Tillverka tomtebloss

Kemisk bakgrund

Kemin finns i julens dekorativa inslag. En lysande svensk jultradition är att använda tomtebloss eller julgransbloss för att dekorera och lysa upp julgranen. De kan också användas tillsammans med facklor vid färden till julottan, och till och med ibland för att i största allmänhet lysa upp tillvaron.

Ett tomtebloss är omkring 10 cm långt och har en brinntid om cirka en minut. Tomtebloss är en av de svåraste pyrotekniska satserna att tillverka. Om någon av ingredienserna inte riktigt håller måttet, eller om proportionerna inte är precis de rätta kommer blosset inte att fungera som det ska, och om torkningen är för snabb eller lagringen sker vid för hög luftfuktighet blir resultatet en undermålig produkt.

Ett vanligt problem vid tomteblosstillverkning är tendensen hos bariumnitrat (Ba(NO3)2), järn (Fe) och aluminium (Al) att reagera i suspensionen, t.ex. på följande sätt:
36 H2O + 16 Al + 3 Ba(NO3)2 ⇄ 3 Ba(OH)2 + 16 Al(OH)3 + 6 NH3
Denna reaktion kan upptäckas genom ammoniaklukten, och den kan hållas under kontroll genom att hela tiden hålla pH på den sura sidan.

Nytt och utbränt tomtebloss
Foto: © Svante Åberg
Järnfilspånen i blandningen ges ofta en tunn skyddande vaxhinna för att minimera uppkomsten av rost under vätskeblandningen.

När man tillverkar tomtebloss ska man vara mycket försiktig eftersom att alla bariumföreningar utom det svårlösliga sulfatet är mycket giftiga.

Pyrotekniken började vid Kristi födelse när man hittade salpeter vilket i nutid är en av beståndsdelarna i krut. Huvuddelarna i pyrotekniken är oxidationsmedel såsom bariumnitrat (Ba(NO3)2) och kaliumklorat (KClO3) samt bränsle, t.ex. krut. En pyroteknisk sats kan även innehålla färggivande ämnen, brinnhastighetsreglerande ämnen som snabbar upp eller dämpar förloppet och flegmatiserande ämnen som nedsätter en blandningskänslighet mot slag och stötar. Som exempel på färggivare har vi natriumsalter som ger en gul färg, bariumsalter -grön, strontiumsalter -röd och kopparsalter -blå. Man kan även behöva tillsätta bindemedel för att hålla ihop en sats, t.ex. stärkelse vid tillverkning av tomtebloss. Pyrotekniska satser kan ge värme, ljus, färg, rök, ljud, tryck, dimma och gas beroende på vad de innehåller.

Fördjupning

Redoxreaktion

Redoxreaktioner kan delas upp i delreaktionerna oxidation och reduktion.

Oxidation

Med oxidation menar man reaktioner där elektroner avges. Vid en oxidationsreaktion avges energi i de flesta fallen. Flera metaller kan reagera vid rumstemperatur med luftens syre till oxider. Exempel på detta är järn som oxideras av luftens syre och bildar då rost. Oxidationssteget är
Fe → Fe2+ + 2 e

Reduktion

Motsatsen till oxidation är reduktion. Reduktion innebär att elektroner tas upp. Exempel på en reduktion är när syreatomerna tar upp de elektroner som järnet avger när det rostar. Syreatomerna bildar negativa joner. Man säger då att syret har reducerats

O + 2e → O2–

Reduktion och oxidation sker samtidigt

Elektroner kan inte förkomma fria, de kan bara överföras från ett ämne till ett annat. När en reduktion sker, sker samtidigt en oxidation eftersom lika stort antal elektroner avges och tas upp. Vi kallar detta redoxreaktion. I exemplet med oxidation av järn och reduktion av syre balanseras de två delreaktionerna så att lika måna elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe2+ + O2–

Om vi tar hänsyn till att syrgas förekommer som molekyler och att järnjonerna och syrejonerna bildar föreningen FeO och dessutom anger aggregationsformen, så kan vi snygga till reaktionsformeln för totalreaktionen till

2 Fe(s) + O2(g) → 2 FeO(s)


Redoxreaktion vid kontakt mellan ämnena

Kontakt mellan reaktanterna

I en vanlig redoxreaktion sker elektronövergången i kontakt mellan ämnena som reagerar. Elektronen hoppar över direkt från molekylen (eller atomen) som oxideras till molekylen (eller atomen) som reduceras. Elektronhoppet kan bara ske över mycket korta avstånd och sker därför i samband med att partiklarna kolliderar. Därför sker oxidationen och reduktionen på samma plats.

