Vlamkleuring

Tom._CF

Ik doe mijn profielwerkstuk over vlamkleuring, toegepast op vuurwerk. Ik vraag me nu af of nou eigenlijk atomen verantwoordelijk zijn voor de vlamkleuring, of ionen. Op veel sites wordt namelijk gesproken over atomen, terwijl je bij vlamkleuring juist oplossingen van zouten (ionen) in de vlam houdt. Kan iemand me dit uitleggen?

Daarnaast heb ik nog een vraag. Als drie onderzoeksvragen heb ik:

- 1. Welke lichtemissies worden veroorzaakt door de meest voorkomende metaalzouten in vuurwerk?

- 2. Welke invloed(en) heeft/hebben verschillende negatieve ionen van een zout op de luminescentie?

- 3. Bestaat er bij een verband tussen de plaats van het element in het periodiek systeem en de lichtemissie?

Bij de eerste vraag gaat het gewoon om een controlerend onderzoekje, eventjes de meest voorkomende metalen in vuurwerk in de vlam houden.

Bij de tweede vraag wil ik uitzoeken of het uitmaakt of je bijvoorbeeld NaCl, NaNO3 of doe 'ns even gek... Na2PO4, in de vlam houdt. Kan het kloppen dat de laatste het niet doet omdat dit zout niet vluchtig genoeg is?

Bij de derde vraag wil ik op zoek naar regelmatigheden wanneer ik bijvoorbeeld LiCl, NaCl, KCl, RbCl en CsCl in de vlam houdt. Tabel 24 in Binas geeft wel regelmatigheden wanneer je naar 't rijtje alkalimetalen kijkt.

Wat ik me nu afvraag: zijn dit geschikte onderzoeksvragen?

Bij voorbaat dank voor de hulp.

woelen

Het hele verhaal van kleuring door metaalverbindingen in vuurwerk is best een complex verhaal. Je kunt helaas lang niet altijd eenvoudig zeggen dat metaal A een bijbehorende kleur geeft. Zo geeft koper soms groene vlamkleuring, soms blauwe. Toevoeging van bijv. chloride ionen maakt voor sommige metalen de vlamkleuring veel intenser, maar ook iets anders van kleur.

Ik denk dat je voor de alkalimetalen wel kunt stellen dat de ionen voor de vlamkleuring verantwoordelijk zijn. Natrium ionen zijn zo dominant oranje, dat het helemaal niks meer uitmaakt wat je er verder nog bij hebt. De andere alkalimetaal ionen leveren veel subtielere vlamkleuring.

Voor de aardalkalimetalen is de invloed van het anion al groter, voor de transitiemetalen is ook het anion van groot belang. Zo zijn de metaalchloriden relatief vluchtig, veel meer dan de oxiden. Om deze reden wordt vaak een chloorverbinding toegevoegd aan vuurwerk (bijv. hexachloorethaan, of heel fijngemalen PVC).

Al met al denk ik dat je met die drie vragen die je geformuleerd hebt een mooi stuk onderzoek te doen en daar kun je echt wel wat van maken. Leuke experimenten in de praktijk met veel (gekleurd) vuur en rook, maar ook een flink stuk theorie (energie niveaus, quantummechanica). Voor een echt goed verhaal zul je wel wat moeite er in moeten stoppen.

Tom._CF

woelen schreef: Het hele verhaal van kleuring door metaalverbindingen in vuurwerk is best een complex verhaal. Je kunt helaas lang niet altijd eenvoudig zeggen dat metaal A een bijbehorende kleur geeft. Zo geeft koper soms groene vlamkleuring, soms blauwe. Toevoeging van bijv. chloride ionen maakt voor sommige metalen de vlamkleuring veel intenser, maar ook iets anders van kleur.

Ik denk dat je voor de alkalimetalen wel kunt stellen dat de ionen voor de vlamkleuring verantwoordelijk zijn. Natrium ionen zijn zo dominant oranje, dat het helemaal niks meer uitmaakt wat je er verder nog bij hebt. De andere alkalimetaal ionen leveren veel subtielere vlamkleuring.

