Referat Pyrotechnik

Pyrotechnik

Von Bernd Gutmann (Bernd_Gutmann gmx net) Waldkirch, den 2 1 99

Einf hrung

Im farbenprächtigen Zusammenspiel von Feuerwerkskörpern kommen verschiedene chemische Reaktionen zum Tragen, die im einzelnen näher erl utert

werden sollen.

Früher, z B in China wurden, die Gemische durch die Versuch-und-Irrtum Methode entwickelt. So war dann auch gelungenes Feuerwerk eher Kunst

als Wissenschaft. Erst in den letzten Jahrzehnten haben Forscher darangemacht die Physik und Chemie der

Knalleffekte n her zu ergr nden. Daraus ist

eine neue Wissenschaftsdispziplin entstanden: die Pyrotechnik.

Die Pyrotechnik befa t sich aber nicht ausschlie lich mit Feuerwerkskörpern. Sowohl

Feststoffantriebsraketen, Leucht- und Signalfeuer oder auch

Z ndh lzer falle in ihr Aufgabenbereich. Schwarzpulver

Es ist eines der ltesten Pyrotechnischen Stoffe und dient zugleich als Treibsatz wie auch Sprengladung. Es wurde von den Chinesen vor etwa 1 00

Jahren entwickelt. Zuerst verwendete man es nur f r einfache Raketen und Knallkörper. Erst im Mittelalter

wurde die Rezeptur daf r auch in Europa

bekannt, der englische M nch Roger Bacon verriet 2 2 eine Formel f r das Gemisch, um sich gegen die

Anklage in einem Hexerei-Prozeß zu verteidigen.

Das Schwarz- bzw. Schie pulver revolutionierte die Arbeit in Steinbrüchen, ebnete aber auch den Weg f r grausame Kriege.

An der Grundformel hat sich seit Jahrhunderten nichts geändert:

Kaliumnitrat (Salpeter)

15% Holzkohle

10% Schwefel

Man könnte sagen Schwarzpulver ist eine ideale pyrotechnische Substanz, denn es besitzt viele positive

Eigenschaften:

man kann es trocken über Jahre lagern

die Grundstoffe sind billig und reichlich vorhanden die Ausgangsstoffe sind relativ ungiftig

durch geringe Energiezufuhr kann man es zünden

Über Jahrhunderte hinweg war die Produktion auf einige wenige Familien beschränkt, die ihre Rezepturen strengstens geheimhielten. Dies führte aber

dazu, daß keine pyrotechnische Grundlagenforschung betrieben wurde, das mag ein Grund für die spähte

Entwicklung der Pyrotechnik sein. Was passiert beim Zünden

Im Prinzip sind pyrotechnische Reaktionen nichts anderes als Verbrennungen.

Es gibt eine Sauerstoffquelle Oxidationsmittel) und einem Brennstoff (Reduktionsmittel . Beides sind normalerweise feste miteinander vermengte

Stoffe. Erhitzt man das Gemisch findet ein Elektronentransfer vom Reduktions- zum Oxidationsmittel statt = Redoxreaktion). Dabei wandern die

Sauerstoffatome vom Oxidations- zum Reduktionsmittel. Bei dieser Reaktion wird dem System Energie entzogen.

Ein Unterschied zu einer normalen Verbrennung ist die Quelle des Sauerstoffs, hier bringt der Stoff 'seinen

Sauerstoff' mit wohingegen dieser bei

Verbrennungen aus der Luft stammt, des weiteren ist eine pyrotechnische Reaktion auf einen viel kleineren

Raum beschränkt.

Diese Reaktionen können nur an den Oberfl chen der Stoffe stattfinden. Das bedeutet, da die Stoffe als

Granulat vorliegen, ist die Reaktions Fl che

sehr begrenzt. Wird der Stoff nun erhitzt so verfl ssigen sich die K rner und die Stoffe mischen sich auf molekularer Ebene, die Reaktionsfläche

wächst. Die Reaktion kommt in Gang. Bei Druckeinwirkung verh lt es sich genau so.

