3. WIRKUNG

Sehen wir uns einmal die Bestandteile des Schwarzpulvers an, diese bestehen aus Holzkohle, Schwefel und Kaliumnitrat, und vergleichen ihn mit anderen pyrotechnischen Sätzen, so fällt doch auf, daß es sich ausschließlich um Feststoffe handelt, die möglichst fein gepulvert und gut durchmischt sind. Doch wie kommen diese herrlichen Farb-, Rauch- und Funkeneffekte überhaupt zustande?

Jeder Feuerwerkskörper besteht aus einer oxidierenden Komponente, in der Regel sind dies die Sauerstoffträger, und einen oder mehreren reduzierenden Bestandteilen, die in der Pyrotechnik allgemein als Brennstoff bezeichnet werden. Die Wirkung der wundervollen Zauberei mit dem Feuer beruht also schlicht und einfach auf Redoxreaktionen, die jedoch recht kompliziert und schwierig in chemischen Formeln zu beschreiben sind. Wenige Redoxreaktionen sind bis heute genauestens untersucht worden, und die Firmen, die diese pyrotechnischen Erzeugnisse herstellen, setzen meistens auf Erfahrungswerte, die noch nie genau berechnet wurden. Bei einer Fülle von Inhaltsstoffen ist es sehr schwierig, den Reaktionsverlauf zu bestimmen. Bevor wir uns aber Gedanken zu den einzelnen Mischungen machen, wollen wir deren Bestandteile etwas näher charakterisieren.

 

Oxdidationsmittel

Als Oxidationsmittel dienen in der Hauptsache die Salze von sauerstoffreichen anorganischen Säuren. Vor allem die Nitrate, Chlorate und Perchlorate. Es können aber auch Oxide und Peroxide sowie Sulfate die Rolle des Sauerstofflieferanten einnehmen.

 

Brennstoffe

Als Brennstoffe werden dagegen eher die organischen Verbindungen als Reduktionsmittel eingesetzt. Hauptsache sie besitzen genug Kohlenstoff und Wasserstoff. Holzkohle ist hierfür ein sehr gutes Beispiel. Aber auch Polyvinylchlorid kann dafür geeignet sein, jedoch weniger in umweltbewußterem jugendfreiem Feuerwerk. Hierfür werden hauptsächlich leicht oxidierbare Metalle verwendet, wie z.B. Magnesium und Aluminium. Zink, Mangan und Eisen werden auch häufig benutzt. Als Nichtmetalle kommen noch Schwefel und Phosphor in Frage.

 

Katalysatoren und Inhibitoren

Um Abbrandverhalten und Geschwindigkeit zu regulieren, werden Katalysatoren zur Beschleunigung und Inhibitoren zur Verlangsamung der Pulverreaktionen benutzt. Katalysatoren setzen im allgemeinen die Zersetzungstemperaturen herab. Die größte Bedeutung haben sie bei den Chloraten und Perchloraten. Hier sind es meistens Schwermetallsalze und die Oxide Co2O3, Cr2O3, MnO2, Fe2O3, Ni2O3, CuO, TiO2 sowie PbO2 und Pb3O4. Einige davon wirken schon in Konzentrationen von 10-3 bis 10-1 Prozent. Die Zersetzung von Nitraten wird durch Kupferchromit, Bleidioxid oder Kaliumchromat katalysiert.

Als Inhibitoren werden entweder Inertstoffe benutzt, die sich am Reaktionsgeschehen nicht beteiligen, oder organische Stoffe, deren Zersetzung eine beträchtliche Energiemenge erfordert. Inertstoffe sind z.B. Carbonate und Sulfate.

 

Andere Bestandteile

Wichtige Begleitstoffe sind flammenfärbende Zusätze, vor allem Salze der Alkali- und Erdalkalimetalle, sofern diese nicht schon in den Oxidationsmitteln enthalten sind.

Für die Rotfärbung sind Strontiumoxalat, -carbonat und –nitrat zuständig, für die Grünfärbung Bariumoxalat, -chlorat und nitrat.

Ansonsten sind Bindemittel, wie Dextrin und Stärke zu nennen, die z.B. in Wunderkerzensätzen verwendet werden.

 

 

3.1. Funktionsweise und Effekt von „Polar-Wunderkerzen“

Als Oxidationsmittel wird in Wunderkerzen Bariumnitrat verwendet. Dieses reagiert zusammen mit dem Aluminium und dem Eisen und oxidiert diese Brennstoffe. Es selber wird zu Bariumnitrit reduziert. Das Dextrin spielt dabei die Rolle als Bindemittel.

Das Resultat ist ein herrlicher Funkenflug aus glühenden Eisenpartikeln, die bei genauerer Betrachtung unter der Hochgeschwindigkeitskamera aus vielen glühenden Punkten bestehen und sich manchmal in der Luft nochmals teilen.

3.2. Funktionsweise und Effekt von „Knallteufel“

 

In Knallteufeln ist Silberfulminat enthalten, das sich schon bei geringem Druck zersetzt. Schon ab einer Fallhöhe von ca. 40 cm auf Steinboden explodiert die Papierhülle eines Knallteufels, und man hört einen lauten Knall. Dies entspricht einer momentanen Geschwindigkeit von ca. 10 km/h beim Aufprall. Die Zersetzungsprodukte sind mir unbekannt.

