Handhabung & Technik farbige Funken

Hallo,

die Frage nach farbigen Funken kommt immer wieder mal auf. Also wirklich feine Funken wie verbrennende Kohle oder Eisen - aber die farbig glühend, nicht gold/orange/gelb oder grellweiss/silber. Explizit nicht gemeint sind Microsterne, die gibts natürlich in jeder Farbe und mit Crackling, sind aber viel viel größer als feiner Funkenflug.
Die Frage tauchte hier ab und an mal auf - mal auf der Suche nach Vulkanen mit blauem Funkenausstoß, oder auch in der Wunderkerzen-Diskussion (in der ich auch noch eine Aussage über grünes Kupfer getroffen hab, die ich gleich widerrufen werde )

Die Grundidee ist einfach - man nimmt ein Metall das als Farbgeber bekannt ist, verwendet das reine Metall als "Metallpulver" und vermutet, es verglüht farbig. Probiert man das aus, wird man allerdings schnell enttäuscht - die Funken sind nicht gefärbt. Auf dem ein oder anderen Foto sieht es zwar nach einem doch farbigen Schein aus, schaut man es sich aber im Detail an, sind die Funken wie bei allen anderen Metallen. Das ganze mal gleich an zwei Beispielen demonstriert:

1. Kupferpulver. Kupfer (in Abwesenheit von Chlor) erzeugt eine grüne Flammenfarbe - aber Kupferpulver in die nichtleuchtende Flamme eines Brenners gestreut verglüht gelb/orange:

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Man erkennt eindeutig - die Funken sind kein bisschen grün, sondern gelblich. Was grün gefärbt wird, ist die Gasflamme - das bringt aber nichts, denn die ließe sich auch leichter mit jedem Kupfersalz färben. Die Idee ist ja, wirklich farbige Funken zu erhalten.

2. Logischwerweise sind natürlich auch schon einige Versuche unternommen worden, farbige Funken zu erhalten. Ähnlich wie Kupfer wurde z.B. Lithium als farbgebendes Metall ausprobiert. (C. Jennings-White, "Glitter Chemistry" in B. J. Kosanke, "Pyrotechnic Chemistry", Chapter 14) (verwendet wurde eine Lithium-Aluminium Legierung, die Autoren selber haben schon darauf hingewiesen wie unwahrscheinlich rote Funken gewesen wären) - Das Ergebnis: "In allen Fällen war das Ergebnis der Versuche die Entstehung von weissen Funken..." Die Feststellung findet sich auch in chemischen Lexika, Lithium verbrennt mit weisser Flamme. Hier das Bild einer kleinen Menge brennenden Lithiums:

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Eindeutig - weiss. Lässt man dabei mal noch ganz ausser Acht, dass ein Metall wie Lithium (und auch keine Legierung mit Aluminium) handhabbar ist, sondern sehr heftig mit Wasser reagiert.

Woran liegt es nun, dass die Metalle allesamt weiss oder rot/orange/gelb verbrennen?
Auch dazu gibt es genug Literatur, (schön z.B. in B. J. Kosanke et. al., "Pyrotechnis Spark Generation" in B. J. Kosanke, "Pyrotechnic Chemistry", Chapter 13 oder auch T. Shimizu, FAST, Kapitel 8.2).

