vuurwerk

Wanneer iets brandt, zie je meestal een blauwe of gele vlam, afhankelijk van of de verbranding volledig is, of niet. Dat kun je mooi zien met een Bunsenbrander: draai je de luchttoevoer open, dan verandert de kleur van de vlam van geel naar blauw. Maar heb je wel eens groen vuur gezien? Bekijk het onderstaande filmpje.

In het filmpje wordt boorzuur (H₃BO₃) gemengd met een soort anti-vries en daarna aangestoken. De anti-vries bestaat voor het overgrote deel uit methanol (CH₃OH), wat brandt met een blauwe vlam. Boorzuur is niet brandbaar. Hoe wordt de groene kleur dan veroorzaakt?

Wanneer booratomen in een vlam terechtkomen, gaan ze licht uitzenden, net als andere metaalatomen. Dit wordt vlamkleuring genoemd. Hiervan wordt niet alleen in vuurwerk gebruik gemaakt, maar bijvoorbeeld ook in de chemische analyse (AAS en AES). Boorzuur op zichzelf is helaas niet vluchtig genoeg om in de methanol-vlam terecht te komen: het heeft een kookpunt van 300 °C. Boorzuur reageert echter wel met methanol tot trimethylboraat, zoals je kunt zien in bovenstaande reactievergelijking. Dit trimethylboraat heeft een kookpunt van ongeveer 68 °C en verdampt dus wél door de warmte van de vlam. Eenmaal in de vlam valt het molecuul uit elkaar, waarna de booratomen hun karakteristieke groene kleur licht uitzenden. Het boor reageert uiteindelijk tot booroxide.

Groen vuur door vlamkleuring van boor. © Mark Vis

De reactie tussen methanol en boorzuur is een soort veresteringsreactie, zoals die ook kan optreden tussen alcoholen en organische zuren. Wanneer je hetzelfde probeert met boorzuur en ethanol, treedt de reactie (vrijwel) niet op. De vlam is dan niet groen, maar gewoon blauw.

Je kunt dit experiment ook thuis of op school uitvoeren. Boorzuur, methanol en ethanol zijn verkrijgbaar bij de betere apotheek of drogist. In plaats van ethanol kun je ook spiritus gebruiken, wat voor het grootste deel uit ethanol bestaat. Let op: methanol en boorzuur zijn giftig. Werk in een goed geventileerde ruimte, bij voorkeur in de zuurkast, en houd brandbare materialen uit de buurt. Ontsteek het mengsel in een vuurvast schaaltje, bijvoorbeeld het metalen omhulsel van een waxinelichtje. We zien uit naar de foto’s van jullie groene vlammen.

Met dank aan de Scholieren Quiz Chemie “SQuiz” voor het idee voor dit experiment.

In de vorige post schreven we al dat er afgelopen jaarwisseling zo’n 65 miljoen euro aan vuurwerk de lucht in is gegaan. Voor economen is dat natuurlijk allemaal leuk en aardig, maar wat ik als chemicus veel interessanter vind, is hoe al dat siervuurwerk aan haar prachtige kleurtjes komt. De theorie hierachter is niet heel ingewikkeld.

Voor de kleuren in siervuurwerk zijn in feite drie stoffen belangrijk: een brandstof, een oxidator (door mijn scheikundedocent altijd “zuurstofleverancier” genoemd) en de kleurstof zelf. De kleurstof is geen organisch molecuul, maar meestal een anorganisch zout zoals strontiumnitraat, bariumchloride of koper(II)chloride. Wanneer de brandstof wordt verbrand, wordt de temperatuur hoog genoeg om het zout in de gasfase te brengen. In de gasfase komt het zout niet langer voor als ionen, maar is het grotendeels uiteengevallen in losse ongeladen atomen. In feite is dit een soort redoxchemie. Bijvoorbeeld voor bariumchloride:

Ba²⁺ + 2e^– ⇌ Ba (g)
2 Cl^– ⇌ 2 Cl• (g) + 2 e^–

De losse bariumatomen zorgen voor de kleur van de vlam. Door de enorm hoge temperatuur komt een elektron van het bariumatoom zo nu en dan in een hogere energietoestand terecht (ook wel aangeslagen toestand genoemd). Wanneer het elektron weer terugkeert naar de grondtoestand, wordt het verschil in energie uitgezonden in de vorm van een foton: we zien licht! Dit effect is overigens exact het principe achter de vlamkleurproefjes die je op de middelbare school misschien wel eens hebt gedaan.

Vlamkleuren zijn niet alleen erg mooi, ze worden in de praktijk ook voor analyse gebruikt. Met atomaire-emissiespectroscopie (AES) kun je de aanwezigheid en concentraties van vele elementen bepalen door nauwkeurig naar de emissies van de atomen in een vlam te kijken. Nauw verwant hieraan is atomaire-absorptiespectroscopie (AAS), waarbij je niet kijkt naar de emissie van licht van atomen in de vlam, maar juist naar de absorptie ervan.

Tot slot vond ik nog deze mooie demonstratie van de vlamkleuren van verschillende zouten op de JijBuis:

Tag: vuurwerk

Maak een groene vlam