Wissenschaftliche Gerüchtezerstörung | Die Chemie in Feuerwerkskörpern und Knallkörpern

Generalsekretär Xi Jinping betonte: „Wissenschaftliche und technologische Innovation und die Popularisierung der Wissenschaft sind die beiden Säulen innovativer Entwicklung. Wir müssen die Popularisierung der Wissenschaft auf die gleiche Stufe mit wissenschaftlicher und technologischer Innovation stellen. Ohne eine allgemeine Verbesserung der wissenschaftlichen Kompetenz der gesamten Bevölkerung wird es schwierig sein, ein großes Heer hochqualifizierter Innovatoren aufzubauen und eine schnelle Transformation wissenschaftlicher und technologischer Errungenschaften zu erreichen.“ Artikel 4 des Kapitels 1 des „Gesetzes der Volksrepublik China zur Popularisierung von Wissenschaft und Technik“ (im Folgenden „Gesetz zur Popularwissenschaft“) besagt: „Populärwissenschaft ist eine gemeinnützige Aufgabe und ein wichtiger Teil des Aufbaus der sozialistischen materiellen und geistigen Zivilisation. Die Entwicklung der populärwissenschaftlichen Sache ist eine langfristige Aufgabe des Staates.“ In Artikel 8 des ersten Kapitels heißt es: „Populärwissenschaftliche Arbeiten sollten dem wissenschaftlichen Geist entsprechen und sich der Pseudowissenschaft widersetzen und ihr Widerstand leisten.“

Der Staatsrat hat den „Grundriss des Nationalen Aktionsplans zur Förderung der naturwissenschaftlichen Bildung (2021–2035)“ (im Folgenden „Grundriss“ genannt) herausgegeben und plant, während der Laufzeit des „14. Fünfjahresplans“ fünf Maßnahmen zur Verbesserung der naturwissenschaftlichen Bildung für junge Menschen, Landwirte, Industriearbeiter, ältere Menschen, Führungskader und Beamte umzusetzen. Bis 2025 wird der Anteil der Bürger mit naturwissenschaftlichen Kenntnissen 15 % übersteigen und bis 2035 wird der Anteil der Bürger mit naturwissenschaftlichen Kenntnissen 25 % erreichen.

Heute sprechen wir über die chemischen „Gerüchte“ über Feuerwerk und Knallkörper, die uns im Alltag oft begegnen und die wir hören!

Gerücht 1: Feuerwerk ist bunt, weil es farbige Substanzen enthält.

Gerücht 2: „Internet-Promi-Feuerwerk“ ist das sicherste Feuerwerk

Beginnen wir mit dem Ursprung des Feuerwerks.

Feuerwerk entstand aus Feuerwerk, Feuerwerk entstand aus Schießpulver, mein Land ist die Heimatstadt des Schießpulvers und Schießpulver ist der Beweis der alten chinesischen Zivilisation. Bereits vor über 1.300 Jahren dokumentierte der berühmte Mediziner Sun Simiao in „Dan Jing“ detailliert die Zusammensetzung und Eigenschaften des damaligen Schießpulvers. Erst im 14. Jahrhundert wurde Schießpulver aus Indien und Arabien nach Europa eingeführt, und zu diesem Zeitpunkt erfuhren die Menschen im Westen erstmals von der Existenz von Schießpulver. Historischen Aufzeichnungen und einschlägigen Literaturwerken zufolge entwickelte sich während der Sui- und Tang-Dynastien das Schießpulver zu einem Feuerwerk zur Unterhaltung. Feuerwerk, auch Feuerwerk und Feuerwerkskörper genannt.