Ein fester heisser Körper, egal ob fest oder flüssig, verhält sich immer wie ein sog. schwarzer Strahler (bzw. in der Realität spielen noch die Materialeigenschaften mit rein und können das ganze als z.B. "grauen Strahler" alles etwas verschieben, das Grundprinzip bleibt aber gleich).
Dabei wird das Material erhitzt und fängt dadurch an Licht auszustrahlen. Je heisser es wird, desto kürzere Wellenlängen können ausgesendet werden. Allerdings - die längeren Wellenlängen werden weiterhin ausgestrahlt. Es werden also im Infraroten beginnend immer mehr Wellenlängen ausgesendet. Das führt dazu, dass der Körper zuerst rot leuchtet, dann orange/gelb und schliesslich weiss. Warum geht kein blau oder grün? Weil blau "auf der anderen Seite" des Spektrum liegt und nur ausgestrahlt wird, wenn man vorher an rot, gelb etc.vorbei gekommen ist. Es wird dann also nur blau zusätzlich zu den anderen Farben ausgestrahlt - nimmt man alle Farben zusammen, ist es weiss. Dadurch kommt man bei kalten Funken zu rötlich, bei heisseren dann zu orange/gelb und bei ganz heissen zu weiss. Das rot entspricht aber auch nicht dem reinen "rot" wie man es aus roten Sternen o.ä. kennt. Es handelt sich auch hier um ein aus allen "roten und benachbarten Wellenlängen" zusammengesetztes rot, was nicht so reinrot wirkt wie das rot was Strontium oder Lithium, mit einer scharfen roten Bande, aussenden.

Wieso sind Flammen dann trotzdem einfärbbar?
Hier werden nicht Partikel, sondern Atome in der Gasphase der Flamme zum leuchten angeregt. Ein Gas ist kein schwarzer Strahler, keine Lichtquelle wenn es in diesem Temperaturbereich erhitzt wird (sonst wäre eine Bunsenbrennerflamme ja auch nicht farblos). Erst wenn sich in dem Gas Partikel bilden (wie Ruß) fängt das Leuchten an (dann halt wieder orange/gelb) - oder wenn man Atome beimengt, die angeregt werden können und dann farbiges Licht aussenden.

Also stehts schlecht um die farbigen Funken?
Eigentlich ja - es sei denn - man sorgt dafür, dass das Metall in die Gasphase übergeht. Sobald das Metall verdampft wird das Gas kein schwarzer Strahler mehr sein und nur noch das Licht der angeregten Atome aussenden. Dazu muss aber eine ordentliche Menge des Metalls verdampfen, d.h. man braucht Metalle mit niedrigem Siedepunkt.
Also einmal durch das Periodensystem gucken und alle Elemente, die bei bei normalen Bedingungen noch fest sind, aber einen niedrigen Siedepunkt haben, rausgesucht - bleibt nicht viel übrig:

Na 1160 K
K 1027 K
Rb 973 K
Cs 958 K
Zn 1180 K
Cd 1038 K
As 889 K
Se 958 K
Te 1263 K
Mg 1393
Eu 1703 K (aber sublimiert leicht, d.h. geht vom festen gleich in den gasförmigen Zustand über)

streicht man daraus jetzt mal die allzu giftigen, schränkt es sich noch weiter ein:

Na, K, Rb, Cs, Zn, Te, Mg, Eu

Jetzt noch die raus, die keine richtige Flammenfarbe haben, dann bleibt:

Na gelb
K violett
Rb violett
Cs blau
Te blau (Tellur liegt bis ca 2000K als Te2 in der Gasphase vor, das emittiert blau.)
Eu rot

Jetzt müssen erstmal (s.u.) die mit viel zu hoher Reaktivität rausfliegen, alles was an Luft oder bei Feuchtigkeit von alleine in Flammen aufgeht ist erstmal draussen:

Te, Eu.

Bleiben immerhin noch 2 Kandidaten übrig - blau und reines rot, gerade recht.

Vorher gibts aber noch ein paar interessante Aspekte aus den ganzen Informationen.

1. Wie sieht es denn mit den versuchten Metallen Lithium und Kupfer aus?
Siedepunkte bei 1603 bzw. 2863 K. Letzteres ist eh "raus" und ersteres immerhin 420 °C über der niedrigsten der anderen Siedetemperaturen, das ist eine ganze Menge - genauer abgeschätzt kommts gleich.

Wie sieht es mit den bekannten Metallen Magnesium und Zink aus?
Hier wirds interessant, denn die erzeugen zwar keine richtige Farbe, liegen aber im spannenden Temperaturbereich.

