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Thema: Feuerwerk der Chemie - Pyrotechnik | Dokumentation

  1. #1
    Fabian
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    Feuerwerk der Chemie - Pyrotechnik | Dokumentation

    Hallo Chemie Freunde,

    im Folgenden möchte ich Euch meine Dokumentation über Pyrotechnik präsentieren.

    Gliederung:

    • Einleitung
    • Grundlagen: Sätze, Oxidationsmittel, Brennstoffe, Zusatzstoffe
    • Wichtige Sätze: Schwarzpulver, Leuchtsätze, Oszillierende Sätze, …
    • Feuerwerkskörper: Kugelbomben, Zylinderbomben, Leuchtkugeln
    • Zusammenfassung
    • Quellen

  2. #2
    Fabian
    Administrator Avatar von Fabian
    Einleitung: Das Feuerwerk - vom Krieg zur Volksbelustigung

    Obgleich bei Volksfesten und Feiertagen, Hochzeiten oder Jubiläen – überall hat sich der Einsatz von Pyrotechnik, dem Feuerwerk, auf kultureller sowie traditioneller Ebene über Jahrhunderte hinweg integriert. Das mag einerseits daran liegen, dass ein solches Spektakel heutzutage schön anzusehen ist und Neugierige anlockt, andererseits erhoffte man sich früher beim Einsatz von Raketen und Sprengkörpern in Gefechten unter anderem einen psychologischen Vorteil.

    Bereits vor 1000 Jahren begann so im Geheimen die Entwicklung des Feuerwerks, wobei zunächst explosive Mischungen mit Schwarzpulver vorrangig waren. Um das gläubige Volk von der göttlichen Macht zu überzeugen, nutzte der Klerus die Pyrotechnik auch auf kirchlichen Veranstaltungen. Dem protzigen Absolutismus verdankt das Feuerwerk nicht nur wortwörtlich einen großen Boom - die reichen Adligen versuchten sich auf regelmäßigen Festen mit ihren Darbietungen gegenseitig zu übertreffen und trugen damit einen wesentlichen Teil zur Entwicklung des Feuerwerks bei.

    Erst zu Beginn des 19. Jahrhunderts aber erhielten die Feuerwerke dank der Chlorate, Perchlorate und den Erdalkalisalzen die knackigen Farben, wie wir sie heute kennen. Die Verfügbarkeit von Aluminium, Titan und Metallpulvern aus Magnesium führten im nächsten Jahrhundert zu deutlich mehr Brillanz.

    Durch die steigenden Lohnkosten verlagerte sich die Produktion und Herstellung von Feuerwerkskörpern immer weiter nach Fernost. So arbeiten heute in China so viele Menschen in der pyrotechnischen, wie bei uns im Westen in der Automobilindustrie, während in Deutschland die Anzahl der Betriebe in dieser Branche an einer Hand abzuzählen sind.

    Das alles ist Grund genug sich einmal näher mit der Technik, beziehungsweise den ablaufenden chemischen Prozessen, auseinanderzusetzen, die während eines Feuerwerks stattfinden. Welche Stoffe müssen für welche Farbe eingesetzt werden? Wie erzielt man verschiedene Effekte? Wie wird Feuerwerk hergestellt? Welche chemischen Reaktionen laufen ab? Die folgende Dokumentation soll einen Einblick hinter die Kulissen gewähren und somit die eben genannten Fragen sowie viele weitere mögliche beantworten.

  3. #3
    Fabian
    Administrator Avatar von Fabian
    Grundlagen der Pyrotechnik

    Sätze

    Eine wesentliche Grundlage der Pyrotechnik sind die sogenannten Sätze. Fast alle Mischungen nutzen das Prinzip der Redoxreaktion – ein Stoff gibt Sauerstoff ab und wird somit „reduziert“, ein anderer „oxidiert“, nimmt ihn also auf. Doch wie entstehen die eigentlichen Effekte? Die Mischungen, die bei den verschiedenen Reaktionen verwendet werden, nennt man Sätze. Das sind energiereiche Ein- oder Mehrstoffsysteme, welche ihre Energie verwenden um Licht-, Schall-, Rauch-, Nebel-, Heiz-, Bewegungs- oder Druckwirkungen zu erzeugen. Über Zusatzstoffe kann auch Einfluss auf Festigkeit, Abbrandgeschwindigkeit, Abbrandfarbe und vielem weiteren ausgeübt werden. Das klingt auf dem ersten Blick zwar einfach, praktisch wird aber eine Mischung kaum aus nur zwei Komponenten bestehen, wodurch die ablaufenden Reaktionen mitunter doch etwas komplizierter ausfallen.

