Je leest:

Kruit en knal

Kruit en knal

Auteur: | 13 juni 1997

Wanneer, waar en door wie het buskruit is uitgevonden is onduidelijk. Afwisselend voeren historici Chinezen, Arabieren en Bengalen op als uitvinders van het poeder. Waarschijnlijk wisten de Chinezen al rond het begin van onze jaartelling hoe ze buskruit moesten maken. In elk geval beschikten zij tijdens de Han-dynastie (25-250 na Chr.) over een wetenschappelijke encyclopedie, de Shen-ning pents’ao-ching, die melding maakte van zwavel en salpeter, de belangrijkste ingrediënten van buskruit.

In het noorden van China werd salpeter gevonden. De staat had het alleenrecht op de winning en verkoop van dit mineraal. Ook zwavel komt in de natuur voor en de produktie van(houts)kool was al lang bekend. De Chinezen hebben buskruit vooral voor vreedzame doeleinden gebruikt. Niet alleen om zich te amuseren; ook tijdens begrafenissen werd ter ere van de overledene vuurwerk ontstoken. Nadat de Chinezen rond het jaar 1000 de vuurpijl hadden uitgevonden, gebruikten zij ook vuurwerk om vijanden af te schrikken.

NASA

In Europa wordt eerst in 1280 over de samenstelling van buskruit geschreven. De geestelijke en alchemist Albertus Magnus en de Engelse monnik Roger Bacon gaven er recepten van. Bacon beheerste de Arabische taal, wellicht verkreeg hij zijn kennis uit het Midden-Oosten. De Chinese encyclopedie ‘Tien kung k’ai wu’ meldt dat Hollanders rond 1300 de kennis over de samenstelling van buskruit naar Europa hebben gebracht. Hoe de precieze overlevering ook is gebeurd, duidelijk is dat er na 1300 maar weinig oorlogen zijn gevoerd waarin buskruit geen grote rol speelde.

Zwavel, berken en urine

Aan zwavel en houtskool was in Europa gemakkelijk te komen. Salpeter (kaliumnitraat, KNO3) moest aanvankelijk uit India worden ingevoerd. Het was schaars en dus duur. De ontdekking dat met de as van berkenhout (potas) uit urine kaliumnitraat kon worden gewonnen, betekende in dit opzicht een hele vooruitgang.

Aan het eind van de vorige eeuw werd Chili een belangrijke nitraatleverancier. Het daar gevonden natriumnitraat is niet zo geschikt voor kruit – het trekt te gemakkelijk water aan. Door een eenvoudige reactie met kaliumchloride is het gewenste kaliumnitraat te verkrijgen. Uit een geconcentreerde oplossing van natriumnitraat en kaliumchloride kristalliseert natriumchloride als eerste zout uit. Na filtratie en indampen van de oplossing blijft het kaliumnitraat over.

De Duitsers Fritz Haber en Carl Bosch slagen er kort voor de Eerste Wereldoorlog in om ammoniak te produceren uit de stikstof uit de lucht. Als zij aldus een nieuwe, goedkope bron van nitraten aanboren, heeft het buskruit z’n belangrijkste tijd al gehad. De nitraten blijven echter het belangrijkste bestanddeel van explosieven, en zijn dat nu nog.

Hedendaagse ammoniakfabriek.
Calderys

Explosieven

Explosieven zijn mengsels van oxydatiemiddelen en reductiemiddelen. De oxydator – de zuurstofleverancier – is meestal een nitraat, maar chloraten en peroxyden worden ook gebruikt. De reductiemiddelen of brandstoffen zijn metaalpoeders zoals ijzer en aluminium of niet-metalen als zwavel en koolstof.

In de meeste hedendaagse springstoffen zijn oxydator en reductor in één molekuul verenigd. Dat is dan meestal een genitreerd koolwaterstof, zoals in nitroglycerine (1,2,3-propaantrioltrinitraat). De nitraatgroepen fungeren daar als leverancier van zuurstof en de glycerylgroep als brandstof. ‘Plastic’ springstoffen, die ook bekend staan als kneedbommen, en andere moderne explosieven zijn meestal gebaseerd op genitreerde aromaten of andere cyclische koolstofverbindingen. Soms wordt er extra zuurstof bij gemengd in de vorm van ammoniumnitraat of ammoniumperchloraat.

Om een explosief tot ontploffing te brengen, moet er energie aan worden toegevoegd. Voor sommige springstoffen is maar heel weinig energie nodig, een lichte schok of een korte verhitting volstaat. Andere komen daarentegen pas tot ontploffing tengevolge van de schokgolf van een eerdere explosie. We noemen dat secundaire explosieven.