Magnesium, 1393 K, noch kein offensichtliches auffälliges Verhalten allerdings sind große Mg-Partikel für Funkenflug nötig. Im Detail gibts dann einige Beobachtungen, die auf teilweises Verdampfen hindeuten.

Zink, 1180 K - ungewöhnliches Verhalten. Die Zink-Partikel zerstäuben sich beim Abbrand, sind von einem Flammensaum umgeben, was auf das Vergasen von Zink zurückgeführt wird (B. J. Kosanke et. al., "Pyrotechnis Spark Generation" in B. J. Kosanke, "Pyrotechnic Chemistry", Chapter 13 ) und ( ) verglühen nicht gelblich/weiss sondern leicht grünlich bläulich weiss. Das ist zwar weit weg von einer echten Funkenfarbe, aber Zink ist nunmal auch kein starker und kein guter (Zn: bläulich, ZnO: gelblich/grünlich) Farbgeber. Das außergewöhnliche Abbrandverhalten von Zink wird. z.B. im sog. Zinc spreader Star mit "elektrischen" Funken ausgenutzt.

Irgendwo bei Magnesium ist also die Grenze, unterhalb der die Metalle unter den pyrotechnischen Bedingungen (Abbrandtemperatur vs. Abkühlung bei Raumtemperatur) verdampfen.
Lithium liegt nochmals ca. 200 °C über Magnesium, vergleicht man den ausgeprägten Effekt bei Zink (ca. 200° C unter Mg) mit dem schwachen Effekt bei Mg ist es klar, dass man mit Lithium keine "Gashülle" mehr erzeugt, die rot leuchten kann - da bleibt nur weisser Abbrand.

Jetzt aber endlich zu den letzten beiden Elementen: Tellur und Europium. Beide akzeptabel von der Reaktivität (zumindest zum Testen, Eu ist schon recht reaktiv), von der Toxizität (erst Recht, wenn man bedenkt, dass Chrom, Blei o.ä. noch gängig sind), Tellur mit ca 20 EUR / 25 g sogar in Kleinstmengen billig - Europium mit 100 EUR / 1 g leider arg teuer und nicht ohne weiteres als Pulver zu erhalten - der Versuch ist leider auf später, wenn ich es mal in die Finger bekomme verschoben. Aber Tellur gibts

Und so siehts aus:

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Funken? Ja. Blau? Ja
Zwar leuchtet einem da kein reinfarbiges dunkelblau, aber eindeutig ein leuchtendes blau entgegen und das wichtigste: Der Funke selber, bzw. auf dem Foto die "Spur" des Funken ist blau und nicht, wie beim Kupfer, die Umgebung der Flamme gefärbt und der Funke an sich das übliche gelb/orange/weiss.

Der Funke hat allerdings eine kurze Reichweite und eine sieht verhältnissmässig zu Eisen oder Kohlefunken zu dick aus. Das liegt schlicht und ergreifend an der notwendigen Verdampfung. Dadurch verglüht der Funke schneller und hat eine Gasblase um sich, die ihn deutlich dicker erscheinen lässt.
Die Lebensdauer der Funken sollte sich durch das Verwenden eines gröberen Pulvers, und nicht des feinsten was man auftreiben konnte, (genau wie bei Magnesium, wenn es dazu dient, Funken hervorzurufen, muss es auch grob sein) zumindest in Grenzen verlängern lassen - damit, dass die Funken nicht ganz so fein sind, muss man dagegen leben.
Ein weiterer Ansatz wäre an dieser Stelle eine Legierung, die die richtige Menge Tellur verdampfen lässt um ein blau leuchtendes Gas zu erzeugen, aber den Partikel an sich langsamer, damit länger, und mit einem weißlichen Kern verglühen lässt.

Nach diesen Versuchen würde ich stark davon ausgehen, dass Europium fast ähnlich aussehende, aber dafür schön rot brennende, Funken erzeugt.

