Chemie des Feuerwerks
28.06.2021
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Vor fast zwei Jahrtausenden im alten China entwickelt, werden Feuerwerkskörper heute weltweit bei kulturellen Feiern eingesetzt und von Menschen jeden Alters bewundert. Als eine der unterhaltsamsten Formen der Chemie sprechen Feuerwerkskörper unsere Seh- und Hörsinne an und bieten eine atemberaubende Vielfalt an Farben, Größen, Formen, Tönen und so weiter. Wir sehen uns Feuerwerke gerne an, weil sie uns mit ihrer Pracht und ihrem Geheimnis den Atem rauben.
Aber es geht nicht nur um Spaß und Spiel. Das Geschäft mit Feuerwerkskörpern (und der Bereich der Pyrotechnik im Allgemeinen) ist sehr ernst, da ihre Verwendung so sicher wie möglich und auch umweltfreundlich sein sollte. Neben Feuerwerkskörpern werden auch andere Pyrotechniken in verschiedenen Bereichen der Unterhaltung eingesetzt, wie z. B. bei Konzerten und in Filmen, sowie in ernsten Anwendungen zur Verteidigung und Sicherheit (z. B. für Sicherheitsmaßnahmen wie Leuchtraketen und Signallichter).
Woraus besteht ein Feuerwerk?
Früher waren Feuerwerkskörper recht gefährlich und wurden eher zum Schutz als zum Feiern verwendet und haben kaum Ähnlichkeit mit dem, was wir heute kennen.
Alles begann im alten China mit der Erfindung des Schießpulvers, das aus einer Mischung aus Holzkohle, Schwefel und Salpeter (Kaliumnitrat) hergestellt wurde. Nach und nach wurden neue Entwicklungen vorgenommen, um die Sicherheit und Vorhersehbarkeit der Verwendung dieser frühen Feuerwerkskörper zu erhöhen. So wurde mit Farben experimentiert und die Menschen begannen, sie verstärkt für gewaltfreie Zwecke zu verwenden. Heute gibt es eine ganze Industrie, die sich mit der Entwicklung aller Arten von Feuerwerkskörpern für Verbraucher und Profis gleichermaßen beschäftigt.
Unter den folgenden Links erfahren Sie mehr über die Geschichte des Feuerwerks:
![Querschnittsdarstellung einer mit Sterngarnituren (72) und Zünder (70) gefüllten Feuerwerkskapsel. [1]](https://s7e5a.scene7.com/is/image/metrohm/Fireworks-capsule-patent-1200px?ts=1739872384545&dpr=off&bfc=on "Querschnittsdarstellung einer mit Sterngarnituren (72) und Zünder (70) gefüllten Feuerwerkskapsel. [1]")
Ein Feuerwerkskörper oder eine Luftgranate, wie sie auch genannt wird, besteht neben dem Gehäuse im Wesentlichen aus drei Teilen: Schießpulver und einem Anzünder, um die Rakete zur Explosion zu bringen, und im Inneren der transportierten Kapsel an der Oberseite befinden sich kleine Garniturhülsen, die gewöhnlich "Sterne" genannt werden (obwohl sie die Form von Kugeln oder Zylindern haben, Abbildung 1, aus [1]), die verschiedene Chemikalien für die gewünschten Effekte enthalten. Sterne bestehen aus einem Farbstoff, einem Brennstoff, einem Oxidationsmittel (sauerstoffliefernde Substanz, z. B. Chlorate oder Nitrate) und einem Bindemittel, das die Mischung der Zutaten in einem kompakten Brikett zusammenhält.
Die Industrie hat viel Zeit in die Entwicklung von Feuerwerkskörpern investiert, die in Formen wie Sternen und Streifen, Herzen oder sogar komplexeren Formen wie Comic-Figuren oder Buchstaben und Zahlen explodieren können, wenn das Timing stimmt.
