Chemie – Feuerwerk

Seit 600 Jahren feuern wir Menschen Feuerwerke in den Himmel, aber angefangen hat alles vor mehr als tausend Jahren mit der Erfindung des Schwarzpulver im alten China. Die Grundstoffe waren damals Salpeter, Holzkohle und Schwefel.

Der Barock war die Blütezeit des Feuerwerks, denn hier entdeckte der Adel das Feuerwerk für sich. Anlässe für Feuerwerk waren Besuche von Adeligen, Geburten von Thronfolgern oder Siege über Feinde. Geld hatte der Adel auch genug, zum Beispiel Ludwig XV. Er ließ 1770 eines der bisher größten Feuerwerke der Welt für die Ankunft seiner Schwiegertochter Marie Antoinette zünden. Dabei waren 20 680 verschiedene Feuerwerkskörper im Einsatz. Als dem Adel das Geld ausging endete auch die Blütezeit des Feuerwerks und man musste bis 1838 auf die Gründung der ersten Feuerwerksfirma warten. Von diesen Zeitpunkt an erlebten die Firmen einige Hochs und Tiefs und manche überlebten bis heute und organisieren immer noch große Feuerwerke.

Es gibt viele verschiedene Arten von Feuerwerkskörpern, wie zum Beispiel verschiedenste Kugelbomben, Raketen, Römische Lichter, Zylinderbomben, Chinabatterien, Feuertöpfe, Bombetten und viele mehr.

Bevor ein Feuerwerkskörper zum Verkauf frei gegeben wird vergehen etwa 2 bis 3 Monate, da er zunächst auf seine Eignung geprüft werden muss. Unter Extrem-Bedingungen wird getestet, ob der Feuerwerkskörper nicht lauter als 115db in 8 Meter Entfernung ist, ob er nicht höher als 100 Meter steigt und ob die Verzögerung nach dem Zünden zwischen 3 bis 6 Sekunden beträgt.

Feuerwerkskörper sind in Österreich in 4 Klassen unterteilt. Diese unterscheiden sich in Größe, Satzmenge (Anfeuerung, Treib- und Effektsatz) und in Knallsatzmasse. Die 1. Klasse darf zum Beispiel von Personen über 12 Jahre erworben und verwendet werden und enthält maximal 3 Gramm Satzmenge. Für den Kauf von der 3. und 4. Klasse braucht man schon eine spezielle Ausbildung [Kenntnisse über Gesetzlagen und Funktionsweisen von Feuerwerkskörpern], da diese teilweise sehr gefährlich sind und eine hohe Satzmenge beinhalten.

Herstellung

1.       Zuerst wird der pyrotechnische Inhalt von den Kugelbomben, Sterne und Zerleger, aus Chemikalien hergestellt. Die Sterne sind am Himmel als farbige oder funkensprühende Punkte oder Streifen zu sehen. Die Zerlegerladung zerreißt die Bombe am höchsten Punkt, zündet die Sterne und treibt sie auseinander.

2.       Die Bomben-Halbschalen aus Pappe werden in reiner Handarbeit mit diesen pyrotechnischen Produkten gefüllt und ein Verzögerungszünder wird eingesetzt. Je nach Art und Größe der Kugelbombe werden spezielle Techniken verwendet.

3.       Beide Hälften werden zusammengesetzt und mit Leim getränkten Papierstreifen miteinander verklebt.

4.       Zuletzt werden die Bomben in mehrere Schritten im Freien getrocknet.

Wie funktioniert was?

Kugelbomben:

Die Kugelbombe wird mit Hilfe einer Treibladung (meist Schwarzpulver) aus einem Abschussrohr (= Mörser) gezündet. Der Verzögerungszünder, der sich am unteren der Bombe befindet, wird dabei entfacht und dieser zündet im Idealfall die Bombe am höchsten Punkt. Dabei sprengt die Zerlegerladung die Bombenschale, entzündet die Effekte und treibt sie symmetrisch auseinander.

Raketen:

Nachdem die Rakete gezündet wurde, verschafft der Raketentreiber der Rakete einen Schub. Danach steigt die Rakete nur durch ihre Trägheit weiter und kurze Zeit später zündet ein Verzögerungssatz die Ausstoßladung. Diese entzündet die Effekte.

Warum es knallt und leuchtet

Leuchten:

Die Farbe des Leuchtsatzes hängt von der Wellenlänge des ausgestrahlten Lichtes ab. Für den Menschen ist aber nur ein kleiner Bereich von 380 nm [= Nano Meter] (violett) bis 780 nm (rot) von Bedeutung. So hat zum Beispiel ein grünes Licht, welches durch Bariumsalze erzeugt wird, 490 nm bis 560 nm und das blaue Licht, das meist von Kupfersalzen erzeugt wird, 435 nm bis 440 nm.

Für das Leuchten dieser Salze reicht die Energie, die beim Abbrennen freigesetzt wird aus um die Elektronen eines Orbitals in ein höher liegendes zu befördern. Im nächsten Augenblick, in dem das Elektron dann wieder zurückfällt, wird die Energie, die es vorher erhalten halt unter anderem in Form von Lichtenergie wieder abgegeben.

Besonders helle und stark leuchtende Farben erhält man, wenn man Metalle wie Magnesium, Aluminium, Titan, Legierungen und andere bei mehreren Tausenden Grad Celsius verbrennt. Die Brillanz der Farben kann gesteigert werden wenn PVC als Reaktionspartner beteiligt ist.

