Von Knallteufeln und Knatterfontänen

Experimente mit pyrotechnischem Spielzeug (Teil I)

Viktor Obendrauf

5. Oxidationsmittel mit Reduktionsmittel

Eine klassische pyrotechnische Mischung besteht aus einem oder mehreren Oxidationsmitteln und oxidierbaren Stoffen als Feststoffgemenge. Eine kleine Auswahl an oxidierbaren Stoffen ist in Tabelle 1 aufgelistet, wobei die Verbrennungswärme des jeweiligen Brennstoffs für den Reaktionsverlauf weniger entscheidend ist als die Konsistenz der Reaktionsprodukte:

    BrennstoffSymbol Verbrennungswärme (kJ/g)
    Kohlenstoff C 32,75
    Aluminium Al 31,0
    "Magnalium" Mg/Al (Legierung) 28,0
    Magnesium Mg 24,7
    PVC (-CH2-CHCl-)n 18,4
    Dextrin (C6H10O5)n . H2O 17,6
    Lactose C12H22O11 .H2O 15,9
    Schwefel S8 9,2

Außer den in Tabelle 1 genannten Substanzen werden in pyrotechnischem Spielzeug (wie auch in anderen Feuerwerksklassen) häufig polymere Naturharze wie Schellack1) oder Akaroid-Harze und Cellulose als Brennstoff, Verzögerer und Bindemittel verwendet. Dass Kohlenstoff (eingesetzt meist als Holzkohlepulver mit rund 80%C) energetisch noch vor den Metallen steht, scheint auf den ersten Blick überraschend. Bei Berücksichtigung von vergleichbaren Massen ergibt sich diese Reihung jedoch auch aus den Berechnungen: Die Bildungswärme von Kohlendioxid ist in der Literatur zwar "nur" mit etwa -393 kJ/Mol (entsprechend -32,75 kJ/g Kohlenstoff) angegeben. Bei gleicher Ausgangsmasse (1 g Brennstoff) liefert Aluminium jedoch tatsächlich etwas weniger Energie (Bildungswärme von Al2O3 = - 1675 kJ/Mol = 31 kJ/g Aluminium), wenn in beiden Fällen von einer vollständigen Oxidation während des Abbrandes ausgegangen wird. Dass bei der Oxidation von Metallen im allgemeinen mehr Wärmeenergie entsteht als bei der Oxidation von Kohlenstoff, hängt damit zusammen, dass die entstehenden Metalloxide Feststoffe sind. Die gasförmigen Reaktionsprodukte, die bei der Verbrennung von Kohlenstoff (oder auch von organischen Substanzen) auftreten, nehmen viel Energie in Form von kinetischer Energie mit. Die lokale Verbrennungstemperatur ist dabei deshalb niedriger. Da kohlenstoffhältige Substanzen sehr häufig als Brennstoffkomponenten angetroffen werden, ist eine Reihung der häufigsten Oxidationsmittel nach sinkenden Reaktionswärmen bei Verwendung von Kohlenstoff als Brennstoff recht aufschlussreich:

    Oxidationsmittel Symbol Reaktionswärme (kJ/g Ox-Mittel)
    Kaliumperchlorat KClO4 5,85
    Ammoniumperchlorat NH4ClO4 5,43
    Kaliumchlorat KClO3 5,02
    Strontiumnitrat Sr(NO3)2 2,93
    Bariumnitrat Ba(NO3)2 2,09
    Kaliumnitrat KNO3 1,67

Messungen von Flammentemperaturen [4] bei Verwendung von häufig benütztem Schellack 1) als gut oxidierbares Bindemittel in pyrotechnischen Mischungen chinesischen Ursprungs bestätigen die obigen Berechnungen .

    Oxidationsmittel % Brennstoff % Flammentemperatur (°C)
    KClO4 74 Schellack 16 2.247
    NH4ClO4 76 Schellack 14 2.207
    KClO3 77 Schellack 13 2.177
    KNO3 72 Schellack 18 1.697

1) Schellack ist ein natürliches Harz aus gut härtbaren, teilweise veresterten, teilweise ungesättigten Hydroxisäuren, das heute noch in Form von Stockschellack (= zähes Sekret der parasitisch lebenden weiblichen Lackschildläuse) von Sträuchern und Bäumen Südchinas und Indiens in großen Mengen geerntet wird.