Wunderkerzen-Feuerwerk im Schnee, virtuelles Feuerwerk-Labor (2014)

Feuer, Wunderkerzen und Feuerwerk faszinieren mich immer wieder, gerade in der dunklen und kalten Jahreszeit. Nach einem Winterspaziergang, zum Klönen am heimischen Kamin zu sitzen, zu Weihnachten, Sylvester, besonderen Ereignissen Wunderkerzen anzuzünden hat in unserer Familie Tradition. Feuerwerke haben bereits eine tausendjährige Geschichte. Als Hundebesitzerin gefallen mir heute eher die leisen "Feuerwerke" wie das, was ich euch u.a. gerne vorstellen möchte, mit Wunderkerzen. Sehr viel Spaß bereitet hat mir auch in einem virtuellen Labor Feuerwerkskörper verschiedener Farben und Formen selbst herzustellen und bei Erfolg ansehen zu können. Die sich hinter den Wunderkerzen und Feuerwerken verbergende Chemie fasziniert mich und ich erfahre gerne immer mehr darüber. Kann ich dein Interesse wecken?

Die Wunderkerzen: Woraus bestehen sie, wie werden sie hergestellt und welche Reaktionen finden statt?

1. Zusammensetzung:

Wunderkerzen bestehen aus den Metallen Aluminium und Eisen in Pulverform und bewirken die sprühenden Funken, die beim Verbrennen entstehen und die wir so faszinierend finden. Da Verbrennungen Sauerstoff benötigen, enthalten sie außerdem Bariumnitrat als zusätzlichen Sauerstofflieferant. (Sauerstoff befindet sich zu 21% auch in der Luft). Stärke, z.B. Kartoffelstärke, dient als Bindemittel und als Inhibitor, zur Verzögerung der Reaktion.

2. Herstellung:

Das solltest du nur "... mit ausreichendem chemischen Wissen und geeigneten Schutzvorrichtungen..." vornehmen. Am besten fragst du also deine Chemielehrer_innen, ob ihr Wunderkerzen mal im Unterricht herstellen könnt. Alleine, ohne fachliche Aufsicht, rate ich davon ab. Bariumnitrat ist, wie du bei wikipedia z.B. nachlesen kannst, ein gesundheitsschädlicher und schwach wassergefährdender Stoff, der in der Pyrotechnik auch zur Herstellung von Feuerwerkskörpern als Oxidationsmittel verwendet wird. Es befindet sich auch in den Zündhütchen von Patronen und Kartuschen und in Leuchtschirmen für Fernsehempfänger. Auf der Packung mit Wunderkerzen kannst du auch lesen, dass der Rauch beim Einatmen gesundheitsschädlich ist. Genaueres zu den Gefahren kannst du im Sicherheitsdatenblatt nachlesen. Im Haller Tagblatt vom Februar 2014 kannst du aus dem Artikel "Jugend forscht: Neues Wunderkerzen-Rezept" erfahren, dass zwei Schüler aus dem 7. Jahrgang lange experimentiert haben, um eine gut funktionierende Mischung zu erhalten, da jedes Milligramm zu viel oder zu wenig sich ausgewirkt hat.

3. Was passiert beim Abbrennen der Wunderkerzen?

Es finden Redoxreaktionen statt: Das Bariumnitrat gibt als Oxidationsmittel Sauerstoff an die beiden Metalle Aluminium und Eisen ab. Aluminium und Eisen werden also oxidiert, nehmen Sauerstoff auf bzw. geben Elektronen ab und Bariumnitrat wird reduziert, gibt Sauerstoff ab bzw. nimmt Elektronen auf.

3 Ba(NO₃)₂ + 2 Al + 2 Fe ---> 3 Ba(NO₂)₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃ + Energie

Aus Bariumnitrat, Aluminium und Eisen entstehen Bariumnitrit, Aluminiumoxid, Eisen(III)oxid und Energie.

Diese Redoxreaktion ist also exotherm, d.h. es wird Energie frei in Form von Licht aber auch Wärme und zwar entstehen Temperaturen bis ca. 700°C. Da als Nebenprodukte der Reaktion auch das farb-, geruch- und geschmacklose aber giftige Kohlenmonoxid und Stickoxide auftreten können, ist es besser die Wunderkerzen draußen brennen zu lassen oder anschließend den Raum gut zu lüften. Bei den größeren Wunderkerzen kannst du deshalb auch lesen: Nur im Freien verwenden! Du weißt jetzt auch warum.