Kneedbommen zijn een voorbeeld van secundaire explosieven; na ontsteking brengt een kleine lading primair explosief ze tot ontploffing.
Wikimedia Commons

De klassieke wijze van ontsteking is die met een brandende lont. Een lont bestaat veelal uit een katoenen draad die verzadigd is met een explosief mengsel. Het ‘lopend vuurtje’ bereikt na verloop van tijd de springlading, die daarop explodeert. Een elektrische (vonk)ontsteking is ook mogelijk. In westernfilms wordt deze ontsteking veelal uitgevoerd door een cowboy, die een staaf in een kistje drukt. In de kist bevindt zich een dynamo. De (getande) staaf laat de dynamo draaien en de opgewekte stroom laadt een condensator op. Als de punt van de staaf een metalen plaat op de bodem van de kist bereikt treedt er kortsluiting op in het circuit en ontlaadt de condensator zich via een gloeidraad of een vonkoverslag. De hitte daarvan zorgt voor de ontbranding van het explosief.

In 1863 deed Alfred Nobel zijn eerste ontdekking, namelijk die van het slaghoedje. Tot die tijd was de ontsteking van explosieven een gevaarlijke en onbetrouwbare aangelegenheid die veel slachtoffers maakte. De ontsteking van Nobel bestond uit een koperen kapje gevuld met het hoogst explosieve kwikfulminaat (C=N-O-Hg-O-N=C). Met de schokgolf van het ontploffende kwikfulminaat, kon hij nitroglycerine veilig ontsteken.

Deflagratie en detonatie

Na ontsteking kunnen er twee processen op treden: deflagratie en detonatie. Bij de ontploffing van buskruit is er sprake van een deflagratie; de voortplantingssnelheid van de exotherme reactie door het mengsel is kleiner dan of ongeveer even groot als de geluidssnelheid (330 m/s). Bij een detonatie ontstaat er een schokgolf, waarvan de voortplantingssnelheid veel groter is dan de geluidssnelheid (tot 10.000 m/s) Het effect van een detonatie is dan ook veel groter dan van een deflagratie.

Schokgolf als gevolg van de detonatiereactie tijdens het onschadelijk maken van zo’n honderd ton explosieven.

Vuurwerk

Buskruit wordt tegenwoordig nog maar weinig gebruikt. Er zijn andere mengsels en verbindingen die betrouwbaarder en effectiever zijn. Toch werd er tijdens de Eerste Wereldoorlog nog ruim een miljoen ton van het zwavel-houtskool-salpetermengsel verschoten.

Vandaag de dag vindt buskruit zijn voornaamste toepassing in feestvuurwerk. Het vuurwerkkruit heet in vaktaal het pyrotechnische mengsel of de sas. Het verbrandt explosief bij een temperatuur van circa 350ºC. Aan de sas worden meestal hulpstoffen toegevoegd. Verbindingen van allerlei metalen zorgen voor kleurige lichteffecten en organische kleurstoffen zorgen voor gekleurde rook. Helaas is een groot vuurwerk niet alleen mooi. De kleurstoffen en de (zwaar)metaalzouten kunnen gevaarlijk zijn voor de gezondheid en voor het milieu.

Een explosieve reactie

De beste mengverhouding van buskruit – 75% salpeter, 15% houtskool en 10% zwavel – is proefondervindelijk vastgesteld. Als we er van uitgaan dat kaliumnitraat tijdens de explosie fungeert als leverancier van zuurstof voor de verbranding van zwavel en koolstof, dan leert een berekening dat er, ondanks het grote massapercentage kaliumnitraat, te weinig zuurstof beschikbaar is voor de volledige verbranding van zwavel en koolstof. Zuurstof uit de lucht kan niet aan de verbranding bijdragen; daarvoor verloopt de reactie te snel.

De explosie van buskruit levert niet alleen gassen op, maar ook veel vaste (rook)deeltjes. Afhankelijk van de precieze samenstelling van de sas varieert de verhouding van de reactie producten enigszins. In exploderend buskruit is geen sprake van een optelsom van enkele eenvoudige reacties. Bestudering van het reactiemechanisme in ontploffend buskruit is dan ook niet gemakkelijk. Toch is de voortgang van de reactie deels opgehelderd, door de deelreacties te bestuderen.

