Hell leuchtende aber gefährliche Pracht
(Feuerwerk virtuell)
Bildquelle: DECHEMA e.V.
Dieses Silvester können wir kein Feuerwerk zünden. Trotzdem - oder gerade deshalb - wollen wir uns wenigstens theoretisch mit der Feuerwerkskunst beschäftigen.
Die „Feuers-Kunst" oder Pyrotechnik ist uralt. Bereits die Schamanen der Steinzeit konnten durch eine Handvoll Bärlapp-Sporen in einem Feuer eine eindrucksvolle Verpuffung mit Blitz und Rauch erzeugen. In China war Schwarzpulver, das auch heute noch der Hauptbestandteil fast jeden Feuerwerks ist, schon vor über 1000 Jahren bekannt. In Europa hat der Mönch Berthold Schwarz vor etwa 400 Jahren diese Mischung aus Salpeter (Kaliumnitrat), Schwefel und Holzkohle wiedererfunden oder zumindest bekannt gemacht (die Historiker sind sich hier nicht ganz einig).
Das Verständnis der Chemie hat schließlich geholfen, Feuerwerkseffekte vielseitiger, farbenfroher und nicht zuletzt etwas gefahrloser zu machen. Aus chemischer Sicht ist ein Feuerwerk eine stark exotherme (wärmeabgebende) Reduktions-Oxidations- oder kurz Redox-Reaktion. Anstelle von Holz, das mit Luftsauerstoff verbrennt, reagiert im Schwarzpulver der 'Brennstoff’ Holzkohle als Reduktionsmittel mit dem Oxidationsmittel Salpeter. Dies reicht bereits für Knall, Blitz und Rauch aus.
Neben Brennstoff und Oxidationsmittel sind jedoch oftmals noch einige Zusatzmittel wie z.B. Reaktionsbeschleuniger (Katalysatoren), Farbgeber oder Bindemittel nötig, um einem Feuerwerk zu seiner ganzen Pracht zu verhelfen.
Um bunte Effekte am Himmel zu sehen, werden verschiedene Effektfüllungen in Feuerwerkskörper verwendet. Die verschiedenen Effekte erreicht man durch unterschiedliche Verteilung der Sterne (so wird kugelförmig gepresstes Effektpulver genannt). Als Träger für das Effektpulver dienen unter anderem Rapssamen, um die das Pulver in mehreren Schichten aufgetragen wird.
Frage (Klassenstufen 7-10, E und Q)
Farbige Leuchteffekte entstehen durch Stoffe, die aufgrund der Erwärmung nur bei einzelnen Farben, man sagt auch Spektrallinien, leuchten. Die Farben kann man deutlich sichtbar machen, wenn man die Metalle in eine Flamme gibt und das ausgesandte Licht durch ein Prisma in sein Farbspektrum zerlegt.
Doch wie heißen die Metallsalze, die sich hinter diesen Formeln „verbergen“ und in welcher Farbe leuchten diese Salze?
Doch wie heißen die Metallsalze, deren Formeln hier genannt sind: Wählt die richtige Bezeichnung aus.
KNO3
Kaliumnitrat
Calciumnitrat
Lösung:
Kaliumnitrat
BaCl2
Bariumchlorat
Bariumchlorid
Lösung:
Bariumchlorid
NaNO3
Nickelnitrat
Natriumnitrat
Lösung:
Natriumnitrat
SrCO3
Strontiumcarbonat
Samariumcarbonat
Lösung:
Strontiumcarbonat
In welcher Farbe leuchten diese Salze?
NaNO3
rot
grün
violett
gelb
Lösung:
gelb
SrCO3
rot
grün
violett
gelb
Lösung:
rot
BaCl2
rot
grün
violett
gelb
Lösung:
grün
KNO3
rot
grün
violett
gelb
Lösung:
violett
Frage (Klassenstufen 8-10, E und Q)
Und welche Spektrallinien / welches Spektrum gehört zu welchem Metallsalz?
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| Bildquelle: DECHEMA e.V. |
NaNO3
Spektrum 1
Spektrum 2
Spektrum 3
Spektrum 4
Lösung:
Spektrum 2
SrCO3
Spektrum 1
Spektrum 2
Spektrum 3
Spektrum 4
Lösung:
Spektrum 4
BaCl2
Spektrum 1
Spektrum 2
Spektrum 3
Spektrum 4
Lösung:
Spektrum 3
KNO3
Spektrum 1
Spektrum 2
Spektrum 3
Spektrum 4
Lösung:
Spektrum 1 (das einzige Spektum mit einer violetten Linie)
Frage (Klassenstufen 9-10, E und Q)
Ein intensives und lebendiges Blau ist auch heute noch eine große Herausforderung an die Feuerwerkshersteller und gilt in Fachkreisen als Erkennungsmerkmal für die Qualität eines Feuerwerks.
Im 19. Jahrhundert wurden blaue Farbeffekte durch ein Kupfer-Pigment mit der Bezeichnung Schweinfurter Grün (auch Pariser Grün, Mitisgrün, Patentgrün genannt) erzeugt, das unter anderem auch als Pflanzenschutzmittel benutzt wurde. Dieses Pigment mit der chemischen Formel Cu(O-CO-CH3)·3Cu(AsO2)2; Kupfer(II)-acetat-arsenat(III) wird aber schon lange in keiner Anwendung mehr benutzt.
