De explosieve chemie van buskruit

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).

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.

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.

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).

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.

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.