Hoe werkt vuurwerk?

Tijdens de jaarwisseling zullen we er ons met z’n allen weer aan vergapen. De knallen en kleuren van het hedendaagse vuurwerk vinden hun oorsprong in elementaire chemie die al vele eeuwen oud is. Oxidatie- en reductiereacties zorgen voor de knal. Metaalverbindingen voor de kleur. IJzer, houtskool, magnesium, aluminium en titaan voor de vonkenregen. Het levert een prachtig schouwspel op, maar ook een hoop troep.

29 december 2004

Waren het de Chinezen of de Bengalen? Eeuwenlang golden de Chinezen als de uitvinders van het vuurwerk. Maar wellicht is het Chinese vuurwerk het resultaat van een vroegere ontdekking in Bengalen (het gebied van de Ganges-delta, tegenwoordig Bangladesh). Het eerste ‘vuurwerk’is mogelijk ontstaan bij het koken van voedsel op een houtvuur. Als smaakversterker maakte men bij gebrek aan zout regelmatig gebruik van salpeter, dat op bepaalde plaatsen aan de oppervlakte voorkwam. Mogelijk is er wat salpeter terecht gekomen op een smeulend houtskoolvuuurtje en kwamen zo de bijzondere neveneffecten aan het licht.

Hoe het ook zij, zeker is dat in China al duizenden jaren geleden vuurwerk werd gebruikt. Vooral knalvuurwerk, dat diende om boze geesten te verdrijven. Het duurde tot in de middeleeuwen voordat Europeanen er mee aan de slag gingen. Niet op een erg feestelijke manier overigens, want het werd vooral gebruikt voor de oorlogsvoering.

‘Vuurwerkmaker’ was in de jaren van de alchemie een belangrijk en geheimzinnig beroep en de receptuur werd door deze mensen grotendeels geheimgehouden. Maar met de ontwikkeling van de scheikunde in de negentiende eeuw werd de kennis gemeengoed en kon de ontwikkeling van vuurwerk een grote vlucht nemen.

Al vanaf de uitvinding van het buskruit zijn explosieven een geliefd onderwerp voor studie. Dit boekje uit de collectie van de TU Delft stamt uit 1611 en behandelt de vervaardiging van kunstvuurwerk voor feestelijkheden. (Romano, A. / Pyrotechnica, hoc est de ignibus festivis.) Beeld: TU Delft

Siervuurwerk werd in eerste instantie vooral gebruikt om belangrijke feesten luister bij te zetten. Rond de jaarwisseling werd alleen veel lawaai gemaakt – volgens de Germaanse traditie was dat nodig om de kwade geesten weg te jagen. Men schoot vooral met vuurwapens in de lucht. Waarschijnlijk vond men het niet nodig om speciaal knalvuurwerk te maken want over het toenmalig gebruik van strijkers, rotjes, kanonslagen en dergelijke is nauwelijks iets bekend.

Het hedendaagse wijdverbreide gebruik van (sier)vuurwerk tijdens de jaarwisseling is nauwelijks een halve eeuw oud. In de jaren na de Tweede Wereldoorlog had men weinig behoefte aan het knallend inluiden van het nieuwe jaar en was er eigenlijk ook weinig geld voor zo’n verspillende activiteit. Pas in de zestiger jaren van de vorige eeuw kwamen rotjes, zevenklappers, gillende keukenmeiden en vuurpijlen echt in zwang.

Knallen

De simpelste vuurwerktelg, het rotje, bestaat uit niets meer dan buskruit verpakt in een kartonnen kokertje. Als je via de lont het buskruit aansteekt, vindt er een reactie plaats waarbij veel koolstofdioxide en stikstof vrijkomt. Door de omzetting van vaste stoffen in gassen neemt de druk in het kokertje razendsnel toe, totdat het rotje met een flinke knal uit elkaar spat.

Het recept voor een rotje is simpel: kaliumnitraat (salpeter), houtskoolpoeder en zwavel, in een verhouding van ongeveer 15:3:2, net zoals in het buskruit dat Chinezen al meer dan duizend jaar geleden gebruikten. Deze samenstelling is door de eeuwen heen nauwelijks veranderd. Dat is ook niet verwonderlijk omdat de bestanddelen goedkoop, niet giftig, én niet schadelijk voor het milieu zijn. Bovendien is het mengsel – mits droog bewaard – stabiel.

