Proef 08   Vuur aansteken met water.

april 2012

Benodigde chemicaliën en spullen:

Proef05a.jpg
Het kleine potje met het mengsel op de weegschaal.
Water (H2O):1 (één) druppeltje
Ammoniumnitraat (NH4NO3):4 gram
Ammoniumchloride (NH4Cl):½ gram
Bariumnitraat (Ba(NO3)2): 1 gram
of strontiumnitraat (Sr(NO3)2):1 gram
Zinkpoeder (Zn):4 gram
Klein glazen potje:bijv. 30 mL
Grote glazen pot:bijv. 300 mL

Gebruik een veiligheidsbril en -handschoenen, zoals altijd als er vuur in het spel is.

Voorbereiding:

Doe het ammoniumnitraat, het ammoniumchloride en het strontiumnitraat of -chloride in een zeer droog klein potje. Schud alles goed door elkaar. Voeg er daarna het zinkpoeder bij en schud dat er ook goed doorheen zodat het mengsel egaal grijs is. Zet het kleine potje in de grote pot.
Werk uiterst voorzichtig. Als het mengsel eenmaal ontbrandt, is het onblusbaar.

Uitvoering van de proef:

Zet de pot buiten op de grond.
Laat één klein druppeltje water in het kleine potje vallen.
Het grijze mengsel begint wat te sissen en ontbrandt vervolgens spontaan. Voorzichtig dus, blijf uit de buurt, want er kan brandend mengsel uitspatten! Het vuur is fel en rood, maar als je giftig (!) bariumnitraat gebruikt i.p.v. strontiumzout, is het groen.
Proef05b.jpg

De grote pot na de proef.

Verklaring:

Er lost wat ammoniumchloride op en daardoor ontstaan vrije chloride-ionen die als katalysator werken voor de buitengewoon exotherme, heftige reactie:

Zn + NH4NO3 → ZnO + N2 + 2 H2O
Het bariumnitraat zorgt voor de groene kleuring. Zou je daarvoor in de plaats strontiumnitraat gebruiken, dan is het vuur rood.

Na afloop van de proef:

De restanten kunnen als gewoon anorganisch chemisch afval bij de milieustraat worden ingeleverd.

Nadere beschouwingen van de M.S.

Zink is een reductor. Nitraat is vooral in zuur milieu een sterke oxidator. Geïoniseerd NH4NO3 zou voor dat zure milieu kunnen zorgen want NH4+ is een zwak zuur. Zie Binas, tabel 49. Maar er is geen water, dus er zijn ook geen vrije ionen aanvankelijk.
Komt er echter een beetje water bij dan kan het zink met water gaan reageren, en dan kan de rest van de reactie ook van start. En er ontstaat meer water. Eens kijken wat een pragmatische benadering voor een resultaat oplevert. Je past op de begin- en de overeenkomende eindproducten klakkeloos de zogeheten COHe¯-regels (zie Proef 31) toe. Je telt de zo verkregen halfvergelijkingen op en streept gelijke formules vóór en achter de pijl tegen elkaar weg. Kijk wat je dan krijgt:
Zn + H2O    ZnO + 2 H+ + 2 e¯
2 e¯ + 2 H+ + NH4NO3    N2 + 3 H2O

+
Het wegstrepen van gelijke formules vóór en achter de pijl, levert:
Zn + H2O    ZnO + 2 H+ + 2 e¯
2 e¯ + 2 H+ + NH4NO3    N2 + H2O + 2 H2O

+
Zn + NH4NO3  →  ZnO + N2 +2 H2O
Dit ziet er vertrouwenwekkend uit! Maar wat bewijst dit?

Eens kijken wat de oxidatiegetallen doen:
Zn gaat van 0 naar 2+ d.w.z het oxidatiegetal stijgt: zink wordt geoxideerd; het is een reductor. Okay.
Met het oxidatiegetal van stikstof (N) gaat het gekker: in NH4+ is het oxidatiegetal van stikstof 3- en in NO3¯ is het 5+ en ze gaan beide naar 0 in N2. N is hier dus zowel oxidator als reductor! Dat betekent dat in NH4NO3 een autoredoxreactie kan plaatsvinden: NH4NO3 reageert onder bepaalde omstandig­heden inderdaad met zichzelf. Dit was de oorzaak van de explosie met 15 doden van een kunstmestfabriek in Texas in april 2013. En in 1947, ook in Texas, vielen er 600 doden bij het ergste industriële ongeluk in de VS ooit: de ontploffing van twee schepen geladen met ammoniumnitraat. Het kan dus goed zijn dat Zn een beginnetje maakt met de explosie en dat deze verder alleen zelf doorgaat. Veel terroristen maken gebruik van een mengsel van ammoniumnitraat en een reductor. Maar de massaverhouding zink : ammoniumnitraat is duidelijk niet een beetje Zn en heel veel NH4NO3, maar 1 : 1. De molverhoudig in de reactievergelijking is ook 1 : 1. Uit tabel 99 en 98 van Binas volgt dan een massaverhouding van Zn : NH4NO3 = 80,04 : 65,38. Er had dus 20% meer zink moeten zijn dan ammoniumnitraat indien zink steeds mee zou doen in de reactie. Dus gaat inderdaad 20% van het NH4NO3 uit zichzelf de lucht in:
NH4NO3 → N2 + 2 H2O + O2.
En het is waarschijnlijk dat een deel van de stikstof en zuurstof vrijkomt als stikstofoxiden, die deels bruin zijn. Zonder vlamkleurders zal de rook daarom wat bruin zijn, zoals je ook ziet als schepen hun kanons afvuren. Maar door barium (zeer giftig! Zie tabel 97A) en strontium is de kleur resp. geelgroen en wijnrood. (Binas, tabel 65A). Veiligere en goedkopere vlamkleurders zijn keukenzout (oranjegeel) en calciumchloride (steenrood). Daarmee is het NH4Cl als chloride-ionenleverancier ook overbodig. Overigens is er door de vlamkleurders (nitraten) en het ammoniumchloride ook nog extra ammoniumnitraat binnengesmokkeld waardoor het verhaal van het op zichzelf doorreageren van de overmaat ammoniumnitraat versterkt wordt.

Klik hier voor een filmpje .WMV of hier .MP4   (0'30").