De chemie van vuurwerk

Het is inmiddels 18.00u geweest, dat betekent dat er officieel vuurwerk afgestoken mag worden. Gelijk hoor je overal om je heen knallen en krijg je in de gaten hoeveel geld mensen dit jaar weer hebben uitgegeven aan vuurwerk. Maar waar komen al die kleuren nu vandaan?

De kleuren in vuurwerk komen voort uit een grote verscheidenheid aan metaalverbindingen – met name metaalzouten. Het woord ‘zout’ roept beelden op van het normale keukenzout dat je waarschijnlijk dagelijks gebruikt; terwijl dit één type zout is (natriumchloride), verwijst ‘zout’ in de scheikunde naar elke verbinding die metaal- en niet-metaalatomen bevat, ionisch met elkaar verbonden. Maar, hoe geven deze verbindingen het enorme scala aan kleuren, en wat is er nog meer nodig om vuurwerk te produceren?

Het belangrijkste onderdeel van vuurwerk is natuurlijk het buskruit of ‘zwart poeder’ zoals het ook bekend staat. Het werd bij toeval ontdekt door Chinese alchemisten, die in werkelijkheid meer bezig waren met het ontdekken van het levenselixer dan met het opblazen van dingen; ze ontdekten dat een combinatie van honing, zwavel en salpeter (kaliumnitraat) plotseling uitbarstte bij verhitting.

De combinatie van zwavel en kaliumnitraat werd later gemengd met houtskool in plaats van honing – de zwavel en houtskool fungeren als brandstof in de reactie, terwijl het kaliumnitraat werkt als een oxidatiemiddel. Modern buskruit heeft een gewichtsverhouding van salpeter tot houtskool tot zwavel van 75 : 15 : 10; deze verhouding is sinds ongeveer 1781 ongewijzigd gebleven.

De verbranding van buskruit vindt niet plaats als een enkele reactie en dus kunnen de reactieproducten nogal gecompliceerd zijn. Het dichtst bij een representatieve vergelijking voor het proces wordt hieronder getoond, met houtskool waarnaar wordt verwezen door zijn empirische formule:

6 KNO3 + C7H4O + 2 S → K2CO3 + K2SO4 + K2S + 4 CO2 + 2 CO + 2 H2O + 3 N2

Variatie in de korrelgrootte van het buskruit en de hoeveelheid vocht kunnen worden gebruikt om de brandtijd voor pyrotechnische doeleinden aanzienlijk te verlengen.

Naast buskruit bevat vuurwerk een ‘binder’ – die gebruikt wordt om de componenten bij elkaar te houden, en ook om de gevoeligheid voor schokken te verminderen. Over het algemeen nemen ze de vorm aan van een organische verbinding, vaak dextrine, die vervolgens kan fungeren als brandstof na de ontsteking. Een oxidatiemiddel is ook noodzakelijk om de zuurstof te produceren die nodig is om het mengsel te verbranden; dit zijn meestal nitraten (NO3), chloraten (ClO3) of perchloraten (ClO4).

In het lichaam van een vuurpijl zitten de metaalpoeders of zouten die het vuurwerk zijn kleur geven. Ze worden vaak gecoat in buskruit om te helpen bij het ontsteken. De warmte die wordt afgegeven door de verbrandingsreactie zorgt ervoor dat elektronen in de metaalatomen worden geëxciteerd tot hogere energieniveaus. Deze aangeslagen toestanden zijn onstabiel, dus het elektron keert snel terug naar zijn oorspronkelijke energie (of grondtoestand) en straalt overtollige energie uit als licht. Verschillende metalen hebben een andere energiekloof tussen hun grondtoestand en aangeslagen toestanden, wat leidt tot de emissie van verschillende kleuren. Dit is precies dezelfde reden waarom verschillende metalen verschillende kleuren geven bij een vlamtest, waardoor we onderscheid kunnen maken tussen deze metalen. De kleuren die door verschillende metalen worden uitgezonden, worden weergegeven in de afbeelding boven het artikel.

Het is het metaalatoom in de verbinding dat erg belangrijk is, maar sommige verbindingen zijn beter dan andere. Hygroscopische verbindingen (zij die water aantrekken en vasthouden) worden niet veel gebruikt in vuurwerk, omdat ze het mengsel vochtig en moeilijk te verbranden kunnen maken. Sommige kleuren zijn ook gewoon moeilijk te produceren. De koperhoudende verbindingen hebben de neiging onstabiel te zijn bij hogere temperaturen en als ze deze temperaturen bereiken, vallen ze uiteen, waardoor wordt voorkomen dat de blauwe kleur wordt vertoond. Om deze reden wordt vaak gezegd dat je de kwaliteit van vuurwerk kunt beoordelen op de kwaliteit van het blauwe vuurwerk! Paars is ook vrij moeilijk te produceren, omdat het gaat om het gebruik van blauw-veroorzakende verbindingen in combinatie met rood-veroorzakende verbindingen.

Al met al zit er dus heel wat scheikunde achter hetgeen er vanavond veelvuldig de lucht in wordt geschoten. Ben voorzichtig met het vuurwerk, maar zorg dat je dit jaar goed afsluit en het nieuwe jaar goed inluidt! Fijne jaarwisseling!

(Bron afbeelding: Compound Interest)
Advertenties

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.