Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 26.07.18


Die Chemie der Feuerwerkskörper

Vortrag von Thomas Hagen, Daniela Hohe und Miriam Wickmann im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie"

WS 01/02, WS 06/07, WS17/18


Gliederung:

1 Geschichte

2 Aufbau eines Feuerwerkskörpers

3 Die Treibladung: Schwarzpulver
    
3.1 Historische Betrachtung
     3.2 Zusammensetzung pyrotechnischer Mischungen
     3.3 Die Verbrennung von Schwarzpulver

4 Die Effektfüllung: Farbzusätze
    
4.1 Die chemische Erklärung der Farbe
     4.2 Experiment


Einleitung: Das Ende jeden Jahres ist geprägt durch eine große Anzahl an Feiertagen, die viele Bewohner Deutschlands feiern. So werden häufig Nikolaus, Weihnachten und Silvester mit Familie und Freunden groß gefeiert. Nach der Zeit des Beschenkens bleibt jedoch oft nicht mehr viel Geld übrig, welches man für eine ausgefallene Silvesterfeier ausgeben kann. Könnte das Geld, das man ansonsten für Feuerwerkskörper ausgeben würde, durch einen selbstständigen Bau von Feuerwerkskörpern eingespart werden und somit eine handelsübliche Rakete ersetzen? Welche Bestandteile einer Rakete gehören zu dem Bau dazu und wie entstehen verschiedene Farben und Formen?


1 Geschichte

Der Name Pyrotechnik ist griechisch und bedeutet die Kunst des Feuerwerkens. Kunst wurde es vor allem deshalb genannt, weil die Pyrotechnik der Anfänge vor ca. 1600 Jahren bis zum zweiten Weltkrieg nicht viel mit Wissenschaft zu tun hatte. Die Feuerwerkerei stütze sich auf viele Rezepte, die oft durch reines Experimentieren entstanden sind, viel hing vom Fingerspitzengefühl und Augenmaß des Pyrotechnikers ab.


2 Aufbau eines Feuerwerkskörpers

Eine Feuerwerksrakete besteht aus einer Treibladung, einer Effektladung sowie einer Zerleger- und Trennladung. Die Rakete enthält eine Zündschnur zur Entzündung und eine Düse zur Bündelung des entstehenden Gasdruckes.

 

Abb. 1: Aufbau eines Feuerwerkskörpers


3 Die Treibladung: Schwarzpulver

3.1 Historische Betrachtung

Das Schwarzpulver wurde vermutlich in Indien durch Zufall entdeckt. Sein Einsatz war damals einerseits zu friedlichen Zwecken, wie den großen Feuerwerken der Könige Ludwig XIV. und XV. im Barock und Rokoko, andererseits jedoch wurde es als Waffe verwendet:

  Es wurde 400 n. Chr. im abendländischen Raum als Waffe verwendet.
Abb. 2: Schwarzpulver in China [1]  
   
  Auch das sogenannte Griechische Feuer hatte 1200 n. Chr. bereits die gleiche Zusammensetzung wie unser Schwarzpulver heute. 
Abb. 3: Griechisches Feuer [2]  
   
  Später wurde es meistens zum Schießen verwendet, bis heute wurde es allerdings ganz aus dem Bereich der Schusswaffen verdrängt.   
Abb. 4: Eine Schusswaffe mit Schwarzpulver [3]
   
Dafür hat das Schwarzpulver seine führende Rolle in der Pyrotechnik (zwei Hauptgründe: leichte Zugänglichkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Schlag und Reibung). 
Abb. 5: Feuerwerk [4]  

Die Verwendung in der Pyrotechnik ist darauf zurückzuführen, 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

3.2 Zusammensetzung pyrotechnischer Mischungen

Das Schwarzpulver besteht aus Kaliumnitrat, Kohle und Schwefel. Die Feuerwerkswirkung beruht auf einer komplizierten Redoxreaktion, daher braucht man ein Oxidationsmittel (meist Nitrate) und ein Reduktionsmittel, welches in der Feuerwerkerei als Brennstoff bezeichnet wird, wie z. B. Holzkohle oder synthetische Kunststoffe. Um das Abbrandverhalten und die Abbrandgeschwindigkeit zu modifizieren setzt man zusätzlich Inhibitoren (Bleioxide zur Verlangsamung) und Katalysatoren (Braunstein zur Beschleunigung) zu.

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 ausgenutzt wird. Das bekannteste Mengenverhältnis von 75 : 15 : 10 ist nur ein Mittelmaß. In der Tabelle sind die Grenzen angegeben innerhalb derer die Zusammensetzungen schwanken. Auch wird eine Mischung von Kaliumnitrat und Holzkohle im Verhältnis 80 : 20 für bestimmte Zwecke verwendet.

Pyrotechnischer Name

Technischer Name

Summenformel

Massenanteil

Einheit

Salpeter

Kaliumnitrat

KNO3

67-80

%

Holzkohle

Kohlenstoff

C

10-25

%

Schwefelblüte

Schwefel

S8

10-20

%

3.3 Die Verbrennung von Schwarzpulver

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

Hauptgleichungen:

S + 2 KNO3     →    K2SO4 + 2 NO

3 C + 2 KNO3  →    K2CO3 + N2 + CO2 + CO

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

Explosionsreaktionen:

N2O + CO   →  N2 + CO2  

NO + CO    →  1/2 N2 + CO2

Weitere Produkte (aus ca. 1kg Schwarzpulver)

  • bei 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];
  • 0,6 kg Rauch (290 g K2CO3, 110 g K2SO4, 125 g K2S2O3, 30 g K2S2, 30 g KSCN,
    15 g (NH4)2CO3)

4 Die Effektfüllung: Farbzusätze

In Feuerwerkskörpern werden viele verschieden Effektfüllungen verwendet. Es werden 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 erzielt. 

