Chemie-Physik

Vortrag von Thomas Hagen im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", WS 2001/2002

Gliederung:

Die Treibladung: Schwarzpulver
    Historische Betrachtung
    Zusammensetzung
    Chemische Reaktion
Die Effektfüllung: Farbsäze
    Komponenten verschiedener Mischungen
    Chemische Erklärung der Farbe
    Experiment
Vergleich Bombenbild und Raketenbild

Die Treibladung: Schwarzpulver

Historische Betrachtung

Das Schwarzpulver wurde vermutlich in Indien durch Zufall entdeckt. Es ist schon seit dem Jahre 1000 bekannt. Sein Einsatz war damals hauptsächlich zu friedlichen Zwecken, wie den großen Feuerwerken der Könige Ludwig XIV. und XV. im Barock und Rokoko. Im 13. Jahrhundert wurde die Mischung vom Franziskanermönch Berthold Schwarz verbessert.
Die Verwendung in der Pyrotechnik ist darauf hinauszuführen, dass Schwarzpulver gegenüber von anderen gewerblichen Sprengmitteln eine wesentlich niedrigere Detonationsgeschwindigkeit hat.

Bezeichnung	Zusammensetzung	Detonations- geschwindigkeit (^m/s)
Sprenggelatine	Nitroglycerin Kollodiumwolle	7700
Wetter-Nobelit B	Nitroglycerin Holzmehl Ges. Kalksalpeterlösung Ammonsalpeter Kochsalz	5600
Ammonsalpeter	Ammonsalpeter	2500
Schwarzpulver	Kaliumnitrat Holzkohle Schwefel	300 - 500

Zusammensetzung

Die Zusammensetzung von Schwarzpulver variiert sehr stark je nach Verwendungszweck. Hiermit kann man zum Beispiel die Abbrandgeschwindigkeit ändern: wird der Kaliumnitratgehalt erhöht, verbrennt das Pulver heftiger. Durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts verbrennt es langsamer, was zum Beispiel bei Raketentreibsätzen ausgenützt wird. Das bekannteste Mengenverhältnis von 75 : 15 : 10 ist nur ein Mittelmaß. In der Tabelle sind die Grenzen angegeben in denen die Zusammensetzungen schwanken. Auch wird eine Mischung von Kaliumnitrat und Holzkohle im Verhältnis 80 : 20 für bestimmte Zwecke verwendet.

Pyrotechnischer Name	Chemischer Name	Summenformel	Massenanteil	Einheit
Salpeter	Kaliumnitrat	KNO₃	65 - 80	%
Holzkohle	Kohlenstoff	C	10 - 25	%
Schwefelblüte	Schwefel	S₈	10 - 20	%

Chemische Reaktion

Bei der Verbrennung von Schwarzpulver laufen viele verschiedene Reaktionen, teilweise sehr komplexe, ab.
Im Folgenden sind die wichtigsten zusammengestellt.

Hauptgleichungen:

S + 2 KNO₃ K₂SO₄+ 2 NO

3 C + 2KNO₃K₂CO₃ + N₂ + CO₂+ CO

Das bei der Schwarzpulverreaktion entstandene Kaliumnitrit bildet mit Schwefel u.a. Distickstoffoxid.

Explosionsreaktionen:

N₂O + CO N₂ + CO₂

NO + CO ¹/₂N₂ + CO₂

Weitere Produkte (aus ca. 1kg Schwarzpulver)

	2300 l Gas (710 l N₂, 1130 l CO₂, 280 l CO, 60 l CH₄, 40 l H₂ S, 80 l H₂ bei 25° Celsius)
	0,6 kg Rauch (290 g K₂CO₃, 110 g K₂SO₄, 125 g K₂S₂O₃, 30 g K₂S₂, 30 g KSCN, 15 g (NH₄)₂CO₃)

Die Effektfüllung: Farbsätze

In Feuerwerkskörpern werden viele verschieden Effektfüllungen verwendet. Hier werden die Farbsätze behandelt und die Farben Rot, Grün und Blau vorgestellt. Man kann durchaus vielfältige Effekte durch verschiedene Verteilung der Sterne (so nennt man die zu kugelförmig oder zylindrisch gepressten Effektpulver) in Bomben, wie auch durch Übereinanderschichtung unterschiedlicher Pulvermischungen erzielen. Wen dies interessiert, kann den im unten angegebenen Literaturverzeichnis Link besuchen und sich die Bilder unter Gallery anschauen.

Komponenten verschiedener Mischungen

Farben Chemikalien	rot	grün	blau
Kaliumperchlorat			60
Strontiumnitrat	65
Magnesium	15	32
Polyvinylchlorid	20	18	7
Bariumnitrat		50
Schwefel			5
Kupferhydroxidcarbonat			20
Bindemittel			8

Chemische Erklärung der Farbe

Durch Anregung wird ein Elektron in einen angeregten Zustand gebracht. Wenn es von der höheren Schale wieder in den Grundzustand zurückspringt, wird der zwischen beiden Schalen vorherrschende Energieunterschied in Form von Lichtemission frei.

Die Formel dazu lautet: Lambda = h * c / dE

Experiment

Verbrennung von Bengalmischungen:

1. Die Mischung für den roten Farbsatz 2. Die Mischung für den grünen Farbsatz

	75 g Stontiumnitrat
	2,7 g Holzkohlepulver
	32 g Schwefelblüte
	63 g Kaliumchlorat

	75 g Bariumnitrat
	2,7 g Holzkohlepulver
	32 g Schwefelblüte
	63 g Kaliumchlorat

Vorsicht: Kaliumchlorat einzeln zermörsern und dann unter die anderen Bestandteile vorsichtig untermischen. Unter Reibung kann Kaliumchlorat mit Schwefel explodieren.

Vergleich Bombenbild und Raketenbild

Wenn man ein Feuerwerk mal etwas genauer betrachtet, dann kann man deutlich den Unterschied zwischen einer Bombe und einer Rakete feststellen. Dies kommt von einer kugelförmigen Explosion der Bombe, während bei der Rakete die Effektfüllung nur nach oben ausgeworfen wird.