Voor de aardalkalimetalen is de invloed van het anion al groter, voor de transitiemetalen is ook het anion van groot belang. Zo zijn de metaalchloriden relatief vluchtig, veel meer dan de oxiden. Om deze reden wordt vaak een chloorverbinding toegevoegd aan vuurwerk (bijv. hexachloorethaan, of heel fijngemalen PVC).

Al met al denk ik dat je met die drie vragen die je geformuleerd hebt een mooi stuk onderzoek te doen en daar kun je echt wel wat van maken. Leuke experimenten in de praktijk met veel (gekleurd) vuur en rook, maar ook een flink stuk theorie (energie niveaus, quantummechanica). Voor een echt goed verhaal zul je wel wat moeite er in moeten stoppen.

Ik verwachtte al dat het een pittig onderdeel zou zijn, maar een profielwerkstuk mag best wel wat diepgang hebben vind ik. En té moeilijke dingen kan ik er als het echt niet anders kan nog wel uitlaten.

Ik heb nog twee vragen met betrekking op je reactie:

Wat wordt nou eigenlijk precies bedoelt met 'vluchtig zout'? Is dat een zout dat snel verdampt? En is daardoor de concentratie ionen in de vlam groter waardoor het geheel voor meer kleureffect zorgt? En wanneer het zout verdampt, is het dan in ionen gesplitst of is de ionbinding nog steeds in stand?

Als tweede vraag ik me af hoe een negatief ion dan invloed uitoefent op de lichtemissie. Lichtemissie ontstaat doordat een elektron in aangeslagen toestand terugkeert naar de grondtoestand. Hoe kan het anion in staat zijn daar invloed op uit te oefenen?

Thionyl

Kleuren, OK, maar hexachloorethaan is rookbomspul en PVC levert rook + dioxines.

Lijkt me allemaal minder wenselijk als het alleen om de kleuren gaat.

woelen

Thionyl, het is toch echt waar dat in goed vuurwerk PVC of hexachloorethaan wordt gebruikt. Rookbommen en/of dioxinen krijg je als je te veel toevoegt, maar in kleine hoeveelheden kan het de kleuren sterk intensiveren. In kleine hoeveelheden toegevoegd wordt het volledig verbrand tot CO₂ en chloride. Kijk maar eens op een site als www.skylighter.com wat ze daar allemaal als chloordonor aanbieden. Dit moet je echt niet associeren met stoere jochies gedoe die zo nodig met een PVC-buis, kunstmest en kruit willen rommelen

Een vluchtig zout is een zout dat relatief eenvoudig verdampt. Zo is een zout dat al enigszins verdampt bij 500 graden zeer vluchtig, en dat omdat in vuurwerk de temperaturen erg hoog kunnen liggen.

In dampvorm kun je er van uit gaan dat er hoofdzakelijk moleculen zullen zijn, met kleine hoeveelheden vrije ionen. Bij voldoende hoge temperatuur krijg je opsplitsing in ionen.

Een negatief ion kan wel degelijk invloed hebben op de emissie. Bijvoorbeeld bij koper is het vrijwel nooit het ion Cu²⁺ dat emissie vertoont, maar een ion CuCl⁺ of een molecuul CuCl₂ of CuCl. Zonder aanwezigheid van chloor in de compositie is koper maar zwak aanwezig als kleurenbron, omdat de emissie dan moet komen van Cu⁺ of van oxides van koper. De laatste zijn absoluut niet vluchtig en leiden dus nauwelijks tot kleurvorming. Om die reden wordt veelal een chloordonor toegevoegd en bij de hoge temperaturen in het vuurwerk wordt bijv. CuO of CuCO₃ deels ontleed en treedt recombinatie op met chlooratomen. CuCl₂ zou geweldig zijn als koperbron, maar helaas is dit spul erg hygroscopisch en dat wil je beslist niet in vuurwerk. Een redelijk alternatief is dan CuO/C₂H₆ of CuCO₃/C₂Cl₆, in de vorm van extreem fijn poeder.

