Für viele Menschen auf der ganzen Welt werden die allerersten Momente des neuen Jahres von den Klängen und farbenfrohen Lichtshows eines Feuerwerks erfüllt sein. Von lauten Knallgeräuschen bis zu langen Pfiffen, von leuchtenden Rottönen bis hin zu blassen Blautönen gibt es Tausende von Variationen von Feuerwerkskörpern und einen ganzen Zweig der Chemie, der sich mit diesen lustigen Explosionen beschäftigt.
Ich bin Chemiker und Präsident der Pyrotechnics Guild International, einer Organisation, die den sicheren Einsatz von Feuerwerkskörpern und deren Verwendung zur Feier von Feiertagen wie Neujahr fördert.
Es gibt Hunderte chemischer Formeln – oder wie ich sie gerne beschreibe, pyrotechnische Rezepte – für Feuerwerkskörper. Diese Rezepte basieren immer noch auf einer uralten Mischung von Chemikalien, die den typischen Knall erzeugt, aber moderne Feuerwerkskörper nutzen alle Arten chemischer Magie, um die unglaublichen Shows von heute zu inszenieren.
Alles beginnt mit Schwarzpulver
Die erste Zutat eines jeden Feuerwerks ist das uralte explosive Schwarzpulver. Es wurde vor mehr als tausend Jahren von chinesischen Alchemisten entdeckt und das Rezept ist in den folgenden Jahrhunderten praktisch unverändert geblieben. Um Schwarzpulver herzustellen, müssen Sie lediglich 75 % Kaliumnitrat, 15 % Holzkohle und 10 % Schwefel mischen. Um ein einfaches Feuerwerk oder einen Kracher herzustellen, geben Sie dieses Pulver einfach in einen Behälter, der normalerweise aus dickem Karton oder Papier besteht.
Schwarzpulver wird verwendet, um das Feuerwerk in die Luft zu schleudern und die Effekte – wie die Farbe – zu entzünden und in ein Muster am Himmel zu treiben. Wie funktioniert es also?
Sobald der Schwefel mit einer Zündschnur oder einem Funken angezündet wird, schmilzt er zunächst bei 112,8 °C. Der Schwefel fließt über das Kaliumnitrat und die Holzkohle, die dann verbrennen. Bei dieser Verbrennungsreaktion entsteht schnell eine große Menge Energie und Gas – also eine Explosion. Wenn ein kleines Loch vorhanden ist, durch das das Gas entweichen kann, wird das Feuerwerk durch die Reaktion in die Luft geschleudert. Auf engstem Raum sprengt es die Bestandteile des Feuerwerks auseinander und entzündet alles in der Nähe.
Eine Änderung der Größe der Pulverkörnchen kann nicht nur die Konzentration des Schwarzpulvers verändern, sondern auch die Geschwindigkeit, mit der es brennt. Denken Sie an ein Lagerfeuer. Wenn Sie einen großen Ast hinzufügen, brennen die Flammen länger und langsamer. Wenn Sie eine Handvoll Sägemehl in die Flamme werfen, brennt es heiß und schnell. Schwarzpulver funktioniert ähnlich und ermöglicht so eine einfache Kontrolle darüber, wie viel und wie schnell Energie freigesetzt wird.
Unterschiedliche Chemikalien für unterschiedliche Farben
Wenn man sehr feines Schwarzpulver auf engstem Raum einbringt, explodiert es in einer Wolke aus Hitze, Gas und Lärm. Woher kommen also die Farben und das helle Licht?
Wenn Sie ein Material erhitzen, übertragen Sie in Wirklichkeit Energie in die Elektronen der Atome dieses Materials. Wenn Sie die Elektronen ausreichend anregen, geben sie die überschüssige Energie als Licht ab, wenn sie auf ihr normales Energieniveau zurückfallen.
Es gibt eine Reihe verschiedener Elemente, die, wenn sie einem Feuerwerk hinzugefügt und erhitzt werden, Licht unterschiedlicher Wellenlängen freisetzen, die in unterschiedlichen Farben erscheinen. Strontium macht Rot. Barium erzeugt Grün. Kupfer brennt blau und so weiter.
Die Herstellung von Feuerwerkskörpern, die Blues erzeugen, ist seit langem eine Herausforderung für Feuerwerkschemiker. Tiefe Blautöne sind zu dunkel und können am Nachthimmel nicht gesehen werden. Ist das Blau jedoch zu hell, erscheint es weiß. Die Wellenlänge des „perfekten Blaus“ muss also sehr präzise sein. Dies ist schwer zu erreichen, da blaues Licht eine kürzere Wellenlänge hat – was bedeutet, dass die Abstände zwischen den Spitzen und Tälern der Lichtwelle sehr nahe beieinander liegen.
Bestimmte Elemente erzeugen unterschiedliche Farben, aber was ist mit Glitzern und Blitzen? Um diese Effekte zu erzielen, können den pyrotechnischen Formeln verschiedene Metalle zugesetzt werden. Aluminium, Magnesium und Titan erzeugen alle weiße Funken. Durch die Zugabe von Eisen entstehen goldene Funken. Beim Mischen verschiedener Holzkohlesorten können rote und orangefarbene Funken entstehen. Jedes dieser Elemente brennt mit einer anderen Geschwindigkeit und auf eine andere Art und Weise und erzeugt so unterschiedliche Farben und Intensitäten des Lichts.
Einen Pfiff oder einen Boom machen
Der krönende Abschluss eines guten Feuerwerks ist ein spannender Soundeffekt.
Um einem Feuerwerk Soundeffekte hinzuzufügen, benötigen Sie eine Formel, die sehr schnell eine große Menge Gas erzeugt. Wenn ein Feuerwerk eine kleine Öffnung hat, durch die das Gas austreten kann, erzeugt es ein Pfeifgeräusch. Die Geschwindigkeit des Gases und die Größe der Öffnung verändern die Tonhöhe und den Klang einer Pfeife.
Über den Autor
Paul E. Smith ist Vorlesungsdemonstrator für Chemie an der Purdue University.
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.
Einen Boom zu machen ist viel einfacher. Platzieren Sie einfach eine energetische Formel in einem begrenzten Raum, in den das Gas nirgends gelangen kann. Beim Zünden baut sich der Druck auf und das Feuerwerk explodiert und erzeugt einen plötzlichen Knall oder Knall.
Wenn Sie sich an Silvester das Feuerwerk ansehen oder im Hinterhof ein eigenes Feuerwerk abfeuern, wissen Sie jetzt, wie es funktioniert. Feuerwerk macht viel Spaß, aber die Explosionen und brennenden Chemikalien sind gefährlich – auch wenn sie in bunten Verpackungen daherkommen. Wenn Sie in Ihrer Stadt Verbraucherfeuerwerk legal abfeuern dürfen, gehen Sie bitte ordnungsgemäß damit um.