Bildung eines Regenbogens aus Farben
Die leuchtenden Farben von Feuerwerkskörpern entstehen durch die Verbrennung von Metallionen, die bis zu 20 % der Bestandteile ausmachen. Metalle wurden schon vor der Erfindung des modernen Feuerwerks zur Färbung von Flammen verwendet (z. B. bengalisches Feuer). Chemisch betrachtet ändern diese Metallionen ihren elektronischen Zustand durch Erhitzen (Zugabe von Energie) und kehren dann in einen zuvor niedrigeren Energiezustand zurück, bevor sie Licht in einer bestimmten Farbe aussenden.
| Farbe | Metall | Beispielverbindungen |
|---|---|---|
| Rot | Strontium (intensives rot) | SrCO3 (Strontiumcarbonat) |
| Lithium (mittelrot) | Li2CO3 (Lithiumcarbonat) LiCl (Lithiumchlorid) |
|
| Orange | Calcium | CaCl2 (Calciumchlorid) |
| Gelb | Natrium | NaNO3 (Natriumnitrat) |
| Grün | Barium | BaCl2 (Bariumchlorid) B3N3 (Bornitrid) |
| Blau | Kupferhalogenide | CuCl2 (Kupferchlorid), bei niedriger Temperatur |
| Indigo | Cäsium | CsNO3 (Cäsiumnitrat) |
| Violett | Kalium | KNO3 (Kaliumnitrat) |
| Rubidium (violett-rot) | RbNO3 (Rubidiumnitrat) | |
| Gold | Holzkohle, Eisen oder Ruß | |
| Weiß | Titan-, Aluminium-, Beryllium- oder Magnesiumpulver |
Sehr auffällig ist hier die gelbe Farbe von Natrium, die in einigen Ländern auch in älteren Straßenlaternen zu finden ist. Leider sind die leuchtendsten Farben, die sich bilden, auch die giftigsten für die Umwelt, wie Strontium (rot) und Barium (grün). Diese Schadstoffe können in der Luft, im Wasser und sogar im Boden gemessen werden - aber dazu später mehr.
Weitere Informationen darüber, wie Feuerwerkskörper ihre Farben erhalten, finden Sie in den folgenden Links:
Sicherheit geht vor
Sicherheit ist immer ein wichtiges Thema, wenn es um Feuerwerkskörper geht, sei es in Bezug auf ihren Aufbau, ihre Verwendung oder ihre Lagerung. Im Laufe der Jahre haben sich zu viele schwere Unfälle im Zusammenhang mit Feuerwerkskörpern ereignet.
Erfahren Sie hier mehr über den sicheren Umgang mit Feuerwerkskörpern:
Eine der größten Feuerwerkskatastrophen in Europa ereignete sich im Jahr 2000 in Enschede (Niederlande). Die Explosion ereignete sich in der Lagerhalle der S.E. Fireworks-Fabrik, die sich mitten in einem Wohngebiet befand, da die Stadt wuchs und immer mehr Häuser um sie herum gebaut wurden. Ein ganzes Viertel wurde zerstört, und die stärkste der Explosionen war bis zu 30 Kilometer weit zu spüren.
Aufgrund dieses Vorfalls ist der Verkauf von größeren Feuerwerkskörpern in den meisten europäischen Ländern nur noch im Freien erlaubt. Das Anhäufen von Feuerwerkskörpern zu Hause zur Vorbereitung von Feiern sollte zumindest in engen Räumen wie Kellern oder Wohnungen vermieden werden. Es ist besser, sie in einem belüfteten Schuppen oder auf einem Parkplatz zu lagern, um Probleme im Falle eines Brandes zu vermeiden. Lagern Sie Feuerwerkskörper auch nicht über längere Zeiträume, da die meisten handelsüblichen Feuerwerkskörper dazu bestimmt sind, innerhalb von 3 bis 6 Monaten nach ihrer Herstellung verwendet zu werden, da der Papierinhalt feucht werden kann, sich ionische Stoffe auflösen und rekristallisieren können und somit die Wahrscheinlichkeit eines Fehlschlags steigt.
Im Falle eines Feuerwerksausfalls: Schauen Sie niemals sofort nach! Warten Sie mindestens 15 Minuten in sicherer Entfernung und verwenden Sie dann ein Werkzeug, um es einzuschränken. Berühren Sie es niemals mit bloßen Händen, vor allem nicht, wenn es sich um explodierende Feuerwerkskörper oder Raketen handelt.
Allerdings wurden in den letzten Jahren einige Sicherheitsvorkehrungen in die Feuerwerkskörper integriert, damit sie besser und zuverlässiger funktionieren. So wurden beispielsweise die Treibladungen von Schwarzpulver auf Raketentechnologie wie Weichmacher umgestellt, damit sie beim Abschuss besser brennen und weniger Rauch und Staub auf dem Boden hinterlassen. Eine dedizierte Reaktionskette muss befolgt werden, sonst wird es auf eine harmlose Weise brennen.
