Vuurwerk: Knallen en kleuren

Vuurwerk: Knallen en kleuren
www.kennislink.nl, december 2006
Tijdens de jaarwisseling zullen we er ons met z’n alleen weer aan ergeren en 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.
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.
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.