Explosion und Detonation

- Vortrag mit Demonstrationsexperiment -

1. Was ist eine Explosion
2. Unterscheidung von Explosionen
2.1. thermische Explosion & Kettenverzweigungsreaktion
2.2. Verpuffung, Explosion, Detonation
3. Voraussetzung
3.1. Reaktionsbedingungen
3.2. Zündung
4. Knallgasreaktion
5. Explosionen im Alltag
6. Quellen
7. Glossar und Hinweise

1. Was ist eine Explosion

Im Allgemeinen bringt man eine Explosion mit einem Knall, Hitze und Zerstörung in Verbindung. Genauer wird eine Explosion so beschrieben: Es ist eine chemische Reaktion, bei der es eine starke Gas- und Wärmeentwicklung gibt. Sie ist mit einem Knall oder ähnlichem verbunden, was auf eine Druckwelle zurückzufüren ist. Im Lateinischen wird explodere mit "unter Druck entweichen" übersetzt.

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2. Unterscheidung von Explosionen

2.1. thermische Explosion & Kettenverzweigungsreaktion

thermische Explosion: Bei diesen Reaktion steigt die Reaktionsgeschwindigkeit schnell an und sie sind exotherm. Die entstandene Energie kann nicht abfließen, wodurch die Temperatur zunimmt und die Reaktionsgeschwindigkeit weiter steigt. Dieser Ablauf ist die Explosion und endet, wenn die Ausgangsstoffe verbraucht sind.

Kettenverzweigungsreaktion: Charakteristisch für diese Reaktion ist, dass sich die Anzahl der freiwerdenden Radikale pro Stufe vervielfacht. Da Radikale sehr energiereich sind, steigt auch hier die Reaktionsgeschwindigkeit und man bezeichnet dies als Explosion. Die Kettenverzweigungsreaktion wird in drei Etappen eingeteilt: Startreaktion > Kettenreaktion > Abbruchreaktion.

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2.2. Verpuffung, Explosion, Detonation

Abgesehen von der obenbeschrieben Art der Reaktionen, werden diese auch nach der Geschwindigkeit eingeteilt, in der sich die Reaktion bzw. die Druckwelle fortpflanzt:

Geschwindigkeit
Bezeichnung
Beispiel
0,1 - 1 m/s Verpuffung Schießbaumwolle
1 - 1000 m/s Explosion z.T. Schießbaumwolle, Schießpulver (300-500 m/s)
1000 bis zu 10.000 m/s Detonation Knallgasreaktion mit 2820 m/s

Die Verpuffung lässt sich gut mit Schießbaumwolle demonstrieren. Benötigt werden Schießbaumwolle, Tiegelzange, Bunzenbrenner auf einer feuerfesten Unterlage. Die Schießbaumwolle wird mit der Tiegelzange über den brennenden Bunzenbrenner gehalten. Sofern die Schießbaumwolle gut hergestellt und getrocknet wurde verpufft sie sofort. Die feuerfeste Unterlage ist hilfreich, wenn brennende oder verglühte Teile herunterfallen bzw. die Schießbaumwolle keine gute Qualität hatte. Genaueres zur Herstellung etc. im Glossar.

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3. Voraussetzungen

3.1. Reaktionsbedingungen
Stoff
Explosionsgrenzen in %
Benzindampf
0,7 - 8,0
Methan
5,0 - 15,0
Schwefelkohlenstoffdampf
0,8 - 52,6
Wasserstoff
4,1 - 75,0

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3.2. Zündung

Es gibt verschiedene Möglichkeiten eine Explosion zu starten. Dazu einige Beispiele:

Selbstzündung - Durch die Verdichtung des Diesel-Luft-Gemisches im Kolben kommt es zur Selbstzündung des Gemisches.

Stoß/Schlag - Stoffe wie Nitroglyzerin in ursprüglicher Form sind extrem stoßempfindlich und es kam dadurch in der Vergangenheit oft zu ungewollten Explosionen.

Initialzündung - sehr träge Explosivstoffe werden mit kleinen Mengen wärme- oder stoßempfindlicher Zündstoffe wie Bleiazid oder Quecksilberfulminat gezündet, um die eigentliche Explosion einzuleiten.