Im Ruhezustand ist das Gemisch stabil , da nur wenige Reaktionen zwischen den Stoffanteilen ablaufen, erst bei u erer Einwirkung kommt es zur

Z ndung.

Brennstoffe der Pyrotechnik

Holzkohle in Schie pulver und Feuerwerkskörpern

Zucker in Rauch- und Nebelsätzen

Verbindungen mit Schwefel, Silicium oder Bor erzeugen besonders viel Energie bei der Oxidation und erzeugen keine gasf rmigen

Verbrennungsprodukte; kommen vor allem in Verzögerungsz ndern zum Einsatz

Aluminium, Magnesium oder Titan verbrennen bei hohen Temperaturen mit glei end hellem Licht

Farbeffekte

Die Farbe eines Lichtstrahls hängt von seiner Wellenl nge ab. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge zwischen 3 0 (violett) und 80 rot) Nannometern

(=Millionstel Millimeter). Ein Gegenstand erscheint wei , wenn er Licht im gesamten Spektrum aussendet. Wenn er er sein Licht dagegen in einem

engen Spektrum abgibt, dann zeigt er die Farbe des jeweiligen Bereichs.

Die Farben bei pyrotechnischen Reaktionen entstehen im wesentlichen aufgrund von 3 verschiedenen

Prozessen

Gl hen (= Schwarzkörperstrahlung) Atomemission

Molekülemission

Das Gl hleuchten tritt auf, wenn feste oder fl ssige Teilchen in der Flamme auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Die hei en Partikel strahlen ihre

Energie ber ein breites Spektrum verteilt ab. Je höher die Temperatur um so kürzer ist die Wellenlänge bei der das meiste Licht emittiert wird. Die

Intensität w chst proportional zur vierten Potenz der Flammentemperatur, d h. eine ein wenig hei ere

Flamme strahlt deutlich heller.

Magnesium

Bei der Verbrennung von Magnesium bilden sich feste Metalloxid Teilchen, die sich auf mehr als 0 0 °C

erhitzen, und dabei weiß glühen.

Im Gemisch mit Kaliumperchlorat produziert feines Magnesium oder Aluminiumpulver eine kräftige

Explosion in Verbindung mit einem wei en Lichtblitz

Verwendung: Knallkörper, Show-Effekte, Lichtquelle für Nachtaufnahmen grö ere Metallteilchen

Sie kühlen nicht so schnell ab wie Pulver und brennen daher weiter Den Sauerstoff sie beziehen aus der

Luft, es entstehen

wei e Funken anstatt Blitze. Je gr er die Teilchen sind, um so länger leuchten die Funken

Holzkohle / Eisenteilchen

werden nicht so heiß wie aktive Metallpartikel (um die 0 °C)

produzieren schwächere Goldfarbene Lichtpunkte

Natrium

strahlt oberhalb von 8 0 °C

gelb-oranges Licht, Wellenl nge 89 Nanometern

das Leuchten ist so intensiv, das leicht jede andere Atomare oder Molekulare Lichtquelle berdeckt wird selbst kleine Verunreinigungen mit Natrium können eine gewollte Farbe berdecken

seine hohe Lichtkraft ist aber auch für bestimmte Zwecke gewollt:

Die amerikanische Armee verwendet Granaten mit Natriumnitrat als Oxidationsmittel und metallischem