Zurück zu den Alkalimetallen Li, Na, K, Rb, Cs.
Aufgrund ihrer Reaktivität sind sie "as is" definitiv nicht einzusetzen. Die Versuche in der Literatur mit Lithium verwendeten eine Lithium-Aluminium Legierung. Das macht es allerdings nicht viel besser - die optimistische Vermutung, dass eine Legierung sich wie ein "Gemisch" der Eigenschaften der Elemente verhält, stimmt leider nicht ganz. Beispiel: Natrium-Blei. Blei ist reaktionsträge, brennt auch nach längerer Zeit im Bunsenbrenner nicht. Das Zusammenschmelzen von Natrium mit Blei ergibt aber keine wirklich luftstabile Legierung sondern ein Produkt, was sich an feuchter Luft immer noch selbst enzünden kann. Das ganze ist natürlich entscheidend von der Menge der Bestandteile abhängig, 2-3 % reaktives Metall dürften kein Problem sein - sind aber für eine Färbung der Gashülle viel zu wenig. Guckt man sich eine Legierung von 30-40% Natrium an (~10% ist eine übliche handhabbare Legierung) hat man keine Chance mehr - es kann sogar reaktiver werden als das reine Element. Es gibt aber einen interessanten Ansatz von Natrium-Silicium-Legierungen oder Einlagerung von Natriumsilicid in Kieselgel (vereinfacht ausgedrückt):

http://www.signachem.com/products/view/alkali-metal-silica-gel

die stabil zu sein scheinen. Bisher hatte ich so ein Pulver (noch) nicht in der Hand, aber falls der Natriumgehalt hoch genug ist, müsste (da der Siedepunkt von Na passt) das Pulver reine Natriumgelbe Funken erzeugen.

Wenn keine Lithium-Legierung, weil sie nicht farbig sind, oder mit Ausnahme dieses Materials keine Legierung aus anderen Alkalimetallen, weil die Reaktivität zu hoch ist, was bleibt?

Wie oben angesprochen Tellur und Europium nicht als Reinelement, sondern als Legierung. Das wäre zumindest ein Versuch zu so farbigen Funken wie das Reinelement, aber langsam brennend und stabil (je nach Legierungsbestandteil).
Letzlich bringt es nichts, ein Metall als Legierungsbestandteil zu verwenden, was ein "klassischer" Farbgeber ist - es muss halt verdampfen. Tut es das als Reinelement, kann es auch aus der Legierung verdampfen und damit eine farbige Gashülle erzeugen.
Während ein bisschen Europium oder eine Natriumsilicid-Variante aber noch im Bereich des möglichen liegt, ist eine speziell für diesen Zweck hergestellt Legierung in weiter weiter Ferne...dazu braucht es selbst bei günstigen Metallpreisen wie bei Tellur das entsprechende Know-How, die Ausstattung sowas herstellen zu können und die Zeit, verschiedene Metalle als Legierungspartner und in verschiedenen Verhältnissen auszuprobieren.
Tellur in Verbindungen als grüner Farbgeber (Te-Verbindungen emittieren im Gegensatz zum Te2 der Gasphase grün) waren in pyrotechnischen Sätzen übrigens früher (selten) enthalten.

Echte, farbige Funken sind also definitiv möglich - was schon erstaunlich genug ist. Allerdings ist ihr Erscheinungsbild etwas anders als ein "klassischer Funke" - und ihre Verwendung als ein hellblaue langfliegende Funken sprühender Vulkan zum nächsten Silvester ausgeschlossen

Gruß,

ivhp

 

Lang ist's her - Zeit für ein kleines Update, da farbige Funken einfach eine spannende Spielwiese bleiben.

Mittlerweile kam die Gelegenheit, mal etwas "Stage-I Na-Silica-Gel" in die Finger zu bekommen. Dabei handelt es sich um nichts anderes, als elementares Natrium, welches mit einem Gehalt von ca. 30-40% in Silica-Gel (SiO2) "aufgesogen" wurde - also in etwa das gleiche Prinzip, mit dem aus dem schlagempfindlichen Nitroglycerin das handhabbare Dynamit erzeugt wurde.

http://signachem.com/products/by-name/alkali-metal-silica-gel/

Dementsprechend ist das resultierende, feine Pulver auch gut an Luft handhabbar.

