Chemie - Die Mischung macht's!

api_thumb_450Pyrotechnische Mischungen funktionieren eigentlich fast immer nach dem Prinzip einer REDOX-Reaktion. Einfach gesagt, ein Stoff gibt Sauerstoff ab, wird also reduziert, während ein anderer Stoff Sauerstoff aufnimmt, also oxidiert wird. Da eine pyrotechnische Mischung allerdings selten aus nur zwei Komponenten besteht, sind die Reaktionen, die in ihr ablaufen, doch recht kompliziert.

Nimmt man als Beispiel ganz normales Schwarzpulver, eine Mischung aus 75% Kaliumnitrat, 15% Schwefel und 10% Holzkohlepulver. Das Kaliumnitrat (chem. Formel: KN03) ist eine Verbindung aus Kalium (K), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O). Wie an der 3 hinter dem "O" zu erkennen ist, "besteht" es zu 3/5 aus Sauerstoff und gibt diesen auch sehr leicht an oxidierbare Stoffe wie Schwefel, Holzkohle usw. ab, wenn man dem fertigen Gemisch Startenergie in Form von Hitze oder Reibung zuführt.

Auf dieser Grundlage lassen sich die meisten Mischungen herstellen: sauerstoffabgebende Substanz + leicht brennbarer (oxidierbarer) Stoff. Allerdings muss man auf das sogenannte "chemische" Gleichgewicht achten, d.h. in einer Mischung darf nicht mehr sauerstoffabgebende Substanzvorhanden sein, als zur Verbrennung der brennbaren Substanz nötig ist, da ein solcher Überschuss die Reaktion behindern würde. Das richtige Verhältnis kann man an Hand der Reaktionsgleichung berechnen, aber zuerst muss man eine vollständige Reaktionsgleichung aufstellen, bevor man dann mit Hilfe des Molekülgewichtes (Molmasse) seine Berechnungen anstellen kann. Aber ein perfektes Gleichgewicht bedeutet nicht, dass eine Mischung auch gut funktioniert – manchmal muss man viele Versuche durchführen, bevor man Erfolg hat.

Aber es gibt noch mehr Faktoren, die eine Rolle spielen, z.B.die Partikelgröße. Angenommen, man will Schwarzpulver herstellen und pulverisiert seine Grundstoffe im Mörser und mischt sie; dann wird man feststellen, dass das Endprodukt ziemlich langsam abbrennt. Wenn man es in einen Knaller füllen würde, gäbe es keinen Knall sondern vielleicht ein "Puff", aber mehr auch nicht. Das Pulver, welches man mit Hilfe eines Mörsers herstellen kann, mag zwar auf den ersten Blick sehr fein aussehen, aber diese "Feinheit" reicht nicht aus, um eine schnelle Reaktion zu gewährleisten. Je feiner ein Pulver ist, desto größer ist auch seine Oberfläche und desto besser kann es auch reagieren. Ein Kilo Holz in Form eines Würfels wird nicht brennen, wenn man ein brennendes Streichholz daran hält, ein Kilo Holzwolle dagegen schon! Trotzdem sollte man wissen, welche Reaktion man erreichen will – eine Wunderkerze mit Eisenstaub herzustellen macht 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.

Die Prozedur des Mischens stellt ebenfalls einen wichtigen Faktor für eine gute Mischung dar. Sie ist aber auch ein bedeutender Sicherheitsaspekt, denn jede Art von Energie, die man einer Mischungzuführt, kann sie zur Reaktion bringen. Es gibt Mischungen, die so unempfindlich sind, dass man mit einem Hammer darauf schlagen kann und eine Wunderkerze braucht, um sie zu entzünden. Andere Mischungen dagegen explodieren schon bei etwas stärkerer Berührung.

Die Farben

nico_europe_chemie_farben_in_reagenzgläschenDas schöne an einem Feuerwerk sind immer auch die unterschiedlichen Farben: Blau, Rot, Grün, Violett, Gelb etc. Was so schön aussieht, ist teilweise sehr schwierig zu erreichen. Eine Flamme kann man durch die Salze von Metallen wie: Natrium (Gelb), Barium (Grün), Strontium (Rot),Kalium (Violett), Kupfer (Blau) färben. Die genannten Metalle sind nicht die einzigen, die Flammenfärbungen hervorrufen können, aber die gebräuchlichsten. Und wie immer muss man auch beim Thema Farbe wissen, was man erreichen will.