Uit bovenstaand voorbeeld zie je nu ook waarom een anion wel degelijk invloed kan hebben. Zelf heb ik wat experimentjes gedaan met CsBrO₃, Ba(BrO₃)₂ en zwavel. Dan kun je heel mooi zien dat het broom uit het bromaat ook leidt tot heel fraaie diepe kleuren. Hier is de oxidator gelijk ook de halogeendonor.

Thionyl

Alles heeft natuurlijk te maken met de dosis, maar van PVC en z'n "volledige??verbranding", is toch wel bekend dat de temperatuur heel hoog moet zijn om uitstoot van dioxine te voorkomen. En daarom denk ik dat er zich wel degelijk dioxines zullen vormen, want alleen in het centrum v/d knal zijn die hoge temperaturen. En dat zijn toch nare zeer zeer giftige en moeilijk afbreekbare stoffen door hun vlakke en stabiele structuur. Maar over eventuele metingen daarbij heb ik ook nooit iets gelezen, wel bij verbandingsovens.

Dus vind ik het vreemd dat men dat toestaat, zeker met de gigantische hoeveelheden die elk jaar afgestoken worden (ter vermaak).

Is salmiak niet voldoende als chloorbron?

Voor mij is het een reden te meer, om niet mee te doen aan vuurwerk of er naar gaan te kijken, behalve op TV. Voor een beetje sier een lading zwaar metaal en ook nog dioxines naar binnen te krijgen, liever niet.

Hoewel ik, tot voor kort, ook dacht dat lasershows wel veilig waren. Maar je zal ook wel gelezen hebben dat dat laatst in Moskou plop plop deed.

Maar je info was, zoals altijd, weer grondig en duidelijk.

woelen

PVC en hexachloorethaan worden niet toegepast in vuurwerkstukken die in een knal afgaan, ze worden toegepast in langzamer brandende composities, waarbij echt alles wordt verbrand. Ik ben er van overtuigd dat gebruik van deze gechloreerde koolwaterstoffen niet leidt tot een ongezonde hoeveelheid dioxines.

Wat betreft de zware metalen, daar valt natuurlijk wel iets van te zeggen. Je ziet daarin dan ook wel verschuivingen. Zo is het gebruik van arseen (voor blauwkleuring) al teruggedrongen, het gebruik van barium (voor groen) wil men nu ook verminderen. Met alleen de niet-giftige of minder-giftige metalen ben je echter wel beperkt (natrium, kalium, lithium, calcium, strontium). Elementair magnesium geeft wit licht (verbranding). Koper is een zwaar metaal, maar komt natuurlijk sowieso wel in de natuur voor en een beetje koper kan niet zo veel kwaad.

Ik meende gelezen te hebben dat de totale hoeveelheid verontreiniging van de lucht met zware metalen t.g.v. het oud&nieuw vuurwerk (fijn stof met zware metaal verbindingen er in) ca. 0,3% van het jaarlijkse totaal is. Het grootste verschil met de andere vervuilingen is dat die uitgesmeerd zijn over de volle 24 uur, het vuurwerk komt in pakweg 30 minuten, dus locaal en tijdelijk kunnen de concentraties te hoog zijn. Ik maak me er echter niet echt druk om, het is maar even en je moet natuurlijk niet in de directe rookwolk van het vuurwerk gaan staan.

Thionyl

Wel Tom. heeft in ieder geval hierdoor een behoorlijke hoeveelheid achtergrond stof om in zijn profielwerkstuk te verwerken. Maar voor mij is toch het enigste gezonde percentage dioxine 0%. En de éne firma zal er ook wel beter mee omgaan als de ander, maar het idee blijft onprettig. Ten slotte is er ook veel illigaal en dus ongecontroleerd spul.