    Bei der Herstellung eines Satzes muss unter anderem auch auf das chemische Gleichgewicht geachtet werden, denn in einer Mischung darf nicht mehr Sauerstoff-abgebende Substanz vorhanden sein, als die Verbrennung der brennbaren beansprucht. Ein falsch gewähltes Verhältnis zwischen den Stoffen würde den Prozess der Reaktion behindern. So ist es also erst nötig, die Reaktionsgleichung aufzustellen, um über Berechnungen die richtigen Mengen feststellen zu können. Leider funktioniert diese Methode ganz getreu dem Motto „Ausnahmen bestätigen die Regel“, denn selbst wenn das Gleichgewicht hergestellt ist, bedeutet dies nicht, dass die Mischung auch wie gewünscht funktioniert. Das führt letztendlich dazu, dass man den einen oder anderen Versuch benötigt, um zu einem Ergebnis zu gelangen - „Probieren geht über Studieren“.

    Natürlich ist das chemische Gleichgewicht nicht der einzige Faktor, auf den man bei der Herstellung von Sätzen achten muss. Neben den Abbrandbedingungen wie Temperatur, Druck oder Verdämmung spielt auch die Partikelgröße eine ernstzunehmende Rolle. Je feiner zum Beispiel ein Pulver ist, desto besser kann es dank der größeren Oberfläche reagieren. Eine Wunderkerze aus Eisenstaub herzustellen wäre demnach eine eher gewagte Geschäftsidee, denn eine Wunderkerze, die nur 2 Sekunden brennt, würde wohl niemanden glücklich machen. Stattdessen sollte hier beispielsweise grobes Eisenpulver zum Einsatz kommen, dann würde sie nämlich deutlich langsamer verbrennen. Wenn das Produkt hingegen schlagartig verbrennen soll, wird man also immer auf sehr feine Bestandteile zurückgreifen.

    In der Feuerwerkerei kann man die Chemikalien, welche in den Sätzen angewendet werden, in drei unterschiedliche Gruppen einteilen. Zum einen wären da Oxidationsmittel und Brennstoffe, die dritte Gruppe besteht aus Zusatzstoffen wie etwa Farbgeber, Katalysatoren und Bindemittel. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten näher belichtet:

    • Oxidationsmittel

    Oxidationsmittel sind ein wesentlicher Bestandteil der Sätze, ohne sie würden nur die wenigsten pyrotechnischen Reaktionen überhaupt ablaufen. Dank ihnen können die Sätze unabhängig vom Luftsauerstoff reagieren, da sie den benötigten Sauerstoff selbst bereitstellen. Doch nicht jeder Stoff kommt für ein Feuerwerk in Frage, denn damit die Reaktionen ablaufen können, müssen die Oxidationsmittel schon bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen ihren Sauerstoff abgeben. Zudem dürfen sie nicht hygroskopisch sein. So kommen mit Nitraten oder Perchloraten meist Metallsalze sauerstoffreicher anorganischer Säuren zum Einsatz.

    • Brennstoffe

    Die Aufgabe von den Brennstoffen besteht darin, während der Reaktion eines pyrotechnischen Gemisches in Verbindung mit einem Oxidationsmittel für eine hohe Temperatur zu sorgen. Erst durch die hohe Temperatur wiederum ist es möglich, die farberzeugenden Stoffe in den für uns typischen Farben aufleuchten zu lassen. Je höher die Temperatur dabei ist, desto heller können die Stoffe auch leuchten. Als Brennstoffe verwendet man zumeist Metalle wie Magnesium, Titan oder Eisen, Legierungen wie Mangalium oder Ferrotitanium, aber auch Nichtmetalle wie Schwefel oder Kohlenstoff und organische Verbindungen wie Schellack oder PVC.

