Je leest:

De explosieve chemie van buskruit

De explosieve chemie van buskruit

Vuurwerk: vuur als kunstuiting

Auteur: | 1 januari 2007

Buskruit bevat zwavel en houtskool als ‘brandstof’ en bestaat verder voor ongeveer driekwart uit salpeter (kaliumnitraat). Dat bevat de zuurstof die de explosieve chemische reactie mogelijk maakt. Het mengen is gevaarlijk, want wrijvingswarmte kan voldoende zijn voor een explosie.

De chemie van buskruit wijkt sterk af van ‘gewone’ reageerbuisscheikunde. Normaal gesproken leidt de verbranding van zwavel tot de vorming van zwaveldioxide. Bij vuurwerk is dat vreemd genoeg niet het geval. De temperatuur in brandend buskruit loopt op tot bijna 2000 °C, en dan gelden kennelijk andere regels.

De eerste die de scheikunde van buskruit goed heeft onderzocht, was Alfred Nobel. Hij was een buitengewoon knap scheikundige, die ten onrechte alleen maar bekend geworden is door zijn uitvinding van het dynamiet (en een veilige manier om het te gebruiken).

Nobel stelde vast dat de zwavel in buskruit voor een deel wordt omgezet in kaliumsulfaat. Samen met kaliumcarbonaat vormt dat de rook van vuurwerk. Maar hij ontdekte ook dat de meeste zwavel eigenlijk helemaal niet reageert: veel zwavel is na afloop als damp en rook tussen de resten terug te vinden. Onderzoek naar de gassen leverde nog meer opmerkelijke zaken op: het gasmengsel blijkt vooral uit koolstofdioxide en stikstofgas te bestaan, maar bevat ook tussen 10% en 15% koolstofmonoxide (kolendamp).

Alfred Nobel op een Zweedse postzegel.
Nobelprize.org

Hoe het gas ontstaat bepaalt de toepassing van het buskruit. Je kunt zo vier soorten vuurwerk onderscheiden: knalvuurwerk, fonteinen, vuurpijlen, en mortierbommen.

1. Knalvuur – hoe harder hoe slechter

Bij rotjes en ander knalwerk is de functie van het gas duidelijk: er moet voldoende gas ontstaan om de gasdruk bij de hoge temperatuur zó te laten stijgen, dat de omhulling die druk niet kan weerstaan, en knapt. Omdat er altijd mensen zijn die hun grenzen (en die van hun oren) niet kennen, heeft de overheid een grens gesteld aan de geluidssterkte van knalvuurwerk.

2. Bengaals vuur: vuurrood en gifgroen

Bij Bengaals vuur, fonteinen en Romeinse kaarsen wordt de gasontwikkeling gebruikt om respectievelijk gekleurd vuur, sterretjes en lichtkogels omhoog te spuiten.

Kunst

Vuur als kunstuiting, zo zou je vuurwerk gerust kunnen noemen. En de meeste ‘vuurwerkers’, de mensen die vuurwerk voor een vuurwerkshow ontwerpen, beschouwen zichzelf als kunstenaar.

Het is wel een merkwaardige creativiteit: terwijl een beeldend kunstenaar het resultaat langzaam ziet groeien, ziet een vuurwerker het resultaat pas bij de verbranding, de vernietiging van het werk.

Om te voorkomen dat het buskruit in de fonteinen ontploft, wordt het heel vast in de huls geperst. Dit brandt veel trager dan los poeder.

Om gekleurd vuur te krijgen bevat het vuurwerkmengsel (meestal sas genaamd) speciale zouten. Voor een fel rood brandende sas is dat bijvoorbeeld een strontiumzout, voor een groene kleur een bariumzout. Voor een goede kleur is vrij veel zout nodig.

Uitgelicht door de redactie

Astronomie
Zon, zee en wetenschap

In memoriam Sanne Deurloo

Geneeskunde
Een vreemde ontmoeten en levens redden op Lowlands

Vooral de bariumzouten zijn schadelijk voor de gezondheid, met maar één uitzondering: bariumsulfaat. Gelukkig komt door de zwavel in het buskruit een groot gedeelte van het barium juist in deze vorm vrij.

3. Vuurpijlen.

Ook bij vuurpijlen wordt het buskruit vast aangestampt. Bovendien hebben de grotere vuurpijlen altijd een ‘ziel’, een spits toelopen de holte van binnen. Hierdoor loopt de druk van het ontstane gas geleidelijk op en komt de vuurpijl veel hoger. Bij bepaalde eenvoudige vuurpijlen zoals fluitpijlen is zo’n ziel niet echt nodig.

Het fluitconcert van fluitpijlen en gillende keukenmeiden blijkt van scheikundige oorsprong. Er is geen speciaal fluitje voor nodig. Hoe het precies komt is nog steeds niet goed verklaard, maar sommige stoffen zorgen bij het ontleden voor een merkwaardige fluitende toon. Deze eigenschap komt onder andere voor bij natriumbenzoaat (het zout van benzeencarbonzuur) en natriumsalicylaat (familie van aspirine).

Mortierbommen als deze worden ingezet bij professionele vuurwerkshows.