In die Bunsenbrennerflamme gestreut, ergibt sich erfreulicherweise das erwartete Bild:

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Die Funken sind gelb - nicht golden oder silbern, sondern rein strahlend natriumgelb.
Wie im Falle des Tellurs erkennt man auch eine deutliche Aufweitung der Funken - das ist prinzipbedingt.
Dadurch, dass auf ein Metall zurück gegriffen wird, welches einen so niedrigen Siedepunkt hat, dass es eine strahlende Gashülle erzeugt (der einzige Weg, um andere Farben als die des schwarzen Strahlers, also gold bis silber zu erzeugen) verglüht der Funke schneller und er ist etwas größer - Details siehe im 1. Beitrag des Themas .

Damit sind gelbe und blaue Funken halbwegs abgedeckt, was (hoffentlich bald) noch folgt ist Europium-Pulver für rot und wenn möglich eine Fe-Te-Legierung für farbige, aber längerziehende Funken. Ab dann ist es keine große Hürde mehr, mit ein bisschen NC-Pulver einen Funkensatz mit farbigen Funken zu demonstrieren.

Allerdings: Das ganze bleibt ein Laborversuch. Die verwendeten Materialen sind entweder in ihren Reaktionsprodukte gesundheitlich nicht so ganz unbedenklich (Te) oder als Substanz zwar luftstabil, aber so feuchtigkeitsempfindlich, dass sie entweder nach wenigen Tagen an feuchter Luft abreagieren (Eu) oder aber in Kontakt mit Feuchtigkeit sich unter schneller Wasserstoffentwicklung zersetzen (Na-SiO2) und dabei auch warm werden - kein Problem, um einen NC-Satz zu mischen und anzugucken, unmöglich damit einen lagerbaren pyrotechnischen Gegenstand zu erzeugen.

 

Da steh ich jetzt auf dem Schlauch, inwiefern hat etwas radioaktives oder ein radioaktives Element etwas (unpraktikabel oder nicht mal aussen vor gelassen) mit der Möglichkeit farbige Funken zu erzeugen zu tun?

 

Ah, okay das ist allerdings so eine hohe Halbwertszeit, dass man es in der Tat getrost als nicht-radioaktiv ansehen kann...

Eine Europium-Verbindung ist übrigens als Fluoreszenzfarbstoff auf den Euro-Scheinen gedruckt (von den Herstellern durchaus als lustiges Wortspiel zu Europa gedacht). Bevor sich also jemand über Europium in Feuerwerk beschweren sollte - es hat jeder nicht nur in Energiesparlampen und Computerbildschirmen, sondern auch im Geldbeutel und fasst es tagtäglich an.

Da ich mittlerweile etwas von einer Fe-Eu-Legierung erzählt bekommen habe, würde ich das mit der Lagerbarkeit als Problem nicht mehr unterschreiben, das Radioaktivitätsthema ist aber wirklich vom Tisch, abgesehen davon, dass es in allen möglichen Alltagsgegenständen steckt, ist es ja auch frei und ohne Einstufung handelbar.
Aber wir bleiben hier eh im experimentellen Bereich, das ist klar

 

Die Halbwertszeit gibt ja an, nach welcher Zeit die Hälfte des Materials zerfallen ist.
Bei der unglaublich hohen Halbwertszeit des Eu-Isotops ist in einer Zukunft, in der die Erde längst von der Sonne verschluckt worden ist, immer noch keine nennenswerte Menge des Materials zerfallen. Das bedeutet im Umkehrschluß, dass pro Sekunde so gut wie nichts von dem Material zerfällt - das Material erzeugt also kaum meßbare (mit normalen Meßmethoden würde man zu dem Schuß kommen: keine) Strahlung und damit sieht man es als "stabil" und nicht-radioaktiv an - Eu ist nicht als radioaktives Element eingestuft.
Auch bei anderen Elementen, die wir als stabil ansehen, kann man mit verfeinerten Meßmethoden in der Zukunft ggf. noch nachweisen, dass sie in Wirklichkeit nur ein extrem langlebiges Isotop sind. Deswegen würden wir aber auch dann nicht anfangen, diese Elemente als radioaktiv einzustufen.