Koolstof en nitraat

Een mengsel van fijngepoederd koolstof en kaliumnitraat ontbrandt tussen 365 en 385ºC. Dat is hoger dan de ontbrandingstemperatuur van buskruit (ca. 270ºC). Nog voordat het C/KNO3-mengsel ontbrandt is de geur van stikstofdioxyde (NO2) al waar te nemen en is kaliumnitriet (KNO2) als tussenprodukt aan te tonen. Blijkbaar reduceert koolstof het nitraat tot nitriet. Als de proef wordt uitgevoerd met kaliumnitriet in plaats van kaliumnitraat, ontstaan heel andere produkten.

Ammoniumnitraat

Op 29 april 1942 ontplofte in Tessenderlo 150 ton ammoniumnitraat. Enkele honderden mensen kwamen bij de explosie om. Het ammoniumnitraat was in een silo aaneengekoekt. Een werknemer probeerde met behulp van een springstof de harde cake in hanteerbare brokken te breken. Deze manier van verpulveren werd regelmatig toegepast bij kaliumchloride (KCI), maar had bij ammoniumnitraat fatale gevolgen. Ammoniumnitraat, een bekend bestanddeel van kunstmest, kan explosief ontleden. Meestal is het echter de combinatie van ammoniumnitraat met een brandstof die voor de explosie zorgt.

Op 16 april 1947 explodeerde het Franse vrachtschip “S.S. Grandchamp” in de haven van Texas City. Het schip had 2500 ton ammoniumnitraat aan boord, verpakt in papieren zakken die gecoat waren met bitumen. Daarnaast bestond de lading uit olie en sisal. Na een brand explodeerde het schip en veroorzaakte vervolgens brand op de “High Flyer” die 250 meter verderop aan de kade lag en geladen was met ammoniumnitraat en zwavel. De explosie die daarna plaatsvond en de branden die daar het gevolg van waren kostten het leven aan 512 mensen. Meer dan 3000 mensen raakten gewond.

De ontledingsprodukten van ammoniumnitraat zijn enigszins afhankelijk van de temperatuur. Het zout smelt bij 169,5 ºC en ontleedt bij voorzichtig verwarmen in ammoniak en salpeterzuur. Boven 200ºC ontstaan lachgas (N2O) en water, en boven 250ºC ontleedt ammoniumnitraat explosief in stikstof, zuurstof en water.

Bij de thermische ontleding van dikalium ethyndiolaat (KOC=COK) ontstaan onder andere koolstofdeeltjes die heter zijn dan 2000ºC. Deze hete deeltjes veroorzaken de felle lichtflits. De ontleding van dit derivaat van ethyn (HC=CH) is sterk exotherm, dat wil zeggen dat er veel warmte bij vrijkomt. Daardoor kan de reactie zichzelf gaande houden.

Zwavel en nitraat

Uit de reactie tussen zwavel en kaliumnitraat, die plaatsvindt tussen 328 en 340ºC, ontstaan sulfaten en stikstofoxyden. Nitrieten geven met zwavel vooral thiosulfaat en distikstofmonooxyde (N20). Dit gas ontstaat ook bij de reactie tussen koolstof en nitriet; het is bekend onder de naam lachgas. Lachgas bevat ruim dertig volumeprocenten zuurstof. Dat is meer dan de twintig procent die in lucht voorkomt. Lachgas levert dan ook de zuurstof voor de verbranding van zwavel en koolstof tot zwaveldioxyde en koolstofdioxyde.

Zwavel en koolstof

Zuiver koolstofpoeder en zuiver zwavel reageren pas boven de zeshonderd graden celsius met elkaar tot koolstofdisulfide (CS2). In buskruit treedt de explosieve reactie op bij een veel lagere temperatuur; er wordt dan ook geen koolstofdisulfide gevormd. Met houtskool in plaats van zuiver koolstof ontstaat bij een reactie met zwavel gemakkelijk diwaterstofsulfide (H2S). Blijkbaar zijn ‘verontreinigingen’ in houtskool verantwoordelijk voor de produktie van H2S. Andere reacties die optreden zijn de watergasreactie en vervolgens de synthese van methaan, reacties die ook de basis vormen van de (steen)kolenvergassing.

Gasreactie

De koolstof-nitraat- en de zwavel-nitraatreactie leveren een grote bijdrage aan de (exotherme) reactie in ontploffend buskruit, maar met enige voorzichtigheid zijn ze zonder explosiegevaar afzonderlijk uit te voeren. De explosieve kracht is dan ook voornamelijk toe te schrijven aan reacties tussen de gassen die ontstaan. N2O, NO en CO vormen samen explosieve mengsels.