Nimmt man nun eine Mischung aus Schwefel, Kaliumnitrat, Strontiumnitrat und Natriumnitrat, so wird diese immer gelb brennen, da das Natrium ein sehr intensives Gelb erzeugt 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, dann wird diese Mischung viel weniger rot aussehen, 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. Man verwendet einfach das Nitrat des entsprechenden Metalls. Der Einsatz von Kupfernitrat erzeugt allerdings keine blaue Farbe in pyrotechnischen Mischungen. Um Blau zu erzeugen, muss man verschiedene Kupfersalze in der selben Mischung verwenden und genaue Mengen organischer Chlorverbindungen zufügen. Die blaue Färbung entsteht nur dann, wenn während des Verbrennens neben Kupfer auch Chlor vorhanden ist. In diesen Mischungen herrscht ein feines Gleichgewicht vor, dass man nicht errechnen kann. Man kann es nur durch Versuche erreichen!

Chemikalien

ALUMINIUM Al – Brennstoff
Wird für weiße oder silberne Funken oder in Blitzknallsätzenverwendet.

AMMONIUMNITRAT NH4NO3 – Oxidationsmittel
Sehr hygroskopisch. Wird in der Pyrotechnik selten verwendet.

BARIUMNITRAT Ba(NO3)2 – Oxidationsmittel, Farbgeber
Giftig. Grüner Farbgeber.

BORSÄURE – Korrosionsinhibitor
Borsäure wird feinst gepulvert und in geringer Menge in Mischungen von Nitraten mit Metallpulvern gebraucht, um Korrosion und vorzeitigen Reaktionenvorzubeugen.

CALCIUMCARBONAT CaCO3 – Farbgeber
Orangeroter Farbgeber.

CALCIUMSULFAT CaSO4 – Farbgeber
Außer in Chloratsätzen für orangerote Blinkeffekte und Leuchtsterne.

DEXTRIN – Bindemittel
Gelbliches, feines Pulver. Für Sterne und Wunderkerzen.

EISEN Fe – Brennstoff
Feines bis grobes Pulver oder Feilspäne (auch Stahl-Späne) für goldene Funkenin Fontänen und Wunderkerzen.

HOLZKOHLE C – Brennstoff
Wird als Hauptbestandteil von Schwarzpulver verwendet. Die Qualität und Herkunft der Holzkohle ist entscheidend für die Qualität von Schwarzpulver. Sehr fein gepulverte Holzkohle wird für Schwarzpulver und etwas gröberes Pulver für lange Funken benötigt.

KALIUMCHLORAT KClO3 – Starkes Oxidationsmittel
Kaliumchlorat ist ein sehr starkes Oxidationsmittel. Mischungen von Kaliumchlorat und brennbaren Stoffen sind sehr berührungsempfindlich. Kaliumchlorat darf niemals mit Schwefel, Sulfaten, Sulfiden, Metallpulvern oder sogar rotem Phosphor gemischt werden. Solche Mischungen explodieren meist schon bei Kontakt.

KALIUMNITRAT KNO3 – Oxidationsmittel
Hauptbestandteil von Schwarzpulver und allgemein verwendetes Oxidationsmittelin der Pyrotechnik.

KUPFERCARBONAT BASISCH CuCO3 * Cu(OH)2 – Farbgeber – Giftig
Grünliches Pulver. Blauer Farbgeber.

KUPFERCHLORID CuCl, CuCl2 – Farbgeber – Giftig
Hygroskopisch. Grünliches Pulver. Blauer Farbgeber.

KUPFEROXID CuO, Cu2O – Farbgeber – Mindergiftig
Schwarzes oder rotes Pulver. Blauer Farbgeber. LAMPENRUSS C – Brennstoff
Wird manchmal verwendet, um lang glühende orange Funken zu erzeugen.

LEINSAMENÛL oder -FIRNIS – Bindemittel, Korrosionsinhibitor
In wenigen Mischungen wird Leinsamenöl oder -firnis als lufttrocknendes Bindemittel verwendet. Häufiger wird es jedoch benutzt, um Metallpulver zu überziehen und sie so vor vorzeitiger Oxidation zu schützen.

LITHIUMCARBONAT Li2CO3 – Farbgeber
Weißes Pulver. Roter Farbgeber.

MAGNESIUM Mg – Brennstoff
Erzeugt eine blendend weiße Flamme, die die Retina schädigen kann! Daher nicht in die Flammen schauen!

NATRIUMHYDROGENCARBONAT (NATRON) NaHCO3 – Farbgeber
Gelber Farbgeber.