Während der Xuanhe-Zeit (119–1125) der Nördlichen Song-Dynastie war die Herstellung von Feuerwerkskörpern in meinem Land, bei denen Schießpulver als Rohstoff verwendet wurde, ausgereift und es gab groß angelegte Gestellfeuerwerke wie „Gestellfeuerwerke“ und „Bonsai-Feuerwerke“. In der Ming- und Qing-Dynastie erfreuten sich Knallkörper und Feuerwerkskörper bei der chinesischen Bevölkerung großer Beliebtheit. Bei Hochzeiten, Beerdigungen, Feiern und Festen zündeten die Menschen Knallkörper und Feuerwerkskörper, um ihre Glückwünsche auszudrücken oder zu den Göttern und Vorfahren zu beten, damit sie der ganzen Familie Erfolg schenken und alle Wünsche in Erfüllung gehen.

Übrigens ist die weit verbreitete Aussage, man müsse Feuerwerkskörper und Knallkörper zünden, um das „Nian-Biest“ zu vertreiben, nur eine von modernen Menschen erfundene Legende. Man muss es sich einfach anhören!

Warum sind Feuerwerke bunt?

Warum sind Feuerwerkskörper und Knallkörper grün? Manche sagen, es liegt daran, dass Pigmente hinzugefügt werden? Oder gab es eine chemische Reaktion, die die Farbe erzeugte? ... Es gibt viele verschiedene Erklärungen für die Farben von Feuerwerkskörpern. Welcher sollten wir glauben?

Nach der Konsultation der Informationen erfuhren wir, dass sich die chemische Zusammensetzung von Feuerwerkskörpern und Knallkörpern grob in vier Kategorien unterteilen lässt.

Die erste Kategorie sind Oxidationsmittel wie Nitrate, Chlorate usw.

Die zweite Kategorie umfasst brennbare Stoffe wie Schwefel, Holzkohle, Magnesiumpulver und roten Phosphor. Das Schießpulver in Feuerwerkskörpern wird auf Basis der schwarzen Flamme aus 1 Schwefel, 2 Salpeter und 3 Kohlenstoff hergestellt. Die Explosionsreaktion nach der Zündung ist hauptsächlich:

Die dritte Kategorie sind Flammenfarbstoffe wie Bariumsalze, Strontiumsalze, Natriumsalze und Kupfersalze.

Die vierte Kategorie sind andere Arzneimittel mit Spezialwirkung.

Anhand der Zusammensetzung von Feuerwerkskörpern können wir erkennen, dass die Flammenfärbung die Farbe des Feuerwerks bestimmt. Bei den flammenfärbenden Substanzen handelt es sich überwiegend um Metallverbindungen.

Der berühmte Chemiker Herr Fu Ying sagte einmal: „Chemie ist eine experimentelle Wissenschaft, und nur Experimente sind das höchste Gericht.“ Daher haben wir ein Verbrennungsexperiment mit Metallverbindungen durchgeführt und die Farbe der Flamme beobachtet.

Durch experimentelle Untersuchungen haben wir herausgefunden, dass die Farbe des Flammenfarbstoffs (Metallverbindung) selbst nichts mit der Farbe der brennenden Flamme zu tun hat. Daher ist die Farbe von Feuerwerkskörpern die charakteristische Farbe der Flamme beim Verbrennen der Metallverbindung und nicht die Zugabe farbiger Substanzen. In der Chemie wird dieser Vorgang als Flammenfarbreaktion (oder Flammenfarbtest) bezeichnet.

Flammenfarbtest von Metallen

Handelt es sich bei diesem Vorgang um eine chemische Reaktion?

Mit solchen Zweifeln konsultierten wir die High School Chemistry Selection 2 des People's Education Press und Universitätslehrbücher und erkannten die farbenfrohe Natur von Feuerwerk und Knallkörpern!

Die Entstehung der Flammenfarbe hängt mit der Veränderung der elektronischen Energie von Metallatomen oder -ionen zusammen und geht nicht mit Veränderungen der Struktur oder Zusammensetzung des Materials einher. Daher ist die Flammenfarbreaktion nur eine physikalische Veränderung!

Können viele von Ihnen nach diesem Anblick dem Drang nicht widerstehen, ein Feuerwerk zu zünden und sich das farbenfrohe Feuerwerk anzusehen? Seien Sie nicht ungeduldig, lesen Sie zuerst das Folgende!