4.1 Die chemische Erklärung der Farbe

Farben entstehen durch Zusätze von Flammen färbenden Elementen, deren Valenzelektronen durch die entstehenden hohen Temperaturen in einen angeregten Zustand angehoben werden und die Energiedifferenz bei Zurückfallen in den Grundzustand in Form von Lichtemission frei wird. Die Größe der Energiedifferenz determiniert die Wellenlänge und somit die sichtbare Farbe der Lichtemission. 

λ = h * c / ΔE


Abb. 6: Elektronenbewegung bei der Flammenfärbung

4.2 Experiment

Experiment Buntes Feuerwerk: Erzeugung eines farbigen Feuerwerks
Material
  • 12 Mörser mit Pistill
  • feuerfeste Unterlage 10cm Eisendraht
  • Brenner
  • 13 Spatel (Breite 5mm)
  • 4 Weithalsflaschen (250ml) mit Deckel
  • Feuerzeug
  • Waage
  • Wägepapier
  • Schutzbrille
  • Schutzhandschuhe
Chemikalien
  • Zucker C6H12O6
  • Holzkohle
  • Natriumacetat
    CH3COONa
 
  • Strontiumnitrat
    Sr(NO3)2
    H: 271​-318  
    P: 210-220​-280​-305+351+338​-306+360​-​371+380+375
  • Kaliumnitrat KNO3 H: 272
    P: 210​-​221
  • Ammoniumnitrat NH4NO3
    H: 272​-319
    P: 210​-​220​-​280​-305+351+338​-370+378
  • Ammoniumchlorid NH4Cl
    H: 302​-​319
    P: 305+351+338
  • Antimon Sb 
    H: 351
    P: 202​-​281​-308+313​-​405
  • Schwefel S
    H: 315
  • Kaliumchlorat KClO3
    H: 271​-​302​-332​-​411
    P: 210​-221​-​273
  • Bariumnitrat Ba(NO3)2
    H: 272​-​301​-​332​-​319
    P: 221​-305+351+338​-308+310
  • Aluminiumpulver Al
    H: 228​-​261
    P: 210​-​370+378​-​402+404
  •  Zinkpulver Zn (Korngröße < 60μm)
    H: 250​-​260​-​410
    P: 222​-210​-231+232​-​280​-​370+378​-273
Durchführung Alle Chemikalien - außer Aluminiumpulver - werden einzeln in getrennten Mörsern gut zerrieben und anschließend, entsprechend der unten angegebenen Feuerwerksmischungen, in die Weithalsflaschen gegeben, wo sie vorsichtig durch Schütteln durchmischt werden.

Für das Rote Feuerwerk: 30g Strontiumnitrat, 9g Schwefel, 6g Antimon, 3g Zucker und 15g Kaliumchlorat.

Für das Grüne Feuerwerk: 16g Ammoniumnitrat, 4g Ammoniumchlorid, 2g Bariumnitrat und 16g Zinkpulver.

Für das Gelbe Feuerwerk: 22g Kaliumnitrat, 5,2g Holzkohle (gut mörsern), 20g Natriumacetat und 5,6g Schwefel. Für das Weiße Feuerwerk: 15g Kaliumchlorat, 7,5g Schwefel und 3g Aluminiumpulver.

Man gibt den Inhalt der Weithalsflaschen jeweils auf eine feuerfeste Unterlage und zündet die Feuerwerksmischungen mit dem glühenden Eisendraht an.

Beobachtung Die Feuerwerksmischungen verbrennen unter Funkenflug in den jeweiligen Farben. 
Interpretation Die Feuerwerksmischungen bestehen aus starken Oxidationsmitteln (Chlorate, Nitrate) und Reduktionsmitteln (Schwefel, Kohlenstoff), welche nach dem Anzünden in einer stark exothermen Reaktion verbrennen. Die Farbe der Feuer ist auf die hinzugefügten Metallsalze zurückzuführen. 

[5]


Zusammenfassung: Eine Feuerwerksrakete baut sich aus einem Treibsatz, durch den der Feuerwerkskörper in die Luft befördert wird, sowie einer Effekt-, Trenn- und Zerlegerladung, welche Farben und Muster entstehen lassen, auf. In einem Feuerwerkskörper finden Redoxreaktionen statt, welche explosionsartig ablaufen.

Abschluss: Als Chemiker ist es also grundsätzlich möglich selbstständig eine Feuerwerksrakete zu bauen, um somit Kosten zu sparen. Da man bei dem Bau jedoch Stoffgemische benutzt, welche stark explosiv reagieren, sollten aus Schutz vor Unfällen nur geprüfte Feuerwerkskörper gekauft und benutzt werden.


Literatur:

  1. https://pixabay.com/de/schwarzpulver-burg-fort-1495065/ (18.07.2018), Lizenz: CC0 Creative Common
  2. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Greekfire-madridskylitzes1.jpg (23.07.2018), Lizenz: CC0 Creative Common
  3. https://pixabay.com/de/turm-pistole-pistole-2217141/(23.07.2018), Lizenz: CC0 Creative Common
  4. https://pixabay.com/de/feuerwerk-raketen-farben-explosion-1758/ (23.07.2018), Lizenz: CC0 Creative Common
  5. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/effekt/effekt_feuerwerke.htm (23.07.2018)
  6. Holleman, A.; Wiberg, E.: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 101. Aufl., Walter de Gruyter Verlag, Berlin - New York, 1995
  7. Roesky, H.; Möckel, K.: Chemische Kabinettstücke, 1. Aufl., VCH Verlag, Weinheim, 1994
  8. Menke, K.: Chemie in unserer Zeit, Vol. 12, 13-22, Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 1978

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