Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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Die Chemie der Feuerwerkskörper

Vortrag von Daniela Hohe im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 06/07

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Gliederung:

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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.

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2. Das Schwarzpulver

Die Geschichte der Pyrotechnik ist eigentlich die Geschichte des Schwarzpulvers:

Es lässt sich bis 400 n. Chr. im abendländischen Raum zurückverfolgen.

Abb. 1: Schwarzpulver in China [2]  
 

Auch das sogenannte Griechische Feuer hatte 1200 n. Chr. bereits die gleiche Zusammensetzung wie unser Schwarzpulver heute.

Abb. 2: Griechisches Feuer [2]
 

Später wurde es meistens zum Schießen verwendet, heute ist es allerdings ganz aus dem Bereich der Schusswaffen verdrängt. 

Abb. 3: Schwarzpulver für Schusswaffen [2]
 

Dafür hat das Schwarzpulver seine führende Rolle in Pyrotechnik (2 Hauptgründe: leichte Zugänglichkeit und  Unempfindlichkeit gegenüber Schlag und Reibung).

Abb. 4: Feuerwerk [2]

Versuch: Abbrand von Schwarzpulver (Rezept siehe [3])

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3. Bestandteile pyrotechnischer Mischungen

Der wichtigste Bestandteil eines Feuerwerks ist das Schwarzpulver, es 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 Feuerwerkerei als Brennstoff bezeichnet wird, wie z.B. Holzkohle oder synthetische Kunststoffe. Um das Abbrandverhalten und Abbrandgeschwindigkeit zu modifizieren setzt man zusätzlich Inhibitoren (Bleioxide zur Verlangsamung) und Katalysatoren (Braunstein zur Beschleunigung) hinzu.

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4. Weitere Bestandteile pyrotechnischer Mischungen

Wichtig sind natürlich auch flammenfärbende Zusätze, dabei handelt es sich vor allem um Salze von Erdalkali- und Alkalimetallen. Zudem benötigt man auch noch Bindemittel, wie Stärke oder auch Harze, die die feuchtigkeitsempfindliche Mischungen stabilisieren.

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5. Das Reaktionsgeschehen

Beim Abbrand von pyrotechnischen Mischungen laufen viele verschiedene und teilweise undurchsichtige Reaktionen ab.

Am einfachsten ist es noch, wenn man sich die entstehenden Reaktionsprodukte für das Schwarzpulver ansieht, die Produkte sind zum überwiegenden Teil Feststoffe, aber auch teilweise gasförmig. Auf der Basis dieser Befunde konnte Berthelot 1857 folgende Reaktionsgleichung aufstellen:

6 S + 16 KNO + 13 C        5 K2SO4 + 2 K2CO3 + 16 N + K2S + 11 CO

Das aus dieser Gleichung resultierende Mischungsverhältnis für die Ausgangsmischung entspricht jedoch weder der ursprünglichen, noch der empirisch gefundenen optimalen Pulverzusammensetzung.

Durch die Hilfe der Differentialthermoanalyse und der Thermogravimetrie kommt man auf folgende zwei Gleichungen:

S + 2 KNO           K2SO4 + 2 NO

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

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6. Licht und Farbe

Eine der wichtigsten Aufgaben des Pyrotechnikers ist natürlich die Erzeugung von hellem weißen und farbigen Licht. Für weißes Licht mit hoher Intensität eignet sich vor allem Magnesium und Aluminium. Für farbig abbrennende Leuchtfeuer verwendet man vor allem Salze von Alkali- und Erdalkalimetallen.

Die Farbe entsteht durch die Anregung eines Elektrons, dieses wird also  in einen angeregten Zustand gebracht. Wenn es von der höheren Schale wieder in den Grundzustand zurückspringt, wird der zwischen den  beiden Schalen vorherrschende Energieunterschied in Form von Licht einer bestimmten Wellenlänge frei.

Abb. 5: helles weißes Licht [2] Abb. 6: farbiges Licht [2]

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7. Literatur:

[1] Menke, K: Die Chemie der Feuerwerkskörper. Chemie in unserer Zeit, 1978, 12, Seite 13-22.
[2] www.feuerwerk.net    08.01.2008.                                                                                                              [3]
http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzpulver  08.05.07

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Didaktik der Chemie

Universität Bayreuth

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.09.10