4. Vuurwerkbommen

Bij vuurwerk denken de meeste mensen aan vuurpijlen, maar het mooiste vuurwerk bestaat niet uit vuurpijlen. Mortierbommen zijn de hoogste vorm van siervuurwerk en tegelijk de onbekendste. Tijdens de jaarwisseling zul je dit soort vuurwerk nauwelijks zien. Vuurwerkbommen of mortierbommen worden niet aan particulieren verkocht, alleen beroepsvuurwerkers gebruiken ze. Ze spatten hoog in de lucht uit elkaar in een bolvormig patroon van sterren.

Zo’n mortierbom bestaat uit een cilinder met in het onderste deel het kruit voor het afschieten. De bom wordt voorzichtig in een stevige buis geplaatst, een soort kanonsloop. De kruitlading onderin wordt aangestoken met een snelbrandende lont. De bom schiet daardoor met een doffe knal als een kanonskogel hoog de lucht in.

Dat de mortierbom daarbij geen spoor achterlaat is een deel van de verrassing. Binnenin brandt een tweede lont langzaam door. De timing is zo uitgekiend dat de lont precies op het hoogste punt van de baan een lading buskruit binnen in de bom bereikt. In dat buskruit zitten veel lichtkogels, sterren genoemd. Als de bom explodeert, schieten deze sterren alle kanten op.

Verwarrend genoeg wordt het begrip vuurwerkbom ook wel gebruikt voor een projectiel dat door mensen “die toch al niet tot tien konden tellen” wordt gevuld met kruit uit rotjes en strijkers. Het maken en aansteken van iets dergelijks is levensgevaarlijk en kost ondanks alle waarschuwingen elk jaar weer een aantal vingers en andere lichaamsdelen. Zo’n bom heeft niets te maken met het kunstige siervuurwerk van echte ‘vuurwerkers’.

Nog fraaier is een Japanse vuurwerkbom. Daarbij zit het buskruit in het binnenste van de bom, en zijn de lichtkogels daaromheen keurig in lagen in de bol gezet. Bij explosie levert dit prachtig bolvormig vuurwerk op, als kleurige bloemboeketten.

De zuurstof in vuurwerk

Verbranding is een heftige reactie met zuurstof, waarbij vuurverschijnselen optreden. Er ontstaan gloeiende gassen, we zien vlammen. Bij gewone verbrandingsreacties, zoals van hout of papier, reageert de brandstof met zuurstof uit de lucht en brandt daarbij van buiten naar binnen op. Voor een explosie is méér nodig, een explosie vraagt om plotselinge gasontwikkeling van binnenuit. Explosieve mengsels zijn daarom niet afhankelijk van zuurstofgas uit de lucht, maar bevatten zelf een zuurstofleverancier, zoals salpeter.

Salpeter, de zuurstofleverancier in buskruit, is een uitzonderlijke stof. Normaal kan de gebonden zuurstof in stoffen niet meer gebruikt worden voor verbrandingsreacties. Maar door een combinatie van nogal zwakke bindingen in salpeter en sterke bindingen in de stoffen die gevormd worden, is de zuurstof in salpeter wel beschikbaar voor verbrandingen.

Vrije Universiteit Amsterdam

Het boek ‘De kleur van chemie’ werd in 2007 uitgegeven door de Faculteit der Exacte Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam (Afdeling Scheikunde en Farmaceutische Wetenschappen). Het is een geactualiseerde bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren. Ze belichten de rol van de scheikunde op tal van gebieden.

Alle Kennislinkartikelen uit het hoofdstuk ‘Zuurstof’:

Mijnwerkers van een salpetermijn in Chili, begin twintigste eeuw.
Vrijgegeven in het publieke domein

Lang was salpeter de enige bruikbare zuurstofleverancier. Pas in de vorige eeuw kwamen daar nog een paar stoffen bij. Honderdvijftig jaar geleden ontdekte de Fransman Bertholet dat ook in chloraten de zuurstof niet al te vast gebonden zat. Dat bleek duidelijk bij zijn eerste grote proefneming: de ontdekking koste hem z’n laboratorium en het leven van twee medewerkers.

Vuurwerk bevat vaak kaliumperchloraat (KCIO4). Reacties met een perchloraat verlopen heftiger en bereiken een hogere temperatuur dan die met salpeter. Daarom wordt het gebruikt bij fluitpijlen en bij (verboden) strijkers.

Ook als er gekleurd licht moet ontstaan, is een hoge temperatuur nodig, want hoe hoger de temperatuur, hoe beter de kleuren van barium- en strontiumzouten tot hun recht komen. Zelfs in de stuwraketten bij een Spaceshuttle lancering werd een perchloraat (NH4CIO4) als zuurstofleverancier gebruikt. De hoofdmotor benutte een nog sterkere stof: vloeibaar gemaakte zuurstof zelf.

De kleur van chemie

Dit artikel is afkomstig uit het hoofdstuk ‘Zuurstof’ uit de VU-uitgave ‘De kleur van chemie’, een bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren.

Dit artikel is een publicatie van VU Amsterdam, Faculteit der Exacte Wetenschappen.
© VU Amsterdam, Faculteit der Exacte Wetenschappen, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.