Elektroner förekommer inte fria i ämnen

Anledningen till att elektronöverföringen sker i direktkontakt mellan ämnena är att elektroner inte kan förekomma fria i ett material eller en lösning. De binder alltid till de atomer eller molekyler som finns i närheten. I icke-metalliska material är elektronens position vanligen fixerad till en bestämd molekyl eller atom.

Däremot är elektronerna fritt rörliga i metalliska material. De kan dock inte lämna metallen, bara röra sig inom metallen. När elektronerna rör sig förbi atomerna i metallgittret handlar det inte om elektronöverföring. I stället har metallen ett enda stort elektronmoln av ledningselektroner som är gemensamma för hela metallkristallen.

Det finns också halvledande material som med viss ledningsförmåga, men där elektronerna i huvudsak är fixerade i vissa positioner.


Lågfärg hos kemiskt ämne

En kemilärare demonstrerar lågfärgen hos koppar. Photo credit: Connor Lee on Wikimedia Commons

En metod att undersöka vilka metalljoner som finns i ett salt är att titta på lågfärgen. Man löser lite av saltet i bränslet, som t.ex. kan vara metanol. Antänd bränslet och låt det brinna med god syretillförsel. Färgen på lågan avslöjar vilken metalljon som finns i saltet.

Några metallers lågfärger är

Litium: röd-rosa
Natrium: gul
Kalium: lila
Barium: blekt grön
Kalcium: orange
Koppar: blågrön



Värmestrålning eller ljusemission från kemiska reaktioner – två sätt att skapa ljus

En låga som brinner utsänder ljus. Om det är en låga från t.ex. ett stearinljus brukar lågan vara gulaktig på grund av att heta sotpartiklar är så varma att de glöder. Denna typ av strålning kallas svartkroppsstrålning och har att göra med temperaturen.

Andra lågor, där det inte finns sotpartiklar, utan bara gasmolekyler som förbränns, brinner ofta med nästan osynlig låga. Exempelvis får man en sådan låga när ren metanol eller gasol förbränns med god syretillförsel. Om det är ganska mörkt i rummet brukar man kunna se att lågan är blåaktig. Ljuset som sänds ut från en sådan låga har en färg som kommer från de kemiska reaktionerna i förbränningen. Färgen är ett resultat av energiövergången mellan olika elektronnivåer i molekylerna.

Så uppstår lågfärgen

Om man löser ett salt i bränslet, så kommer metalljonerna att upphettas i lågan. En elektron i metalljonen exciteras från grundnivån till ett högre energitillstånd. Elektronen lyfts alltså upp till ett högre energiskal av energi som kommer från kollisioner orsakade av den häftiga värmerörelsen.

Men elektronen faller mycket snabbt tillbaka till sitt grundtillstånd. Skillnaden i energi mellan elektrontillstånden avges i form av en foton. Fotonens våglängd är bestämd av dess energi. Våglängden motsvarar en viss färg i ljusspektrum.

Eftersom det finns flera alternativa elektronnivåer i jonen som elektronen kan hoppa mellan, så finns det också flera alternativa våglängder hos ljuset som kan sändas ut. Men uppsättningen av möjliga energinivåer är unik för den typ av jon som det handlar om. Exakt vilka ljusvåglängder som sänds ut är därför ett "fingeravtryck" på metalljonen. Alla dessa spektrallinjer blandas till den färgnyans som vi uppfattar.

Linjespektra för natrium (övre) och kalcium (nedre). Photo credit: NASA on Wikimedia Commons

Om man använder en spektrometer, så kan man dela upp ljuset i exakt de ljusvåglängder som sänds ut. Man ser då ett antal linjer i ljusspektrum där varje linje motsvarar en speciell elektronövergång i jonen. Linjespektrum ger en mycket säkrare och exaktare bestämning av vilken metalljon som finns i provet. Med linjespektrum är det också möjligt att identifiera flera olika atomslag som finns i samma prov.

mer material på avancerad nivå kommer

Brand

Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.

Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln


Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.
"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.

Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.

Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.

I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.

Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.

Syre

Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.

När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.

Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.

Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.

Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.

Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.

Kedjereaktion

Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.

I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".