Pfeifen:

In einer einzigen Sekunde finden etwa 3000 bis 4000 kleinere Explosionen statt. Dadurch wird die darüber befindliche Luftsäule in Schwingungen versetzt und ein Pfeifton wird bei einer Frequenz von 3500 Hz wahrgenommen.

Blinken:

Als Erstes wird der Satz gezündet. Anschließend folgt die sogenannte „Dunkelphase“, in der sich ein sehr reaktives Gemisch bildet und letztendlich die Reaktion des Satzes unter starkem Aufleuchten.

Knallen:

Der Knall wird durch einen plötzlichen Druckanstieg und aus der daraus resultierenden Schallwelle erzeugt.

Verbrennung – Chemikalien

Grundsätzlich unterscheidet eine normale Verbrennung nur wenig mit der eines pyrotechnischen Satzes. Aber es gibt trotzdem Unterschiede, wie zum Beispiel die Komplexität in der die Reaktionen ablaufen, oder die Verbrennungsgeschwindigkeit. Deshalb werden Brennstoffe (Reduktionsmittel), durch ein Oxidationsmittel, oft auch in Anwesenheit von Katalysatoren, oxidiert.

Die Chemikalien, die für Feuerwerke verwendet werden, lassen sich in 3 Gruppen unterteilen.

1. Oxidationsmittel

2. Reduktionsmittel (Brennstoff)

3. Hilfsstoffe

Aus Sicherheitsgründen dürfen einige Chemikalien nicht gemischt werden und die Ausgangsstoffe für pyrotechnische Sätze müssen sehr rein sein, um unerwartete und unerwünschte Reaktionen zu verhindern.

1.      Oxidationsmittel:

Oxidationsmittel sind dafür verantwortlich, dass die Feuerwerkssätze unabhängig von Luftsauerstoff reagieren können. Diese Mittel stellen den Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung. Oxidationsmittel sind meist Metallsalze Sauerstoffreicher anorganischer Säuren wie Nitrate oder Perchlorate.

Es gibt viele verschiedene Oxidationsmittel mit zahlreichen verschiedenen Effekten, wie zum Beispiel:

·         BARIUMPEROXID BaO₂

Giftig. Wird für Lichtspur- und Thermitanzündsätze verwendet

·         KALIUMNITRAT KNO₃

Salpeter, wichtigster Oxidationsmittel in der Pyrotechnik, besonders in Schwarzpulver ähnlichen Brand- und Treibsätzen. Der pH-Wert ist wie bei allen Nitraten zusammen mit (feinem) Aluminium-Pulver kritisch: kann dann bei Feuchtigkeit Hitze entwickeln! Bei der Herstellung von Schwarzpulver und Raketentreibsätzen werden Eisenwerkzeuge vermieden (Funkenbildung). Kaliumnitrat-Pulver hat eine sehr niedrige Zündtemperatur und finden als Treib-, Leucht-, Zünd- und Knallsätze Verwendung.

2.      Reduktionsmittel:

Das Reduktionsmittel ist neben dem Oxidationsmittel der zweite wichtige Bestandteil eines pyrotechnischen Satzes. Die Aufgabe des Reduktionsmittel, besteht darin während der Reaktion eines pyrotechnischen Satzes in Verbindung mit einem Oxidationsmittel für eine sehr hohe Temperatur zu sorgen. Durch diese hohe Temperatur werden die farberzeugenden Stoffe in einer bestimmten Wellenlänge zum Leuchten angeregt.

Brennstoffe sind meist Metalle wie Magnesium, Titan oder Eisen, Legierungen wie Ferrotitanium, Nichtmetalle wie Schwefel oder Kohlenstoff und organische Verbindungen wie Schellack oder PVC.

Es gibt natürlich auch viele verschiedene Reduktionsmittel mit verschiedenen Effekten wie zum Beispiel:

·         LACTOSE C₁₂H₂₂O₁₁ * H₂O

Milchzucker. Brennstoff für kühle, blaue Flammen und Rauch - Mischungen

·         SILICIUM Si

Dunkelgraues Pulver als Hitzelieferant, z.B. in Zündmänteln für Sterne

3.      Hilfsstoffe:

Mit Hilfsstoffen meint man Farbgeber, Katalysatoren , Inhibitoren (= die hemmen etwas; Gegenteil von Katalysator) und Bindemittel

Auch bei Hilfsstoffen gibt es eine lange Liste an Chemikalien mit verschiedensten Wirkungen wie zum Beispiel:

·         STRONTIUMCARBONAT SrCO₃ - Farbgeber, Stabilisator
Häufigster roter Farbgeber. Auch Verzögerer in Glitter - Effekten.

·         KUPFEROXID CuO, Cu₂O - Farbgeber
Giftig. Schwarzes oder rotes Pulver. Erzeugt blauen Farbsaum bei Leuchtsternen oder dient als Zündverbesserer.

Feuerwerke sind eine schöne und wunderbare Erfindung, die heute bei großen und wichtigen Veranstaltungen (z.B. Silvester, Olympiade...) kaum noch wegzudenken sind. Es  ist wirklich eine Augenweide, die neuen farbenreichen und verschieden Variationen anzuschauen und zu genießen. Ich hoffe dass der Einfallsreichtum der Produzenten nie ausgeht und wir noch viele weitere Feuerwerke sehen und erleben werden.

Quelle: