Pyrotechnik

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

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 näher zu ergründen. Daraus ist
eine neue Wissenschaftsdispziplin entstanden: die Pyrotechnik.
Die Pyrotechnik befaßt sich aber nicht ausschließlich mit Feuerwerkskörpern. Sowohl Feststoffantriebsraketen, Leucht- und Signalfeuer oder auch
Zündhölzer falle in ihr Aufgabenbereich.

Schwarzpulver

Es ist eines der ältesten Pyrotechnischen Stoffe und dient zugleich als Treibsatz wie auch Sprengladung. Es wurde von den Chinesen vor etwa 1000
Jahren entwickelt. Zuerst verwendete man es nur für einfache Raketen und Knallkörper. Erst im Mittelalter wurde die Rezeptur dafür auch in Europa
bekannt, der englische Mönch Roger Bacon verriet 1242 eine Formel für das Gemisch, um sich gegen die Anklage in einem Hexerei-Prozeß zu

verteidigen.
Das Schwarz- bzw. Schießpulver revolutionierte die Arbeit in Steinbrüchen, ebnete aber auch den Weg für grausame Kriege.

An der Grundformel hat sich seit Jahrhunderten nichts geändert:

75% 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 Oberflächen der Stoffe stattfinden. Das bedeutet, da die Stoffe als Granulat vorliegen, ist die Reaktions-Fläche
sehr begrenzt. Wird der Stoff nun erhitzt so verflüssigen sich die Körner und die Stoffe mischen sich auf molekularer Ebene, die Reaktionsfläche
wächst. Die Reaktion kommt in Gang. Bei Druckeinwirkung verhält es sich genau so.

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

Brennstoffe der Pyrotechnik

Holzkohle in Schießpulver und Feuerwerkskörpern
Zucker in Rauch- und Nebelsätzen
Verbindungen mit Schwefel, Silicium oder Bor erzeugen besonders viel Energie bei der Oxidation und erzeugen keine gasförmigen
Verbrennungsprodukte; kommen vor allem in Verzögerungszündern zum Einsatz
Aluminium, Magnesium oder Titan verbrennen bei hohen Temperaturen mit gleißend hellem Licht

Farbeffekte

Die Farbe eines Lichtstrahls hängt von seiner Wellenlänge ab. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge zwischen 380 (violett) und 780 (rot) Nannometern
(=Millionstel Millimeter). Ein Gegenstand erscheint weiß, 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:

Glühen (= Schwarzkörperstrahlung)

Atomemission
Molekülemission

Das Glühleuchten tritt auf, wenn feste oder flüssige Teilchen in der Flamme auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Die heißen Partikel strahlen ihre
Energie über ein breites Spektrum verteilt ab. Je höher die Temperatur um so kürzer ist die Wellenlänge bei der das meiste Licht emittiert wird. Die
Intensität wächst proportional zur vierten Potenz der Flammentemperatur, d.h. eine ein wenig heißere Flamme strahlt deutlich heller.

Magnesium

Bei der Verbrennung von Magnesium bilden sich feste Metalloxid Teilchen, die sich auf mehr als 3000 °C erhitzen, und dabei weiß glühen.
Im Gemisch mit Kaliumperchlorat produziert feines Magnesium oder Aluminiumpulver eine kräftige Explosion in Verbindung mit einem
weißen Lichtblitz
Verwendung: Knallkörper, Show-Effekte, Lichtquelle für Nachtaufnahmen


größere Metallteilchen

Sie kühlen nicht so schnell ab wie Pulver und brennen daher weiter Den Sauerstoff sie beziehen aus der Luft, es entstehen
weiße Funken anstatt Blitze. Je größer die Teilchen sind, um so länger leuchten die Funken

Holzkohle / Eisenteilchen

werden nicht so heiß wie aktive Metallpartikel (um die 1500 °C)
produzieren schwächere Goldfarbene Lichtpunkte


Natrium


strahlt oberhalb von 1800 °C
gelb-oranges Licht, Wellenlänge 589 Nanometern
das Leuchten ist so intensiv, das leicht jede andere Atomare oder Molekulare Lichtquelle überdeckt wird
selbst kleine Verunreinigungen mit Natrium können eine gewollte Farbe überdecken
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 Weißglut die gewollte Farbe überdecken könnten

die farbgebenden Komponenten

frühe fand man gewünschte Farben durch ausprobieren
heute ist es mit den Regeln von Kirchhoff möglich gezielt eine Farbe zu finden
Strontiumverbindungen rote Farbtöne (605 - 682 Nanometer)
Bariumverbindungen grüne Farbtöne (z.B.: Bariumchlorid: 507 - 532 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 für das Glühen 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 Teilchengröße muß angepaßt sein

Violett
dito
Kombination von Strontium und Kupferchlorid
Kombination
färbende Substanzen mit geeigneten Brennstoffen und Oxidationsmittel
z.B. rotes Funkensprühen, Strontiumcarbonat in Verbindung mit Aluminiumgranulat + Brennstoff +
Bindemittel + Oxidationsmittel zu Brei vermengt, man bringt Masse auf Drähte auf


Aufbau eines Feuerwerkskörpers


zylindrische

\"amerikanisch-europäischer Typ\"
Durchmesser 7 bis 30cm
werden aus Mörserröhren abgeschossen
eine Ladung Schwarzpulver bringt das Geschoß in die Luft, zugleich brennt ein Verzögerungszünder, der einige Sekunden später
eine 2. Ladung Schwarzpulver zur Explosion bringt, das Gehäuse wird gesprengt, kleine Kügelchen werden gezündet und
auseinandergesprengt
alternativ kann der Böller auch einen Knallsatz enthalten == >> Knall + Lichtblitz


runde

japanische \"Chrysanthemenbomben\"
die Farbkügelchen 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

Wärme

Kopf eines Zündholzes: Gemisch aus Kaliumchlorat und Schwefel + Bindemittel(=Leim), bis zu 2000 °C
Calciumsilicid als Brennstoff + Eisenoxid erzeugt Wärme ohne Gasentwicklung ==>> Konservendosen im 1. Weltkrieg hatten dieses Gemisch
unten drunter, so konnte das Essen ohne Herd erwärmt werden
Verzögerungszünder (gepreßte Stangen, mit Gemischen aus Bor/Wolfram/Silicium als Brennstoff, entwickeln über eine Zeitspanne hinweg, eine
genau definierte Wärmemenge
Einsatz: Bolzen im Schleudersitz, Absprengen von Raketentriebwerken


Rauch

Farbnebelgranaten für Tagfeuerwerke oder Signalgeber
enthalten Kaliumchlorat als Oxidationsmittel und Zucker als Brennstoff
der entzündete Zucker läßt organische Stoffe zu einem Aerosol verdampfen
Zucker gut geeignet da es schon bei niederen Temperaturen brennt, höhere Temperaturen würden die Farbstoffe zerstören