Wärme - Explosionen können auch durch eine Flamme oder einen Funken ausgelöst werden. Beispiele dafür sind Gasexplosionen und die Knallgasreaktion.

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4. Knallgasreaktion

Bei der Knallgasreaktion handelt es sich um eine Kettenreaktion. Da sich die Druckwelle mit einer Geschwindigkeit von 2820 Metern pro Sekunde bewegt ist sie bei den Detonationen einzuordnen.
Die Reaktionsgleichung lautet: 2H2 + O2 —> 2H2O - die Reaktion ist stark exotherm und hat ihren größten Effekt bei einem Mischverhätnis von 2 Teilen Wasserstoff zu 1 Teil Sauerstoff, da die gesamte Menge Ausgangsstoffe verbraucht wird zu Wasser (auch erkennbar an der Formel von Wasser!).

Startreaktion
H2 + O2
—> 2 HO* - Bildung von 2 Radikalen (*)
Kettenreaktion
2 H2 + 2 HO*
—> 2 H* + 2 H2O - Radikalzahl konstant
 
H* + O2
—> HO* + O* - Verdopplung der Radikale
 
O* + H2
—> HO* + H* - Verdopplung der Radikale
Sofern es keinen Nachschub an Wasserstoff und Sauerstoff gibt tritt die Abbruchreaktion ein. Ansonsten verdoppelt sich die Anzahl der Radikale, indem sich die Kettenreaktion wiederholt.
Abbruchreaktion
2 HO* + 2 H*
—>2 H2O Vernichtung der Radikale
Bruttogleichung
4 H2 + 2 O2 + 3 H* + 4 HO* + O*
—> 4 H2O + 3 H* + 4 HO* + O*  
Nettogleichung
4 H2 + 2 O2
—> 4 H2O  
identisch mit
2 H2 + O2
—> 2 H2O  

Die Knallgasreaktion lässt sich auf mehrere Varianten effektvoll demonstrieren:

1. pfeifendes Reagenzglas
2. brennende Seifenblasen
3. explodierende Konservendose

Versuchsanleitung und Sicherheithinweise!

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5. Explosionen im Alltag

4-Takt-Otto-Motor - (1) Benzin wird angesaugt, (2) verdichtet, (3) durch Zündkerzen zur Explosion gebracht und (4) ausgestoßen. Die Explosionen, die zeitlich versetzt in den Kolben stattfinden, bewegen die Kurbelwelle und letztendlich das Auto!

Tunnelbau - mit kontrollierten Sprengungen wird der Tunnelbau vorangetrieben, wo Bohrer nicht einsetzbar sind (z.B. ein Teil des Gotthard-Tunnels unter dem Gotthardmassiv in der Schweiz)

Hausabriss - in vielen Fällen werden Häuser durch Sprengung zum Fall gebracht. Die benötigt Sprengstoffmenge und deren Positionierung werden anhand von Satik genau berechnet.

Unfälle - Durch unsachgemäße Handhabung von Explosivstoffen, defekten Gasleitungen oder anderen Gründen kommt es häufig zu schlimmen Explosionen: Bei der Entwicklung des Dynamits ging Alfred Nobels erste Sprengstofffabrik in die Luft. 2001 starben in Eisenhüttenstadt 5 Menschen, weil bei durch einen Lichtbogen eine Gasleitung beschädigt wurde und ein Haus vollkommen mit Gas gefüllt wurde. Wegen Gasgeruch gerufen Fachkräfte und ein Passant starben als das Gas durch einen Funken zur Explosion gebracht wurde. Das Haus war so stark beschädigt, dass es samt Keller abgerissen werden musste.

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6. Quellen

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7. Glossar und Hinweise

Schießbaumwolle ist (fast) vollständig nitrierte Cellulose - dazu wird Watte in Salpetersäure und Schwefelsäure getaucht bis sie vollgesogen ist. Anschließend ausdrücken und im Trockenschrank trocknen. Genauere Anleitung gibts beim Chemielehrer.

Bitte für alle Experimente die Sicherheitshinweise beachten. Ich übernehme für etwaige Unfälle keine Verantwortung!

Falls es zum Vortrag Fragen gibt einfach eine eMail an mich!

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