Beeld:Karin Schwandt; Natuurwetenschap en Techniek

Kleuren

De pyrotechnische mengsels (ofwel ‘sassen’) in siervuurwerk zijn niet alleen bedoeld om een zo hard mogelijk knal te geven. Ze zorgen vooral ook voor kleuren, vonken, rook en fluitende geluiden. Het mengen van de sassen is vakwerk. Dus: don’t try this at home. Alleen als alles in de juiste verhouding gemengd is, zal het op het juiste moment, bij de juiste temperatuur en met de gewenste reactieproducten ontbranden.

Veel van de verbindingen die voor de kleuren zorgen, zijn te instabiel om op te slaan. Vuurwerkmakers moeten ervoor zorgen dat ze in de lucht ontstaan. Dat kan heel goed mislukken. Als de ontbrandingstemperatuur te hoog of te laag is, dan treedt het gewenste kleureffect niet op.

De meeste kleuren die bij vuurwerk te zien zijn, ontstaan door emissie van licht door metalen of metaalverbindingen. De buskruitexplosie voert zoveel energie toe dat de atomen van deze verbindingen worden ‘aangeslagen’, dat wil zeggen dat de elektronen naar een verhoogd energieniveau worden gebracht. De prachtige kleuren ontstaan als die elektronen weer naar hun ‘gewone’ energieniveau terugkeren.

De stoffen die in vuurwerk worden gebruikt zijn speciaal uitgezocht op de eigenschap dat ze maar één kleur licht produceren. De kleuren zijn hierdoor zuiver en helder. Natrium, dat een oranje/gele kleur geeft, is heel dominant. Vuurwerkmakers moeten er goed op letten, dat het metaal niet onbedoeld in anderkleurig vuurwerk terechtkomt. De kleinste verontreiniging kan de oorspronkelijk bedoelde kleur dan al in oranje/geel veranderen.

Niet alleen emissie zorgt voor lichteffecten. Een goudkleurige vonkenregen bestaat uit kleine ijzer- of houtskooldeeltjes die in de explosie zo heet zijn geworden dat ze zijn gaan gloeien. Een zilveren vonkenregen wordt veroorzaakt door verbranding van aluminium- of magnesiumdeeltjes. Witte flitsen ontstaan door grotere aluminium- of magnesiumdeeltjes.

Ook geluiden ontstaan door verbranding van stoffen. De schelle fluit van de gillende keukenmeiden wordt veroorzaakt door een mengsel van chloraat en benzoaten. Dit mengsel verbrandt laagje voor laagje, waardoor de gasvormige reactieproducten in korte pulsen vrijkomen. Als deze pulsen door een smal kartonnen pijpje geleid worden, ontstaat de schelle fluittoon.

Er bestaat ook vuurwerk met meerdere compartimenten, elk met een ander effect (kleur, klap of fluit). Als één compartiment explodeert, steekt het een vertragingslont aan die naar het volgende compartiment loopt. De verbranding van de lont mag uiteraard geen gasvormige producten opleveren. Voor de brandstoffen in de vertragingslonten gebruikt men daarom meestal elementair silicium en boor.

Milieuvervuiling

De bijna twintig miljoen kilo vuurwerk die jaarlijks in Nederland en België de lucht in gaat, levert de nodige troep op. Verreweg het meeste daarvan (90%) is vast afval: papier, hout, kunststof en klei.

Volgens onderzoek van het Nederlandse Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieuhygiëne (RIVM) raakt de lucht in de Nieuwjaarsnacht bezwangerd met roet, zwaveldioxide, stikstofoxiden en stofdeeltjes. Water en grond raken verontreinigd met giftige metalen zoals koper, antimoon, strontium en barium.

De verontreinigde lucht is hoogst onprettig voor astmapatiënten, en barium en strontium zijn giftige zware metalen. De Nederlandse organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO) heeft daarom gezocht naar alternatieven. Barium kan worden vervangen door boorverbindingen. Volgens TNO krijg je dan dezelfde groene kleur. Verbindingen van calcium en lithium leveren respectievelijk oranje en roze op, en zijn dus een alternatief voor de rode strontiumkleur.

Barium en strontium uit vuurwerk overstijgen weliswaar niet de door de Nederlandse overheid gestelde normen, maar alle beetjes helpen in de strijd tegen milieuvervuiling. De kopernormen voor water worden in Nederland wél overschreden. De twee ton koper uit vuurwerk die het oppervlaktewater bereikt in Nederland, staat garant voor 3% van de totale koperbelasting. De koperconcentratie blijkt in januari echter nauwelijks verhoogd, hebben metingen van diverse waterschappen uitgewezen. De vervuiling door vuurwerk is dus voornamelijk visueel. We hebben meer last van de rode papiertjes op straat dan van de chemische reacties in de lucht.

Een gedeelte van dit artikel werd eerder gepubliceerd in het decembernummer van Natuurwetenschap en Techniek in 2003.