Warum gibt es vielerorts deutliche Verbote für den Einsatz von Feuerwerkskörpern und Knallkörpern?

Aus Sicht der Luftverschmutzung werden durch das Zünden von Feuerwerkskörpern und Knallkörpern viel Staub und Luftschadstoffe (einschließlich Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid, Stickoxid usw.) freigesetzt, was zu unterschiedlich starker Luftverschmutzung führt. Aus der Perspektive der Lärmbelästigung liegt der Lärm, der durch die Explosion von Knallkörpern entsteht, im Durchschnitt bei etwa 100 Dezibel, kann aber auch über 120 Dezibel erreichen. Untersuchungen und Analysen zufolge übersteigt die Geräuschentwicklung beim Zünden von Feuerwerkskörpern und Knallkörpern die für den Menschen erträgliche ideale Lautstärke (15–40 Dezibel) bei weitem.

Der Vorgang des Zündens von Feuerwerkskörpern

Mithilfe der Stoffmenge in der chemischen Gleichung haben wir die beim Zünden von Feuerwerkskörpern entstehende Schwefeldioxidmenge quantitativ berechnet. Aus den Berechnungsergebnissen können wir Folgendes ersehen: Wenn wir den fächerförmigen Blumentopf als Beispiel nehmen und davon ausgehen, dass alle vier Personen jedes Jahr 20 Schüsse dieser Art von Feuerwerkskörpern zünden, dann beträgt die Menge an Schwefeldioxid, die allein in der Provinz Jiangsu in einem Jahr produziert wird, etwa 1.030 Tonnen, und wenn man sie auf das ganze Land hochrechnet, beträgt sie sogar etwa 17.100 Tonnen. (Die Zahlen sind erstaunlich!!!)

Aber wissen Sie es?

Am 27. Oktober 2017 veröffentlichte die Internationale Agentur für Krebsforschung der Weltgesundheitsorganisation eine vorläufige Liste von Karzinogenen als Referenz, und Schwefeldioxid stand auf der Liste der Karzinogene der Klasse 3; Darüber hinaus wird die Entstehung von saurem Regen durch die vom Menschen verursachte Emission großer Mengen säurehaltiger Substanzen (wie Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid) in die Atmosphäre verursacht.

Wissen Sie nun, warum es in vielen Orten unseres Landes klare Verbote für die Verwendung von Feuerwerkskörpern und Knallkörpern gibt?

Der Aufstieg des „Internet-Promi-Feuerwerks“

In jüngster Zeit haben einige skrupellose Händler die Gelegenheit genutzt, „Internet-Promi-Feuerwerk“ wie Stahlwolle-Feuerwerk und Feenstäbe unter dem Vorwand zu verkaufen, die Umweltverschmutzung durch Feuerwerkskörper und Knallkörper zu reduzieren, und behaupteten, dieses Feuerwerk sei „das sicherste Feuerwerk“. Haben Sie schon einmal ein solches „Feuerwerk“ gekauft und gezündet?

Ist solch ein schönes „Feuerwerk“ wirklich das „sicherste Feuerwerk“, wie die Händler behaupten? Wie gut kennen Sie sich mit diesem „Internet-Promi-Feuerwerk“ aus?

Was sind Feuerwerkskörper aus Stahlwolle?

Stahlwolle ist den Angaben zufolge auch Stahlfaser und Stahlwolle. Es besteht aus kohlenstoffarmem Stahl in Filamenten von 0,125–0,189 mm. Ein Vergleich der aktuellen nationalen Normen für kohlenstoffarmen Stahl und reduziertes Eisenpulver zeigt, dass der Eisengehalt beider Werkstoffe sehr nahe beieinander liegt und bei etwa 98 bis 99,135 % liegt.