Als wordt aangenomen dat er in eerste instantie geen CO2 ontstaat, blijkt uit een berekening dat de massaverhouding N2O:NO:CO in het gasmengsel van de buskruitreactie globaal 7:21:31 is. Deze verhouding ligt dicht bij de explosielijn in het driehoeksdiagram. Een hoger percentage nitraat in het buskruitmengsel verstoort de verhouding N2O:NO:CO tot buiten de explosiegrenzen.

Tien kilogram buskruit levert circa 2900 kJ energie. Twee derde van deze energie is afkomstig van de gasreacties. Het hoofdaandeel wordt geleverd door de reactie van stikstofmono-oxyde met koolstofmono-oxyde, maar ook de reactie van distikstofmono-oxyde met koolstofmono-oxyde doet mee. De watergasreactie en de synthese van methaan leveren ongeveer vijftien procent van de reactiegassen. Het watergehalte van het buskruit levert daarmee een belangrijke bijdrage aan de explosieve (gas)druk.

Dynamiet

Nobelprize.org

Alfred Nobel (1833-1896) heeft miljoenen verdiend met de produktie en verkoop van dynamiet. Nobel leerde het vak van zijn vader, Immanuel Nobel. De Zweedse familie had een munitiefabriek in St. Petersburg en leverde oorlogsmateriaal voor de Krimoorlog (1854-1856). Immanuel Nobel fabriceerde mijnen met buskruit, maar was op zoek naar een krachtiger alternatief. Hij kwam terecht bij nitroglycerine, dat in 1847 voor het eerst door de Italiaanse chemicus Ascanio Sobrero was gemaakt. Voordat hij resultaat had met zijn onderzoek was de Krimoorlog echter voorbij en ging zijn bedrijf failliet.

De familie Nobel keerde in 1863 naar Zweden terug. Alfred Nobel werd er beroemd (en maakte fortuin) met de uitvinding van dynamiet. Nitroglycerine is een zeer schokgevoelige vloeistof en daarom een zeer gevaarlijke springstof. Nobel ontdekte dat absorptie van nitroglycerine in kiezelgoer (een poreuze, krijtachtige afzetting van de pantsers van kiezelwieren) een hanteerbare en relatief veilige springstof opleverde: dynamiet.

Met andere bindmiddelen, zoals zaagsel, zetmeel en schietkatoen maakt men diverse soorten dynamiet. Daarnaast wordt vaak twintig tot zestig procent ammoniumnitraat als extra zuurstofbron toegevoegd. Koolstof (in organische verbindingen) en zuurstof (in nitroverbindingen) zijn op deze manier goed met elkaar ‘vermengd’. Dynamiet wordt vooral gebruikt voor vreedzame doeleinden.

Raketten

ESA, vrijgegeven in het publieke domein

In de ruimtevaart wordt veelvuldig gebruik gemaakt van vaste brandstoffen. In deze brandstoffen treedt een gecontroleerde explosie op, een deflagratie. In feite is een raket niets anders dan een uit de kluiten gewassen vuurpijl. De brandstof van de grote stuwraketten of boosters, die de eerste twee minuten na de start extra stuwkracht leveren, bestaat voor 70% uit ammoniumperchloraat, voor 16% uit aluminium-poeder en voor 14% uit organisch bindmiddel. Het bindmiddel is een polymeer van butadieen, acrylonitril, acrylzuur en een epoxyhars. Het brandstofmengsel bevat bovendien nog een kleine hoeveelheid ijzer(III)oxyde als katalysator. In totaal bevatten de boosters van een grote raket of Space Shuttle zo’n miljoen kilogram vaste brandstof. Een booster is gemaakt voor maximale stuwkracht, niet voor volledige verbranding van de brandstof.

Vanaf zo’n 200ºC begint de deflagratie van ammoniumperchloraat. Die reactie levert zuurstof en chloor voor de verbranding van het aluminium en het bindmiddel. Binnen twee minuten brengen de boosters zo’n 218 ton zoutzuur, 23,6 ton chloorgas, 6,4 ton stikstofoxyden en 276 ton aluminiumoxyde in de atmosfeer. Binnen een straal van 34 km van de lanceerplaats komt zo’n 55 ton zoutzuur op de grond terecht. Elke lancering veroorzaakt dan ook een aanzienlijke schade aan het milieu.

De tekst van dit artikel is afkomstig uit Natuur en Techniek van december 1990. De afbeeldingen zijn niet uit het oorspronkelijke artikel.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 13 juni 1997

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.