    • Zusatzstoffe

    Die beiden erst genannten Gruppen bilden die Grundlagen eines pyrotechnischen Satzes. Erst durch Zusatzstoffe jedoch erreichen die Feuerwerke ihre bekannten Farben und Effekte. Zu den Zusatzstoffen zählen zum Beispiel Farbgeber, Katalysatoren, Inhibitoren und Bindemittel.

  4. #4
    Fabian
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    Wichtige Sätze

    Schwarzpulver

    Schwarzpulver war schon immer einer der wichtigsten Sätze in der Feuerwerkerei. Doch wozu wird es überhaupt benötigt? Schwarzpulver kennt viele unterschiedliche Einsatzgebiete. So kommt es unter anderem dank der ansteigenden Abbrandgeschwindigkeit als Raketenmotor oder wegen seiner Pressbarkeit als Anzündsatz in Frage. Da es sehr schnell abbrennen kann dient es auch dem Ausstoß von Projektilen bspw. aus Batterien und der Zerlegung von Feuerwerkskörpern. Durch die Variation des Holzkohleanteils des Schwarzpulvers lassen sich auch ein schöner Goldschweif (45-50%) und Verzögerungssätze für Anzündschnüre (65-70%) herstellen.

    Schwarzpulver setzt sich zu 75% aus Kaliumnitrat, 10% Schwefel und 15% Holzkohle zusammen. Dadurch ist es heutzutage relativ preisgünstig und stellt in etwa das Optimum für einen schnellen Abbrand und eine gute Gasausbeute dar. Doch noch heute ist die Abbrandchemie des Schwarzpulvers aufgrund der komplizierten ablaufenden chemischen Reaktionen, die auch nach der Umsetzung in weiteren Folgereaktionen ausarten, nicht vollständig erklärt. Während der Umsetzung entstehen fast 50% gasförmige Verbrennungsprodukte.

    Leuchtsätze

    Ohne Frage sind Farben in der Pyrotechnik von enormer Wichtigkeit. Doch woher kommen die Abbrandfarben? Wie bereits erwähnt erzeugen Brennstoffe Hitze, also thermische Energie, welche nun wiederum von Metallen und deren Kationen aufgenommen wird. Dadurch steigen deren Elektronen in höhere Energieniveaus auf. Bei der Rückkehr der Elektronen auf niedrigere Energieniveaus wird Energie in Form von für die entsprechenden Energieniveaudifferenzen der Elektronen spezifischen Lichtquanten unterschiedlicher Wellenlängen abgegeben.

    Um rote, grüne und orangerote Flammen zu erzeugen, werden überwiegend Erdalkalien als Nitrate, Carbonate und Oxalate eingesetzt. Auch hierbei dürfen die verwendeten Verbindungen nicht hygroskopisch sein und auch mit anderen Satzbestandteilen keine solchen Verbindungen entstehen. Für gelborangene Flammen werden, damit die Sätze nicht schnell feucht werden, schwerlösliche Natriumverbindungen wie etwa Natriumaluminiumfluorid, Natriumoxalat oder Ultramarinblau eingesetzt, für blaue kommt aus Preisgründen nur Kupfer in Frage. Die folgende Tabelle gibt eine gute Übersicht über die Verbindungen, die bei den verschiedenen Sätzen typischerweise benutzt werden, um bestimmte Farben zu erzielen:

    Farbeindruck Emittierendes Kation Emittierende Spezies Verbindungen
    Rot Strontium SrCl, SrOH SrCO3, SrC2O4, Sr(NO3)2
    Orangerot Calcium CaCl CaCO
    Gelb Natrium Na Na3[AIF6], NaNO3, Na2C2O4
    Grün Barium BaCl, BaOH, BaO Ba(NO3)2
    Blau Kupfer CuCl CuO, CuCO3, Cu(OH)2

    Interessant ist zudem auch die Möglichkeit, diese Grundfarben miteinander zu mischen, um weitere Farben zu ermöglichen. Dieses Verfahren wird sehr häufig eingesetzt.