NATRIUMNITRAT NaNO3 – Oxidationsmittel – Farbgeber
Ähnlich wie Kaliumnitrat, aber stark hygroskopisch. Wird zusammen mit Kaliumperchlorat in Pfeifsätzen verwendet.

PHOSPHOR rot/weiß – Brennstoff – Giftig
Roter Phosphor wird in der Pyrotechnik selten verwendet, fast ausschließlich in Mischungen für Reibköpfe, und auch da nur selten. Pyrotechnische Mischungen mit Phosphor sind instabil und bei deren Abbrandt besteht die Gefahr des Entstehens von weißem Phosphor. Weißer Phosphor ist HOCHGIFTIG und kann sich schon bei erhöhter Raumtemperatur von selbst entzünden; er wird daher unter Wasser gelagert.

POLYVINYLCHLORID (PVC) – Farbverbesserer
Chlordonator. Wesentlicher Bestandteil in blauen Mischungen.

SCHWEFEL S – Brennstoff
Gelbes, feines Pulver. Nur gewaschenes Schwefelpulver einsetzen, da die sog. Schwefelblüte hohe Gehalte an Schwefelsäure aufweist. Wichtiger Bestandteil von Schwarzpulver.

SCHELLACK – Brennstoff, Bindemittel
Orangefarbenes Harz, welches aus der Schellacklaus gewonnen wird.

STRONTIUMNITRAT Sr(NO3)2 – Oxidationsmittel – Farbgeber
Hygroskopisch, ähnlich Kaliumnitrat. Roter Farbgeber

TON
Die Düsen in Raketen und Fontänen werden fast immer aus Ton hergestellt.

VASELINE – Korrosionsinhibitor
Wird manchmal verwendet, um Metallpulver vor Oxidation zu schützen.

ZINK Zn – Brennstoff
Meist feines Pulver (Zinkstaub), wird in Rauchmischungen verwendet.

nico europe info chemie junge frau im weißen kittel mit mundschutz und handschuhen hält reagenzgläschen mit blauer flüssigkeit hoch, vor ihr weitere gläser und kolben mit diversen bunten flüssigkeiten und pipetten

Gefährliche Chemikalien

Chlorate

Sollten generell nicht verwendet werden, da sie hoch reaktiv sind und zu unerwünschten Reaktionen mit vielen Stoffen neigen. Es hat seinen Grund, dass Chlorate in der professionellen Feuerwerkerei nicht mehr verwendet werden!

Sie sollten generell nicht mit Folgendem gemischt werden:

• Säurehaltigen Komponenten:
(Spalten HOCHREAKTIVE Über-Chlorsäure ab, die zur spontanen
Entzündung und Explosion führen kann)

• Sulfaten, Sulfiden und Schwefel:
(Enthalten oft Spuren von Schwefelsäure, s.o.)

• Ammoniumverbindungen:
(Können zusammen HOCHEXPLOSIVES Ammoniumchlorat bilden)

• Fein gepulverte organische Stoffe:
(Gefahr der spontanen Selbstentzündung)

Nitrate

Nie mit unphlegmatisierten Metallpulvern mischen, bes. Kupfer (katalytische Zersetzung möglich).Gilt ganz besonders für Ammoniumnitrat!

Chromverbindungen

Fast alle Chromverbindungen, z.B. auch Ammoniumdichromat, sind als krebserregend eingestuft! Außerdem reagiert A-Dichromat sehr heftig mit organischen Lösungsmitteln.

Schwermetall-Verbindungen

Werden manchmal in alten Mischungen verwendet. Z.B. Kupferacetoarsenat (Pariser Grün) für blaue Flammen. Oder Bleinitrat für spezielle Fontänen (beim Verbrennen entstehen Schwermetalldämpfe – GIFTIG!). Gilt auch für Schwermetallazide (z.B. Bleiazid).

Knallquecksilber

Ist HOCHGIFTIG, extrem empfindlich und bei der Herstellung fallen große Mengen giftiger Quecksilberabfälle an.

Organische und anorganische Peroxide

Fast immer giftig und unberechenbar explosiv!

Literaturhinweis

Ein wesentlicher Teil dieses Beitrages stammt aus der z-netz.alt.pyrotechnik-FAQ
Autor ist Herr Solon Luigi Lutz.

nico europe info chemie türkise, grüne, schwarze salze, blaue mineralien in petrischalen, daneben verkorktes reagenzgläschen mit schießpulver
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