedrigere Detonationsgeschwindigkeit hat.

Bezeichnung

Zusammensetzung

Detonations-
geschwindigkeit (m/s)

Sprenggelatine Nitroglycerin
Kollodiumwolle
7700
Wetter-Nobelit B Nitroglycerin
Holzmehl
Ges. Kalksalpeterlösung
Ammonsalpeter
Kochsalz
5600
Ammonsalpeter Ammonsalpeter 2500
Schwarzpulver Kaliumnitrat
Holzkohle
Schwefel
300 - 500

2.2. Zusammensetzung

Die Zusammensetzung von Schwarzpulver variiert sehr stark je nach Verwendungszweck. Hiermit kann man zum Beispiel die Abbrandgeschwindigkeit ändern:  wird der Kaliumnitratgehalt erhöht, verbrennt das Pulver heftiger. Durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts verbrennt es langsamer, was zum Beispiel bei Raketentreibsätzen ausgenützt wird. Das bekannteste Mengenverhältnis von 75 : 15 : 10 ist nur ein Mittelmaß. In der Tabelle sind die Grenzen angegeben in denen die Zusammensetzungen schwanken. Auch wird eine Mischung von Kaliumnitrat und Holzkohle im Verhältnis 80 : 20 für bestimmte Zwecke verwendet.

Pyrotechnischer Name

Chemischer Name Summenformel Massenanteil Einheit
Salpeter Kaliumnitrat KNO3 65 - 80 %
Holzkohle Kohlenstoff C 10 - 25 %
Schwefelblüte Schwefel S8 10 - 20 %

2.3. Chemische Reaktion

Bei der Verbrennung von Schwarzpulver laufen viele verschiedene Reaktionen, teilweise sehr komplexe, ab.
Im Folgenden sind die wichtigsten zusammengestellt.

Hauptgleichungen:

S + 2 KNO3        pfeil.gif (992 bytes)    K2SO4 + 2 NO

3 C + 2KNO3       pfeil.gif (992 bytes)     K2CO3 + N2 + CO2 + CO

Das bei der Schwarzpulverreaktion entstandene Kaliumnitrit bildet mit Schwefel u.a. Distickstoffoxid.

Explosionsreaktionen:

N2O + CO      pfeil.gif (992 bytes)      N2 + CO2  

NO + CO        pfeil.gif (992 bytes)      1/2 N2 + CO2

Weitere Produkte (aus ca. 1kg Schwarzpulver)

bulletbei Normaldruck und Verbrennungstemperatur (ca. 1500°C) 2300 l Gas (710 l N2, 1130 l CO2, 280 l CO, 60 l CH4, 40 l H2S, 80 l H2), bei 0°C ca. 350l [1];
bullet0,6 kg Rauch (290 g K2CO3, 110 g K2SO4, 125 g K2S2O3, 30 g K2S2, 30 g KSCN,
15 g (NH4)2CO3).

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3. Die Effektfüllung: Farbsätze

In Feuerwerkskörpern werden viele verschieden Effektfüllungen verwendet. Hier werden die Farbsätze behandelt und die Farben Rot, Grün und Blau vorgestellt. Man kann durchaus vielfältige Effekte durch verschiedene Verteilung der Sterne (so nennt man die zu kugelförmig oder zylindrisch gepressten Effektpulver) in Bomben, wie auch durch Übereinanderschichtung unterschiedlicher Pulvermischungen erzielen. Wen dies interessiert, kann den im unten angegebenen Literaturverzeichnis Link besuchen und sich die Bilder unter Gallery anschauen.

3.1. Komponenten verschiedener Mischungen

Farben

Chemikalien

rot grün blau
Kaliumperchlorat       60
Strontiumnitrat 65     
Magnesium 15 32  
Polyvinylchlorid 20 18 7
Bariumnitrat    50  
Schwefel       5
Kupferhydroxidcarbonat      20
Bindemittel      8

3.2. Chemische Erklärung der Farbe

Durch Anregung wird ein Elektron in einen angeregten Zustand gebracht. Wenn es von der höheren Schale wieder in den Grundzustand zurückspringt, wird der zwischen beiden Schalen vorherrschende Energieunterschied in Form von Lichtemission frei.

emi2.gif (2558 bytes)

Die Formel dazu lautet:      Lambda = h * c / dE

3.3. Experiment

Verbrennung von Bengalmischungen:

a) Die oben angeführte Mischung für den roten Farbsatz

b) Rotfeuer:
bullet75 g Stontiumnitrat
bullet2,7 g Holzkohlepulver
bullet32 g Schwefelblüte
bullet63 g Kaliumchlorat
lsrot.jpg (169220 bytes)
Abb. 2 Rotfeuer 
c) Grünfeuer:
bullet75 g Bariumnitrat
bullet2,7 g Holzkohlepulver
bullet32 g Schwefelblüte
bullet63 g Kaliumchlorat
lsgruen.jpg (166711 bytes)
Abb. 3 Grünfeuer

Vorsicht: Kaliumchlorat einzeln zermörsern und dann unter die anderen Bestandteile vorsichtig untermischen. Unter Reibung kann Kaliumchlorat mit Schwefel explodieren.

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4. Vergleich Bombenbild und Raketenbild

Wenn man ein Feuerwerk mal etwas genauer betrachtet, dann kann man deutlich den Unterschied zwischen einer Bombe und einer Rakete feststellen. Dies kommt von einer kugelförmigen Explosion der Bombe, während bei der Rakete die Effektfüllung nur nach oben ausgeworfen wird.

bombenbild.gif (46195 bytes)

Abb.4 Bombe [3]

Abb.5 Rakete [3]

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5. Literatur

  1. Holleman / Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Aufl., Walter de Gruyter Verlag, Berlin - New York, 1995
  2. Roesky / Möckel: Chemische Kabinettstücke, 1. Aufl., VCH Verlag, Weinheim, 1994
  3. http://www.feuerwerk.net

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