Magnesium als Brennstoff zur

Beleuchtung bei Nachteinsätzen

Molekülemission

ein Elektron im Molekül emittiert Licht

die Flamme darf aber nicht zu heiß sein, weil sich das Molekül sonst zersetzt und kein Licht abstrahlt

die Moleküle müssen in einer genügend hohen Konzentration vorliegen, es sollten aber wenige feste oder flüssige Teilchen gebildet werden, weil

sie mit ihrer intensiven Wei glut die gewollte Farbe berdecken könnten

die farbgebenden Komponenten

frühe fand man gew nschte Farben durch ausprobieren

heute ist es mit den Regeln von Kirchhoff möglich gezielt eine Farbe zu finden Strontiumverbindungen rote Farbtöne (6 5 - 6 2 Nanometer) Bariumverbindungen grüne Farbtöne (z B : Bariumchlorid: 5 7 - 32 Nanometer) Monochloridverbindungen:

instabil, nur bei Flammentemperatur kurzzeitig beständig höchste Strahlungsausbeute im sichtbaren Licht

Dichloridverbindungen:

stabiler jedoch wasseranziehend

deswegen werden die Monochloride erst beim Verbrennen durch eine Reaktion aus einem Metallsalz und einer Chlorquelle

Bsp: chloriertes Gummi oder PVC werden Brennstoffe, oder Perchlorate oder Chlorate als

Oxidationsmittel)

diese Verbindungen zersetzen sich bei hohen Temperaturen unter Abgabe von Chloratomen, welche sich mit Barium oder Strontium verbinden

=>> stark strahlende Monochloride werden erzeugt

Blau

schwierig zu erzeugen

bisher bester Stoff ist Kupfermonochlorid

es ist bei den hohen Temperaturen, die f r das Gl hen notwendig sind gerade noch beständig wenn sich die Flamme zu stark erhitzt zersetzt es sich

deswegen müssen die relativen Mengen genau eingestellt werden, und die Teilchengrö e muß angepa t

sein

Violett dito

Kombination von Strontium und Kupferchlorid

Kombination

färbende Substanzen mit geeigneten Brennstoffen und Oxidationsmittel

z.B. rotes Funkenspr hen, Strontiumcarbonat in Verbindung mit Aluminiumgranulat + Brennstoff + Bindemittel + Oxidationsmittel zu Brei vermengt, man bringt Masse auf Dr hte auf

Aufbau eines Feuerwerkskörpers zylindrische

'amerikanisch-europ ischer Typ' Durchmesser 7 bis 3 cm

werden aus Mörserröhren abgeschossen

eine Ladung Schwarzpulver bringt das Geschoß in die Luft, zugleich brennt ein Verzögerungszünder, der einige Sekunden sp ter

eine . Ladung Schwarzpulver zur Explosion bringt, das Geh use wird gesprengt, kleine Kügelchen werden gezündet und

auseinandergesprengt

alternativ kann der Böller auch einen Knallsatz enthalten = >> Knall + Lichtblitz runde

japanische Chrysanthemenbomben'

die Farbk gelchen sind um die Schwarzpulverladung herum angebracht bei der Explosion ergibt sich eine symmetrische Verteilung

wenn mehrere Schichten verschiedener Stoffe angeordnet sind, kann man Farbwechseleffekte erzeugen

W rme

Kopf eines Z ndholzes: Gemisch aus Kaliumchlorat und Schwefel + Bindemittel =Leim), bis zu 20 0 °C Calciumsilicid als Brennstoff + Eisenoxid erzeugt W rme ohne Gasentwicklung ==>> Konservendosen

im . Weltkrieg hatten dieses Gemisch

unten drunter, so konnte das Essen ohne Herd erwärmt werden

Verzögerungsz nder (gepre te Stangen, mit Gemischen aus Bor Wolfram Silicium als Brennstoff, entwickeln ber eine Zeitspanne hinweg, eine

genau definierte W rmemenge

Einsatz: Bolzen im Schleudersitz, Absprengen von Raketentriebwerken

Rauch

Farbnebelgranaten f r Tagfeuerwerke oder Signalgeber

enthalten Kaliumchlorat als Oxidationsmittel und Zucker als Brennstoff

der entz ndete Zucker l t organische Stoffe zu einem Aerosol verdampfen

Zucker gut geeignet da es schon bei niederen Temperaturen brennt, höhere Temperaturen würden die Farbstoffe zerstören