Um die Zusammensetzung von Stahlwolle zu überprüfen, haben wir außerdem einen Versuchsplan entworfen, um zu beweisen, dass der Hauptbestandteil von Stahlwolle Eisen ist (einschließlich Reaktionen von Stahlwolle mit verdünnter Salzsäure, Stahlwolle mit Kupfersulfatlösung und in der Luft brennender Stahlwolle).

Die experimentellen Phänomene lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Stahlwolle reagiert mit verdünnter Salzsäure und erzeugt Blasen

Stahlwolle und Wasserdampf erzeugen brennbares Gas – Wasserstoff bei hohen Temperaturen

Stahlwolle reagiert mit Kupfersulfatlösung, die blaue Farbe verblasst allmählich und rote Substanzen scheiden sich auf der Oberfläche der Stahlwolle ab

Stahlwolle brennt in der Luft, Funken fliegen überall herum

Die obigen Ergebnisse können beweisen, dass der Hauptbestandteil von Stahlwolle Eisen ist.

Daher enthält „Stahlwolle-Feuerwerk“ keine pyrotechnischen Stoffe und ist kein Feuerwerk, das Zünden dieses Artikels ist jedoch äußerst gefährlich! Huang Chaxiang, Vorsitzender des Nationalen Technischen Komitees für die Standardisierung von Feuerwerkskörpern und Knallkörpern, erklärte, dass die Flammentemperatur von „Stahlwolle-Feuerwerkskörpern“ extrem hoch sei und über 2000 °C erreiche.

Was ist kaltes Feuerwerk?

Bühnenfontänenfeuerwerk, Geburtstagsfeuerwerk, Feenstäbe usw. sind allesamt „kaltes Feuerwerk“. Glauben Sie, dass es sich nicht um ein Feuerwerk handelt und es sicher gezündet werden kann, weil es „klein ist, eine kleine Flamme hat und wenig Rauch erzeugt“?

Tatsächlich handelt es sich bei kaltem Feuerwerk um eine Art pyrotechnisches Material, das als Hauptzündeffekt helle silberne Funken oder Funken erzeugt, mit weniger Rauch und Rückständen. Sein Hauptbestandteil ist eine pyrotechnische Zusammensetzung. Da kaltes Feuerwerk beim Zünden extrem helles weißes Licht ausstrahlt und so ein „kaltes“ Gefühl vermittelt, erinnert es an „kalte Lichtquellen“, die auf dem Mechanismus der Fluoreszenz basieren (wie etwa Leuchtstäbe). Daher nannten die frühen Wissenschaftler und Techniker, die diese Art von Feuerwerk entwickelten, es bildlich „Kaltlichtfeuerwerk“ oder „kaltes Feuerwerk“, und im Ausland wird es auch „Eis- und Feuerfontäne“ genannt.

Untersuchungen zufolge bestehen die Hauptbestandteile der derzeit in China produzierten Kaltlichtfeuerwerkskörper aus einbasigem Arzneimittel (der Hauptbestandteil ist Nitrozellulose) und bestimmten speziellen Metallmaterialien wie Titanpulver, Zirkoniumpulver usw. Im Prinzip durchlaufen diese Feuerwerkskörper beim Zünden eine kontinuierliche exotherme chemische Reaktion. Die Temperatur an der Düse von kaltem Feuerwerk beträgt über 1000 °C und die Funkentemperatur kann im Allgemeinen 100 bis 200 °C erreichen. Einige größere Funkenpartikel können über 500 °C erreichen. Diese heißen Funken sind sehr energiereich und können einen Brand verursachen. Was den Lumineszenzmechanismus betrifft, handelt es sich bei der Lumineszenz von kaltem Feuerwerk im Wesentlichen um ein kontinuierliches Spektrum auf der Grundlage von Wärmestrahlung mit sehr wenigen linearen Spektren und Bandspektren und nicht um eine Lumineszenz von kaltem Licht.

Daher ist die Temperatur von kaltem Feuerwerk beim Zünden nicht niedrig, insbesondere ist die Temperatur in der Nähe der Feuerwerksdüse und einiger größerer Funkenpartikel sehr hoch. Es handelt sich um brennbare und explosive Gefahrgüter, von denen große Gefahren ausgehen.