    Gelb (Na) + Rot (Sr) = Orange
    Gelb (Na) + Grün (Ba) = Zitronengelb
    Rot (Sr) + Blau (Cu) = Purpur, Violett oder Lila (je nach Verhältnis)
    Grün (Ba) + Rot (Sr) = Reinweiß
    Grün (Ba) + Blau (Cu) = Türkis

    Jedoch lassen sich oben genannte Farben nur mit einer bestimmten Metallspezies in der Flamme erzeugen, welche die gewünschte Emission möglich macht. Durch unterschiedliche Temperaturen und Zusammensetzungen erhält man verschiedene Farben. Jedoch erzeugen nur die SrCl-, SrOH-, BaCl-, BaOH-, BaO- und CuCl-Spezies die gewünschten Flammenfarben.
    Es gibt noch weitere Möglichkeiten, Strahlung zu erzeugen, zum Beispiel über Abbrandprodukte der Sätze, die sehr hohe Temperaturen aufweisen, sogenannte „schwarze Strahler“. Da die Frequenz des abgegebenen Lichts mit der Temperatur ansteigt, sind die Farben hier wieder von der Temperatur abhängig. So erhält man bei weniger als 1000°C beispielsweise goldfarbene Funken, während weiße und silberne Funken bei 3000°C zur Geltung kommen.

    Oszillierende Sätze

    Es gibt Sätze, welche typischer Weise periodische Effekte aufweisen, sogenannte oszillierende Sätze. Unter diesen periodisch ablaufenden Effekten kann man sich mit unter Blink- und Flimmer-Zustände vorstellen, die gleichmäßig Lichtblitze aussenden oder aber auch Pfeiftöne, welche über schnelle Einzelexplosionen ausgelöst werden – so schnell, dass ein schriller, vermeintlich ganzer Ton dabei entsteht.

    Wie aus dem Satz der Feuerwerkskörper wird

    Nur selten können die pyrotechnischen Sätze direkt, also als Pulver oder lose, verwendet werden. Sogar im am einfachsten vorstellbaren Fall, zum Beispiel bei einem Streichholz oder einer Wunderkerze, muss der lose Satz verdichtet und anschließend in eine feste Form verwandelt werden. Auch Feuerwerkssterne und Leuchtsätze müssen bearbeitet werden. So werden Leuchtsätze in Hülsen aus Pappe oder Aluminium gepresst, Feuerwerkssterne müssen in kleine Kugeln oder Zylinder umgeformt werden. Es ist aber auch möglich Sätze in Hülsen zu verdichten.

  5. #5
    Fabian
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    Die Feuerwerkskörper

    Die meisten Menschen haben schon einmal ein Großfeuerwerk beobachten dürfen, doch nur die wenigsten davon realisieren, dass es sich bei den Feuerwerkskörpern, die oft auch rhythmisch zu Musik abgefeuert werden, keinesfalls um Raketen handelt. Diese sind verhältnismäßig teuer und auch gefährlich. Stattdessen kommen sogenannte Feuerwerksbomben zum Einsatz. Diese können aus Papp-, Kunststoff- oder Stahlrohren verschossen werden, benötigen keine Holzstäbe zur Stabilisierung und gehorchen somit auch der Ballistik. Sie werden aufgrund unterschiedlicher Bauweisen in Zylinder- und Kugelbomben unterteilt. Wie eine Kugelbombe und eine Zylinderbombe genau aufgebaut sind, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

    Aufbau einer Kugelbombe Aufbau einer Zylinderbombe
    Durch die Ausstoßlandung wird die Verzögerung angezündet, diese brennt während des Fluges in die Bombe und zündet letztendlich den Zerlegersatz, welcher explodiert, die Sterne zündet und diese am Himmel kugelförmig auseinander treibt. Stabilität und Verdämmung wird durch die Papphülle außen gewährleistet. Diese Zylinderbombe enthält 3 Sternenbuketts und einen Abschlussknall. Sie wird oben gezündet, wodurch wiederum die Verzögerung, sowie die Treibladung gezündet werden. Dadurch wird die Bombe aus dem Mörser ausgestoßen und im Aufstieg explodiert dann ein Teil nach dem anderen, bis das Spektakel mit dem Blitzknallsatz beendet wird.