Wissen ist Macht: Unfälle verhindern mit richtigen analytischen Tests
Um Unfälle mit Feuerwerkskörpern wie den in Enschede und unzählige andere Unfälle zu verhindern, ist es von entscheidender Bedeutung, verschiedene Qualitätsparameter genau zu überwachen. Dazu gehören der Wassergehalt von papierbasierten Feuerwerkskörpern, die Korngröße der Metallpartikel sowie die Reinheit und Zusammensetzung des Farbstoffs, um nur einige zu nennen. Eine angemessene Qualitätskontrolle sorgt für ein unterhaltsames, aber sicheres Feuerwerkserlebnis, selbst in den Händen der breiten Öffentlichkeit, wenn die richtigen Verfahrensweisen befolgt werden.
Metrohm bietet verschiedene Analysetechniken und entsprechende Applikationen für diesen Forschungsbereich an. Analysen können für eine Vielzahl von Substanzen und Qualitätsparametern sowie Spurenstoffen im Labor, auf der Straße und in der Luft durchgeführt werden, entweder mittels nasschemischer Methoden (z. B. Karl-Fischer-Titration, Ionenchromatographie, Voltammetrie) oder spektroskopischer Techniken (z. B. Nahinfrarotspektroskopie [NIRS] und Raman-Spektroskopie).
Wie bereits erwähnt, ist die Feuchtigkeit ein wichtiger Qualitätsparameter, wenn es um die Sicherheit von explosiven Materialien geht. Metrohm bietet zwei verschiedene Techniken zur genauen Analyse des Wassergehalts in einer Vielzahl von Matrices an, die in den folgenden Blogbeiträgen vorgestellt werden.
Feuchtigkeitsanalyse – Karl-Fischer-Titration, NIRS oder beides?
Feuchtigkeitsanalyse in Ammoniumnitrat
Wenn es um die Bestimmung der einzelnen Konzentrationen der Hauptbestandteile geht, stechen einige nasschemische Verfahren besonders hervor. Die suppressierte Anionenchromatographie ist ideal für die Messung der ionischen Komponenten von z. B. Feuerwerkspulver, anderen explosiven Stoffen und sogar in Explosionsrückständen für forensische Zwecke. Die Kopplung eines Ionenchromatographen mit einem Massenspektrometer (IC-MS) eröffnet noch mehr Analysemöglichkeiten. Lesen Sie mehr über diese Studien (und mehr), indem Sie unsere kostenlose Application Notes herunterladen.
Chlorat, Nitrat und Perchlorat in Feuerwerkspulver
Zehn Anionen in einem Sprengstoffextrakt
Die Verwendung verschiedener Metallsalze zur Erzeugung der leuchtenden Farben von Feuerwerkskörpern kann schön, aber auch schädlich für unsere Gesundheit und die Umwelt sein. Die Voltammetrie (VA) ist eine elektrochemische Methode, die sich für die Bestimmung von Spuren- und Ultraspuren-Konzentrationen von Schwermetallen und anderen elektrochemisch aktiven Substanzen eignet. Die VA eignet sich nicht nur hervorragend für die Bestimmung dieser Stoffe im Labor, sondern auch in der Praxis, z. B. zur Messung der Nachwirkungen eines Feuerwerks oder eines unerwünschten Ereignisses. Sehen Sie sich hier unsere Auswahl an VA-Geräten und Anwendungen an.
Metrohm: Experten für voltammetrische Analysen
Spektroskopische Techniken wie Raman können helfen, das Vorhandensein von gefährlichen explosiven Stoffen zu bestimmen, selbst wenn man einen Sicherheitsabstand einhält, indem man verschiedene Geräteaufsätze verwendet. Lesen Sie in unserem kostenlosen White Paper, wie Sie MIRA DS von Metrohm Raman für für die sichere Identifizierung von Sprengstoffen einsetzen können.
Erstellen von benutzerdefinierten Bibliotheken zur Detektion binärer Sprengstoffe mit Mira DS
Umweltfreundliches Feuerwerk – ein Widerspruch?