Verwandte Richtlinien

Am 16. Februar 2021 organisierte das Büro der Arbeitssicherheitskommission des Staatsrats eine Sondersitzung, um Untersuchungen und rigorose Maßnahmen gegen illegale und unregelmäßige Aktivitäten im Zusammenhang mit der Herstellung, dem Transport und dem Verkauf von Kaltlichtfeuerwerkskörpern und „Stahlwolle-Feuerwerkskörpern“ einzuleiten und eine Bekanntmachung mit der Formulierung von Anforderungen zu erlassen. In der Mitteilung wurde betont, dass sämtliche derzeit in physischen Geschäften und auf Online-Plattformen verkauften „Stahlwolle-Feuerwerkskörper“ aus den Regalen genommen und ordnungsgemäß entsorgt werden müssen.

Fassen wir zusammen

Gerücht 1: Feuerwerk ist bunt, weil es farbige Substanzen enthält

Wissenschaftliche Erkenntnisse: Die bunten Flammen beim Abfeuern von Feuerwerkskörpern entstehen durch die Flammenfarbreaktion der Metallelemente im Farbstoff, und die Flammenfarbreaktion ist eine physikalische Veränderung.

Gerücht 2: „Internet-Promi-Feuerwerk“ ist das sicherste Feuerwerk

Wissenschaftliches Verständnis: Zu den „Internet-Promi-Feuerwerken“ zählen Stahlwolle-Feuerwerk, Kaltfeuerwerk usw. Obwohl Stahlwolle kein Feuerwerk ist, ist sie beim Zünden äußerst gefährlich. Kaltes Feuerwerk ist eine Art von Feuerwerkskörpern und seine grundlegenden Eigenschaften als brennbares und explosives Gefahrgut haben sich nicht geändert!

Sicherheitstipps

Sicherheitstipps für Feuerwerk:

Alle Feuerwerkskörper sollten im Freien gezündet werden

Halten Sie sich von gesetzlich verbotenen Bereichen fern und zünden Sie kein Feuerwerk an Orten, die die Sicherheitsbedingungen nicht erfüllen, wie z. B. Treppenhäuser, Gassen, Hochspannungsleitungen, Wiesen und Wälder usw. Feuerwerk wird im Allgemeinen mit Rauch oder Weihrauch angezündet. Nach dem Entzünden sofort an einen sicheren Ort bringen. Wenn eine ungewöhnliche Situation auftritt, nähern Sie sich dem Produkt bitte nicht sofort. Warten Sie im Allgemeinen 15 Minuten, bevor Sie es anfassen.

Zünden Sie Feuerwerkskörper niemals in Richtung brennbarer Gegenstände oder Personen.

So gehen Sie bei Verletzungen durch Feuerwerkskörper vor:

Nach einer Verletzung muss die Gewebetemperatur an der Operationsstelle schnell gesenkt werden. Außerdem müssen Behandlungsmethoden wie Kaltwasserspülungen und Eiskompressen angewendet werden, um die Schwellung zu reduzieren und weitere Verletzungen zu verhindern. Nach kalten Kompressen sollte eine lokale Desinfektion durchgeführt werden. Bei Schäden sollten Sie sich schnellstmöglich zur Behandlung in ein reguläres Krankenhaus begeben. Verletzungen an Kopf, Ohren, Augen, Nase und Gesicht sollten nicht auf die leichte Schulter genommen und alle im Krankenhaus behandelt werden, um Behandlungsverzögerungen zu vermeiden.

Autoren: Ding Yi, Nan Feicheng, Li Zhurui, Yang Xuerou, Gu Mingzhe, Tang Yifan, Wo Jianqiang

Hinweis: Ding Yi ist der Dozent (Nanjing Normal University) und die anderen Autoren sind alle Gymnasiasten der Nanjing Zhonghua Middle School.