    Leuchtkugeln

    Nun kann man sich natürlich die berechtigte Frage stellen, was es mit den Kugeln auf sich hat, die wir in Bomben und Raketen wiederfinden. Dies sind sogenannte Leuchtkugeln, die für die Pyrotechnik unabdingbar sind. Die Kugeln haben nur wenige Millimeter Durchmesser und enthalten die entsprechenden Stoffe aus den Sätzen. Die Herstellung der Leuchtkugeln ist kompliziert: Zuerst kommen Körner in eine große, sich drehende Trommel, wie zum Beispiel Reis, Raps oder Mais. Diese Körner werden als Träger für die Feuerwerkschemikalien benutzt. Durch eine klebrige Lösung haften die Chemikalien an den Körnern. Anschließend werden Oxidationsmittel, Reduktionsmittel, Katalysatoren, Inhibitoren, sowie flammenfärbende Zusatzstoffe in die Trommel hineingegeben.

  6. #6
    Fabian
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    Zusammenfassung

    Bereits vor über 1000 Jahren kannten die Chinesen die Grundstoffe für Schwarzpulver, heute sind Feuerwerke auf der Beliebtheitsskala ganz weit oben. Das Kunstwerk der Pyrotechnik zu verstehen, ist nicht so kompliziert, wie man denken könnte. Als erstes brauchen wir eine Form für unser Feuerwerk, sei es die traditionelle Rakete oder eine Kugelbombe für Großfeuerwerke. Es gibt Sätze, die aus verschiedensten chemischen Substanzen bestehen, mit denen verschiedene Effekte und unterschiedliche Farben erzielt werden können. Die Farbe hängt dabei von der Wellenlänge des Lichts ab, welches bei der Verbrennung der Leuchtkugeln freigesetzt wird. Während Kupferchlorid für blau sorgt, erhalten wir durch Titangrieß einen silbernen Funkenschweif. Die Leuchtkugeln werden wie gewünscht in einer Form untergebracht, durch verschiedene Anordnungen können sogar Figuren wie Smileys erzeugt werden. Alles, was jetzt noch benötigt wird, ist ein Feuerzeug. Von der chemischen Seite aus betrachtet läuft im inneren immer eine Redoxreaktion ab, es findet also ein Austausch von Sauerstoffatomen statt. Bei diesem Austausch, nennen wir als Beispiel das Metallsalz Kaliumnitrat aus dem Schwarzpulver, welches Sauerstoff an andere, leicht brennbare Stoffe wie Holzkohle oder Schwefel abgibt, wird schlagartig die angesprochene Energie frei. Feuerwerk ist kein Hexenwerk, doch die chemischen Prozesse können mitunter selbstverständlich auch wesentlich komplizierter ausfallen. Die Grundidee sollte nun aber verinnerlicht worden sein.

    Quellennachweis

    Code:
    [1] Fritz Keller: Chemie in unserer Zeit, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2012, 248-265
    [2] „Chemie der Feuerwerkskörper“, Uni Bayreuth, 20101009, http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/umat/feuerwerk/feuerwerk.htm 
    [3] „Pyrotechnik – Wikipedia“, Wikipedia, 20130403, http://de.wikipedia.org/wiki/Pyrotechnik
    [4] Pyro-Partner / Chemie, Pyro-Partner, http://www.pyro-partner.de/Feuerwerk/Feuerwerk-Chemie.html
    [5] Informationen zur Chemie der Pyrotechnik - pyroweb.de | Feuerwerk + PyroShop, Pyroweb, http://www.pyroweb.de/feuerwerk-informationen/feuerwerk-chemie-forum-pyrotechnik-homepage-pyro-chemikalien-PXPwissenChemie.html
    [6] Feuerwerk, http://www.planet-schule.de/sf/iq-shuttle/multimedia/lernspiel/feuerwerk/mme/mmewin.html


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