4. Brennen Wunderkerzen auch unter Wasser, auch im Weltraum?

In meinem blog-Artikel vom Januar 2014 "Feuer unter Wasser - ein Wunderkerzen-Versuch zum neuen Jahr" kannst du sehen und lesen, dass und warum Wunderkerzen auch unter Wasser eine Zeit lang brennen. Ein toller Versuch. Da die Wunderkerzen den Sauerstoff zur Verbrennung aus dem Oxidationsmittel/Sauerstofflieferanten Bariumnitrat entnehmen, können sie auch im Weltraum brennen, obwohl dort kein Luftsauerstoff vorhanden ist.

Ein virtuelles Feuerwerk-Labor

Die Webseite Schulfernsehen multimedial mit einem Lernspiel über Feuerwerke hat mir richtig Spaß gemacht. Was bietet das Labor alles?

• Du lernst zuerst notwendige Gefahrenhinweise, Gefahrenklassen und Gefahrensymbole kennen, deren Beachtung dir in der realen Welt eine gute Hilfe sein kann. Wunderkerzen und Knallerbsen, die z.B. zur Gefahrenklasse P1 gehören, kannst du das ganze Jahr kaufen, wenn du mindestens 12 Jahre alt bist. Einige Gefahrenzeichen wie brandfördernd O, explosionsgefährlich E, giftig T oder leicht entzündlich F kennst du vielleicht schon und findest du auch im Haushalt, z.B. auf einigen Haushaltsreinigern und Haarsprays.
• Du erfährst, dass die Farben durch bestimmte Metall-Salze ins Feuerwerk kommen; z.B.: Rot durch Strontiumsalze, blau durch Kupfersalze, grün durch Bariumsalze, gelb durch Natriumsalze.
• Wie werden Spezialeffekte erzeugt? Z.B. goldene Funken, ein Schweif durch Eisenspäne, ( Auf dem Foto oben siehst du Eisenwolle brennen, die wir zum Reinigen benutzen und in Baumärkten kaufen.) Glittereffekt durch Ferroaluminium, blausilberne Effekte durch Titan-Pulver, brillante Farben durch den Kunststoff PVC (Polyvinylchlorid), der die im Alltag als Folien, Isolationsmaterial, Fußbodenbelag oder bei Kredit- und Telefonkarten begegnen kann.
• Geschichte des Feuerwerks: Wusstest du, dass die Chines_innen wahrscheinlich bereits vor ca. 1000 Jahren die Grundstoffe für Schwarzpulver kannten und erste Rakten und Feuerpfeile herstellen konnten? Ende des 13. Jahrhunderts, erfährst du hier, hat ein britischer Mönch das erste Schwarzpulver-Rezept (Kaliumnitrat, Schwefel, Holzkohle) veröffentlicht und 1770 hat Ludwig XV. im Park von Versailles schon 20 000 Raketen und 6000 Feuertöpfe eingesetzt.
• Redoxreaktion (s.o.) als chemische Grundlage des Feuerwerks kannst du auf verschiedensten Seiten in unterschiedlicher Ausführlichkeit nachlesen. Relativ einfach in diesem virtuellen Labor, genauer von dem Vortrag "Chemie der Feuerwerkskörper" der UNI Bayreuth sowie auf dem Chemieportal tomchemie: "Pyrotechnische Mischungen funktionieren eigentlich fast immer nach dem Prinzip einer REDOX-Reaktion." Es findet also immer eine Übertragung von Sauerstoff bzw. Elektronen von einem Reaktionspartner zum anderen statt, bei der schlagartig Energie frei wird. Als Oxidationsmittel (gibt Sauerstoff ab, nimmt Elektronen auf) dient z.B. das Schwarzpulver, als Reduktionsmittel (nimmt Sauerstoff auf, gibt Elektronen ab) Metalle. Außerdem werden Katalysatoren und Inhibitoren zur Steuerung der Reaktion zugesetzt und, wie du oben lesen kannst, Zusatzstoffe, um die Flammen zu färben.
• Dann endlich im Experimentierraum! Wenn du dich über alles informiert hast, kannst du den virtuellen Experimentierraum betreten und bekommst den Auftrag zur Herstellung verschiedener Feuerwerkskörper. Wenn du dem Auftrag gemäß die richtige Zusammensetzung der Salze für die Farbe, der Form für die Art des Feuerwerks und des Pulvers für den Spezialeffekt wählst, erscheint das von dir hergestellte Feuerwerk in Aktion. Toll!