Warum wohl?
Arsenat ist hochgiftig.
Das Pigment ist zu teuer, da die Stadt Schweinfurt sich die Herstellung schon früh patentieren ließ und dafür viel Geld verlangt.
Nach längerer Lagerung leuchtet Schweinfurter Grün tatsächlich nicht mehr blau sondern grün.
In der Bundespflanzenschutzmittelverordnung (BPfVO) ist festgelegt, dass Schweinfurter Grün ausschließlich zur Verwendung als Pflanzenschutzmittel hergestellt werden darf.
Lösung:
Arsenat ist hochgiftig.
Frage (Klassenstufen 10, E und Q)
Für helles, weißes Licht benutzt man sehr feines Metallpulver (Aluminium oder Magnesium), welches zusammen mit einem Oxidationsmittel als 'Blitz-Pulver' bekannt ist. Etwas weniger feine Metallpartikel ergeben Funken, die – z. B. auch in Wunderkerzen – etwas länger leuchten.
Die im Feuerwerk eingesetzte Holzkohle (und das Oxidationmittel) muss ebenfalls auf die 'richtige' Feinheit gemahlen werden, damit der Treibsatz nicht zu schnell und nicht zu langsam brennt.
Erklärt, warum die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion – wie der Verbrennung zweier Feststoffe – von der Größe der eingesetzten Partikel abhängt.
Lösung:
Festkörper können nur an der Partikeloberfläche miteinander reagieren. Je kleiner die Partikel sind, desto größer wird die Oberfläche. Klar? – Stellt euch vor, ihr habt einen Würfel, den ihr in zwei Hälften brecht. Die beiden Hälften haben in der Summe immer noch das gleiche Volumen und die gleiche Masse, die Oberfläche ist aber größer geworden. Nämlich genau um die beiden Flächen, die beim Auseinanderbrechen entstanden sind. An diesen Flächen könnte jetzt also noch eine zusätzliche Reaktion stattfinden, die vorher nur an den 'Außenflächen' möglich war.
Frage (Klassenstufen E und Q)
Leider weiß man seit langem, dass Feuerwerke nicht nur bunte Farben in den Himmel zaubern, sondern auch viel gesundheitsschädlichen Feinstaub freisetzen. Das Umweltbundesamt hat berechnet, dass jedes Jahr ungefähr 4.200 Tonnen Feinstaub durch Feuerwerkskörper entstehen. Dazu kommt eine ganze Menge Müll, den die meisten Menschen nach dem Feuerwerk leider nicht mitnehmen, sondern liegen lassen. Allein in den fünf größten deutschen Städten (Berlin, Hamburg, München, Köln, Frankfurt am Main) müssen rund 191 Tonnen Müll von den Straßen geräumt werden. Eine ganze Menge also!
Was bedeutet PM10 und PM2,5 in Bezug auf Feinstaub?
Lösung:
Feinstaub besteht aus einem komplexen Gemisch fester und flüssiger Partikel und wird abhängig von deren Größe in unterschiedliche Fraktionen eingeteilt. Unterschieden werden meist PM10- und PM2,5-Partikel (PM steht für „particulate matter“ – das Englische Wort für Feinstaub), welche einen maximalen Durchmesser von 10 Mikrometer (PM10) und 2,5 Mikrometer (PM2,5) aufweisen. Darüber hinaus gibt es ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometern. PM10 kann beim Menschen in die Nasenhöhle, PM2,5 bis in die Bronchien und Lungenbläschen und ultrafeine Partikel bis in das Lungengewebe und sogar in den Blutkreislauf eindringen. Je nach Größe und Eindringtiefe der Teilchen sind die gesundheitlichen Wirkungen von Feinstaub verschieden. Zum Schutz der menschlichen Gesundheit gelten europaweit Grenzwerte für die Feinstaubfraktionen PM10 und PM2,5. Die Tagesgrenzwerte betragen hierbei 50 µg/m3 für PM10 und 25 µg/m3 für PM2,5 im Jahresmittel. Sie dürfen nicht öfter als 35mal im Jahr überschritten werden. (Quelle: Umwelt Bundesamt).
In Deutschland werden jährlich pro Kleinfeuerungsanlage (so nennt man Öfen und Heizkessel) etwa 1,69 kg Feinstaub ausgestoßen.
Wie viele Öfen/Heizkessel müsste man theoretisch anfeuern um den jährlichen Feinstaubausstoß von Feuerwerkskörpern zu erreichen?
Lösung:
1,69 kg Feinstaub aus Öfen/Heizkesseln entsprechen 0,00169 Tonnen. Teilt man die 4200 Tonnen jährlichen Feinstaub durch Feuerwerkskörper durch die 0,00169 Tonnen, erhält man rund 2,49 Millionen. 2,5 Millionen zusätzliche Heizöfen müssten also daran arbeiten, den jährlichen Feinstaubausstoß von Feuerwerkskörpern in Deutschland zu produzieren.
Vielleicht könnt ihr unter diesem Aspekt einer Corona-bedingten Feuerwerkspause auch etwas Positives abgewinnen?