Maar terug naar onderwerp. Ben ook wel benieuwd hoe Tom die kleuren gaat onderzoeken. Wij moesten dat vroeger doen via een tralie en een filmpje, neem aan dat dat nu direct op de computer gaat en dan moet het toch niet zo moeilijk zijn om de invloed van chloride en andere neg. ionen te zien. Verklaren is een ander punt. Maar freq.verschuivingen en intensiteiten natuurlijk wel. Hoe dan ook ik wens Tom succes met z'n onderzoek.

Tom._CF

Pfoe... flinke berg kennis.

Bedankt voor alle info!

Het onderzoek gaan we waarschijnlijk uitvoeren op een Hogeschool (Avans, Breda). Wellicht hebben ze daar een AES-spectrometer. Ik heb snel het een en ander gelezen over zo'n apparaat, en 't schijnt dat je daar dus nauwkeurig golflengtes van licht mee kunt meten. Wanneer een AES-spectrometer niet geschikt is, dan zullen we het inderderdaad door middel van een tralie moeten doen en aan de hand daarvan de golflengte berekenen, zoals hier beschreven.

Maar over het verklaren van de verschijnselen? Kan dit verklaard worden aan de hand van atoommodellen die twee vwo-6'ers met gemiddelde begaafdheid kunnen begrijpen en kunnen toepassen?

Mijn pws-partner heeft zich al verdiept in atoommodellen van Bohr en Sommerfeld. Zit ze daarmee in de goede richting? In welke richting moeten we eigenlijk zoeken naar verklaringen?

Fuzzwood

AES is normaal bedoeld om concentraties stoffen in een bepaald monster te onderzoeken. Dit werkt inderdaad op basis van atomen die aangeslagen worden en terugvallen in de grondtoestand onder uitstraling van licht. Ideaal dus voor wat jij ermee wil doen

woelen

Verklaren kan alleen maar puur kwalitatief, heel ruw. Omdat een structuur als CuCl⁺ of CuCl een andere electronenconfiguratie heeft dan Cu⁺ of Cu²⁺ krijg je natuurlijk ook andere energieniveaus en daarmee dus ook andere kleuren. Echt kwantitatief kun je met VWO-kennis hier niet veel van zeggen. Dat vereist misschien zelfs wel doorrekenen van gedetailleerde modellen. Molecular orbit theorie is hierbij beslist noodzakelijk, maar misschien niet eens genoeg, misschien moet je wel echt golfvergelijkingen doorrekenen.

Het is natuurlijk dan ook zo dat in de praktijk de vuurwerkfabricage een proces is van ervaring. Men weet uit ervaring welke kleur door welke compositie wordt veroorzaakt, maar dat is wat anders dan een verklaring. Misschien kun je dat aspect ook meenemen in jullie verslag. Voor een eenvoudig atoom of ion gebruik je dan de theorie. Je laat zien dat voor iets complexere structuren de theorie zo complex wordt, dat men terug moet vallen op ervaring. Deze ervaring gaat vele eeuwen terug en het maken van vuurwerk is dan ook meer een kunst dan een wetenschap (en hierbij wil ik het knal-pats-boem gedoe van sommige kewl-types absoluut buiten beschouwing laten, dat is geen kunst, geen wetenschap, maar aankloten met chemicalien).

Een rijke bron van informatie is usenet:rec.pyrotechnics. Dit is tegenwoordig ook via google te benaderen:

http://groups.google.nl/group/rec.pyrotechnics/topics

Je moet wel een beetje zoeken hierin, helaas zitten er ook veel trolls en andere vervelende figuren op usenet. Zoek maar eens op flame color o.i.d. in deze usenet groep.

Tom._CF

OK, bedankt voor alle informatie. Ik zal de link ook bekijken.

Ik heb nog geen volledige grip op de zaak, maar ik denk dat we op Avans wel wat meer toelichting kunnen krijgen. Het is al wel handig dat we nu met een beetje voorkennis binnen kunnen stappen.

woelen

Ja, dit is een complex onderwerp. Probeer vooral boven water te krijgen wat er zoal in de praktijk aan kennis is opgebouwd. Er is wel degelijk een systematiek. Op usenet vind je heel veel info.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Vlamkleuring

Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring

Re: Vlamkleuring