An der Stelle widerspreche ich vehement

Es ist physikalisch unmöglich ein glühendes Partikel einzufärben.
In diesen Sätzen, in denen eine Mischung verschiedenen Substanzen vorliegt, und dann etwas farbig verglüht, ist es etwas, das von der Größe her eher einem Microstern nahekommt - nicht aber einem echten Funken. Die so erzeugten glühenden Punkte sind also größer als echte Funken - und genau darum geht es hier, Funken in der Größe eines glühende Metallpartikels einzufärben.
Dafür bleibt nur ein Material, welches in der Größe später verglüht, in der es auch im Satz vorliegt.
Natürlich kann man 'Satzgemische einsetzen, die dann Tröpfchen einer Schmelze erzeugen, die eingefärbt sind. Das ist aber eher ein in situ erzeugter Microstern und kein Funke.
Das Material, aus dem man das glühende Partikel erzeugt, muss natürlich kein reines Element sein - daher ja auch das Spiel mit FeTe2 u.a. - ob Legierung oder Verbindung ist je nach Komponenten ja ein fließender Übergang.
Es muss nur die Eigenschaft haben, im Satz beim Abbrand nicht zu verschmelzen (sonst werden die Funken ja wieder gröber), "im Stück" also als extrem kleiner Funke zu verglühen *und* dabei eine farbig emittierende Gashülle zu erzeugen (da man auch mit dieser Methode das Partikel, also den schwarzen Strahler, nicht färben kann.

 

Nun, wenn Du aus einem solchen Satz eine Wunderkerze oder einen Traumstern (NC-Fontäne, darf gerne auch NC frei sein, aber von der Funkendichte und Feinheit her betrachtet vergleichbar) baust, die sowohl in der Funkendichte als auch der Feinheit der Funken einer echten Wunderkerze oder einem silbernen Traumstern in nichts nachsteht, akzeptiere ich das nur zu gerne.
Ich habe bis jetzt aber noch nicht eine einzige Fontäne gesehen, die - egal ob als Flimmer oder Microstern-Effekt - auch nur annähernd an die silbernen oder goldenen Funken (sei es nun Aluminium, Eisen oder Kohle) herankommt.
Ob das Partikel während des Fluges schmilzt, soll mir in der Tat egal sein, solange es sich so fein und so dicht wie ein Funke z.B. einer schönen Kohlegold Fontäne verhält..

Das ganze ist ja eine weit ältere Diskussion und geht ja z.B. auf B. J. Kosanke et. al., "Pyrotechnis Spark Generation" in B. J. Kosanke, "Pyrotechnic Chemistry", Chapter 13 zurück, wo ebenfalls von der Unmöglichkeit berichtet wird, genau dies zu erzeugen - und eben dort wurde auch mit Legierungen z.B. auf Basis von Lithium experimentiert.

Das hier ist nicht mehr als die Fortführung der dort berichteten Versuche, nur mit Metallen, bei denen das klappen könnte - und die in der Folge dann zu einem Effekt, wie wir in in gold und silber kennen, in blau oder rot oder gelb führen sollten. Das das in den nächsten 20 Jahren keinen Einzug in pyrotechnische Mischungen erhalten wird, ist klar - aber es stehen mittlerweile diverse neue Elemente und Legierungen zur Verfügung, die die gewünschten Eigenschaften haben könnten und noch vor 20 Jahren einfach undenkbar waren.