Obwohl Feuerwerke eine sehr spektakuläre Form der Unterhaltung sind, haben sie nach großen kulturellen Veranstaltungen oder nationalen Feiertagen erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Die allgemeine Luftverschmutzung nach der Zündung eines Feuerwerks zeigt sich in einer Zunahme von Staub und Rauch, aber auch von Schwermetallen in der Luft, da die meisten modernen Feuerwerkskörper diese zur Farbgebung verwenden.
Das unverbrannte Material enthält noch eine erhebliche Menge an Schwermetallen. Nachdem es auf den Boden gefallen ist, kann sich dieses Material auflösen und bei Regen in das Grundwasser gelangen. Kunststoffe, mit denen die Feuerwerkskörper aus Sicherheitsgründen ummantelt waren, finden sich als Granatsplitter oder Mikroplastik wieder. Die Verbrennung der in den Feuerwerkskörpern enthaltenen Verbindungen führt zu einer erhöhten Luftverschmutzung in Form von Aerosolen, die gemessen und ausgewertet werden können und zu Schwermetallen in der Luft, Feinstaub und sogar Nanopartikeln führen, die äußerst schädlich für unsere Lunge sind.
Metrohm Process Analytics hat den 2060 MARGA (Monitor for AeROsol and Gases in ambient Air) entwickelt, der von Behörden und Forschungseinrichtungen weltweit zur vollautonomen Überwachung der Luftqualität eingesetzt wird. Dieses Gerät basiert auf der analytischen Technik der Ionenchromatographie und kann entweder als spezielles Luftüberwachungsgerät eingesetzt werden, das über mehrere Wochen hinweg unbeaufsichtigt bleiben kann, oder als Forschungsinstrument, das für andere Projekte verwendet werden kann, wenn es nicht zur Überwachung der Luftqualität eingesetzt wird.
Erfahren Sie mehr über den 2060 MARGA und seine Fähigkeiten in unserem Blogbeitrag.
Kontinuierliche Überwachung der Luftqualität auf schädliche Feinstaubpartikel und Aerosole
Wenn Sie mehr über den Einsatz von Metrohm-Geräten zur Überwachung der Luftqualität erfahren möchten, lesen Sie diese Auswahl an wissenschaftlichen Fachartikel.
Luftüberwachung mit Ionenchromatographie: Ein Überblick über die Literaturhinweise
Um den Schwermetallgehalt zu minimieren und die Aerosolbildung zu verringern, wird eine neue "grüne" Feuerwerksgeneration sowohl für den professionellen als auch für den Indoor-Einsatz entwickelt. Dadurch sind sie besser für pyrotechnische Shows in Innenräumen und für die Filmproduktion geeignet. Bei regulären Shows im Freien (z. B. in Vergnügungsparks) wurde das Schießpulver für den Transport der Kapsel meist durch einen Luftdruckkanonenmechanismus ersetzt.
Es wurde viel geforscht, um Farbstoffe auf Schwermetallbasis durch umweltfreundlichere Substanzen zu ersetzen, z. B. können Lithium-Derivate durch Strontium ersetzen oder von Bor anstelle von Barium oder chlorierten Verbindungen verwendet werden.
Übersicht über grüne Pyrotechnik
Schließlich sollen die Kunststoffteile, die üblicherweise zur Umhüllung von Feuerwerkskörpern verwendet werden, durch mikrokristalline Zellulosemischungen mit besseren plastifizierenden Bindemitteln ersetzt werden. Dies führt zu einer ähnlichen Stabilität wie bei den derzeitigen Kunststoffen, aber die Behälter auf Zellulosebasis brennen vollständig ab und hinterlassen keine schädlichen Stoffe auf dem Boden.
Die Zukunft der Feuerwerksshows
Alle Sicherheitsmaßnahmen erhöhen nicht nur während, sondern auch nach dem Feuerwerk die Freude – umweltbewusst und sicher. Bei einigen dieser Feiern werden in Zukunft vielleicht eine Gruppe von beleuchteten Drohnen in einem choreografierten Tanz eingesetzt. Dies geschieht immer häufiger, da die Preise für Drohnen sinken und ihre Handhabungs- und Programmierfähigkeiten zunehmen. Jedoch begleiten uns Feuerwerkskörper schon seit einigen tausend Jahren und werden wahrscheinlich nicht so bald verschwinden.
Ihr Wissen zum Download
Metrohm Application Finder: kostenlose Anwendungen rund um Sprengstoffe und Treibstoffe