 

3.3. Funktionsweise und Effekt von „Geisterlichter“ (grün)

 

Diese Fontäne besteht aus drei Schichten: Die erste Schicht besteht aus dem sog. Anzündsatz. Anzündsätze bestehen aus leicht entzündlichen pyrotechnischen Sätzen, die eine hohe Reaktionstemperatur ergeben und zum Anzünden schwer entzündlicher Effektsätze verwendet werden. Die Gemische enthalten in den meisten Fällen Schwarzpulver oder abgewandelte Schwarzpulvervarianten.

Die zweite Schicht besteht aus dem Effektsatz und ist der Kern des Feuerwerkkörpers. In diesem Fall ist es ein Leuchtsatz. Leuchtsätze werden in der Pyrotechnik in großen Mengen hergestellt. Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz ist die maximale Wellenlänge der Emission um so geringer, je höher die Temperatur ist. Im sichtbaren Bereich des Spektrums liegt das Maximum der Strahlungsemission erst bei Temperaturen über 3000 K [10]. Durch geeignete Kombination von Oxidationsmittel und Brennstoff muß also eine hohe Verbrennungstemperatur erzeugt werden. Bei der Reaktion sollten Verbrennungsprodukte entstehen, die sehr hohe Schmelz- und Zersetzungstemperaturen besitzen. In der Praxis erweisen sich die Brennstoffe Magnesium und Aluminium als geeignet. Aluminium wurde ja bereits in dem Leuchtsatz nachgewiesen. Chloride geben die besten Flammenfärbungen und die höchste Lichtausbeute. Deswegen werden häufig den Leuchtsätzen Halogenträger wie PVC beigemischt. Als Farberzeuger werden aus Gründen der Toxizität und Hygroskopizität Alkali- und Erdalkalimetalle verwendet. Bei der grünen Fontäne besteht wahrscheinlich der größte Teil aus Bariumnitrat. Bariumoxalat oder –chlorat wären aber auch gute Farberzeuger.Als dritte und letzte Schicht ist unter dem Effektsatz noch ein Treibsatz zu entdecken. Dieser Anfeuerungssatz ist im Prinzip dasselbe wie ein Anzündsatz, jedoch ist dieser für das Herausschleudern von Partikeln zuständig.

Für etwa 10 Sekunden „speiht“ die Fontäne grünes Feuer, das von heraussprühenden Funken begleitet wird.

3.4. Funktionsweise und Effekt von „Dicke Brummer“

Als Brennstoff wird hier Aluminium und Eisen verwendet, und die Oxidationsmittel sind Barium- und Strontiumnitrat. Möglicherweise werden aber auch Oxalate oder Chlorate der beiden Elemente benutzt. Natrium müßte auch enthalten sein. Da die Chemikalien auch einen Leuchtsatz bilden, spielt auch hier die hohe Temperatur eine wesentliche Rolle.

Dieser Feuerwerkskörper sprüht nach Anzünden eine beachtliche Menge an Funken und wird zunächst rot, anschließend grün, danach gelb und „tanzt“ während dieser Zeit auf der Stelle herum und macht laute Zischgeräusche.


 

3.5. Funktionsweise und Effekt von „Tolle Biene“

Dieser pyrotechnische Satz ist ähnlich wie „Dicker Brummer“ aufgebaut, ist aber kleiner. Auch hier ist Aluminium der Brennstoff. Eisenpulver und Magnesium könnten aber aufgrund der Funken genauso gut enthalten sein. Als Oxidationsmittel werden Nitrate und wenig Chlorate verwendet.

Nachdem dieser Feuerwerkskörper entzündet ist, sprüht er Funken und wechselt die Farbe von grün über rot zu gelb und wieder zu grün.

 

3.6. Funktionsweise und Effekt von „Feuerwirbel“

 

„Feuerwirbel“ sind so ähnlich aufgebaut wie Schwarzpulver, enthalten aber noch Aluminium. An dieser Stelle sei zur Demonstration der Komplexität die Verbrennungsgleichung von Schwarzpulver nach heutigem Stand aufgeführt:

74 KNO3 + 30 S + 16 C6H2O (Kohle) Þ 56 CO2 + 14 CO + 3 CH4 + 2 H2S + 4 H2 + 35 N2 + 19 K2CO3 + 7 K2SO4 + 2 K2S + 8 K2S2O3 + 2 KCNS + (NH4)2CO3 + C + S

Nach Anzünden eines „Feuerwirbels“ dreht sich dieser unter leichtem Funkensprühen im Kreis. Der Satz dient also als Treibladung.

3.7. Funktionsweise und Effekt von „Flitze Feuerstein“

„Flitze Feuerstein“ verwendet wahrscheinlich auch eine Art Schwarzpulver als Treibladung, die für das Ausstoßen der Effekt-Kügelchen verantwortlich ist. Zusätzlich ist aber noch Aluminium als Brennstoff vorhanden und feines Eisen für die Funken.
Nachdem man den Vulkan angezündet hat, sprüht er Funken und wirft kleine Kügelchen heraus, die mal grün, mal weiß und mal rot leuchten.

 

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