Ein wichtiger, wenn auch viel kritisierter Aspekt chemischer Arbeit ist die Herstellung von Sprengstoffen. Man kann sagen, dass sich die Produktion und Entwicklung dieser Substanzen zu einem der großen Zweige der Chemie entwickelt haben. Sie haben auch an der historischen Entwicklung der Chemie großen Anteil. Sprengstoffe kann man jedoch nicht nur zur Kriegsführung benutzen, sondern auch für friedliche Zwecke: Hier ist ein Schornstein zu sprengen, dort im Steinbruch Gestein zu lockern.
Die Chemie der Sprengstoffe ist ein Teil der Stickstoffchemie. Denn die üblichen Sprengstoffe sind (Bis auf ganz wenige Ausnahmen) alle Stickstoffverbindungen.

Schwarzpulver war der erste Sprengstoff
Früher war es Salpeter, der z. B. im Schwarzpulver enthalten ist. Dieses besteht im wesentlichen aus dem Oxidationsmittel Kalium/Natriumnitrat, sowie aus den Reduktionsmitteln Schwefel und Holzkohle. Schematisch kann man den Reaktionsablauf so beschreiben:

2 KNO₃ + S + 2 C ———> K₂O + SO₂ + CO₂ + CO + N₂ + Energie

Aus einem Festkörpergemisch mit geringem Volumen ist (neben Kaliumoxid) eine Gasmischung entstanden, die ein viel größeres Volumen hat. Und da das Gas zusätzlich noch sehr heiß ist, ist das Volumen entsprechend größer. (Weiter unten berechnen wir das einmal exemplarisch am Beispiel eines anderen Sprengstoffs.)

Ohne Schwarzpulver ist auch heute noch der Spaß mit Sylvesterböllern nicht denkbar. Das Nitrat zu seiner Herstellung kratzte man früher als Ausblühungen vom Kellergestein neben Jauchegruben ab (-> sal petri = Steinsalz). Später musste man es aus Chile (unter der Bezeichnung "Chilesalpeter" bekannt) und Peru importieren. (Darauf beruht die Geschichte des Kapitäns Nemo und von seinem U-Boot Nautilus in Jules Vernes Roman "20 000 Meilen unter dem Meer".)

Moderne Sprengstoffe enthalten Reduktions- und Oxidationsmittel im gleichen Molekül
Die modernen Sprengstoffe sind viel komplizierter aufgebaut als Schwarzpulver. Sie sind nicht mehr Gemische von Oxidations- und Reduktionsmitteln, sondern Verbindungen, die das Reduktions- und das Oxidationsmittel in sich gebunden tragen. Wegen dieser räumlichen Nähe durchlaufen sie nach Zündung eine wahnsinnig schnelle innere Redoxreaktion. Solch ein Stoff ist schon das Ammoniumnitrat.

2 NH₄NO₃ ———> N₂ + 2 NO + 4 H₂O + Energie

Den ersten organisch-chemischen Sprengstoff stellte durch Zufall der später als Entdecker des Ozons bekannt gewordene Chemiker Ch. F. Schönbein im 19. Jahrhundert her. Es war die Schießbaumwolle. (Dem Vernehmen nach soll er eine verschüttete Mischung von konzentrierter Salpetersäure und Schwefelsäure mit der leinenen Küchenschürze seiner Frau aufgewischt haben. Die Schürze entzündete sich dann beim Trocknen am heißen Ofen.) Die Bezeichnung Nitrocellulose ist genau genommen falsch, handelt es sich doch um den Salpetersäureester der Cellulose. Später machte man daraus einen der ersten Kunststoffe - Celluloid. Damit hat man so manches Kino abgefackelt, denn Celluloid diente als Trägermaterial für Filme.

Das gilt auch für das bekannte Nitroglycerin, denn das ist der Salpetersäure-Ester des Glycerins.

Diese ölartige Substanz explodiert beim geringen Anstoß. Um sie zu bändigen, adsorbiert man sie an Kieselgur. Diese Erfindung durch Alfred Nobel führte zum Dynamit.
Beim Zünden von Nitroglycerin werden wie beim Schwarzpulver schlagartig auch immense Gasmengen freigesetzt; z. B.:

Deren Volumen vergrößert sich natürlich noch durch die große Explosionshitze.
Man berechne einmal das Volumen des Gases, das bei der Zündung von 227 g (= 1 Mol) Nitroglycerin schlagartig freigesetzt wird (Temperatur 3000 K). Das Ergebnis: Es entwickeln sich innerhalb von 10^-5 s auf engstem Raum 1,784 Kubikmeter Gas! (Zur Berechnung siehe die Spezialwebseite.)

Daraus resultieren der hohe Druck, der bei Explosionen wirksam wird, und der damit verbundene Knall. Bemerkenswert ist, dass die Explosionsreaktion nicht auf die Zufuhr von Luftsauerstoff angewiesen ist, da der Sprengstoff sein Oxidationsmittel quasi in sich gebunden trägt. (Beim Schwarzpulver war das alles noch grob gemischt, die Reaktion verläuft deshalb um Größenordnungen langsamer.) So läuft die Reaktion innerhalb von 10^-5 Sekunden und schneller vollständig ab.

Es gibt noch viele andere Sprengstoffe. Allgemein bekannt ist das TNT (Trinitrotoluol), das vor allem vom Militär genutzt wird und in Gewehrpatronen oder den Treibsätzen von Artilleriemunition enthalten ist.

Andere Sprengstoffe wie das Hexogen sind schon eher hochbrisant. Sie dienen weiterhin zusammen mit Aluminiumpulver als Füllung für panzerbrechende Waffen, die sich aufgrund der hohen Hitzeentwicklung durch dicke Panzerplatten oder Betonschichten hindurchschweißen. über die Herstellung von Hexogen aus Allerwelts-Chemikalien berichten wir in einer gesonderten Webseite.

Alle Sprengstoffe müssen zur Einleitung ihrer stark exothermen Reaktion erst einmal aktiviert werden
Einige Sprengstoffe wie das Schwarzpulver kann man durch Anzünden zur Reaktion bringen. Tunlichst nutzt man dazu eine Lunte, zum Beispiel einen mit Kaliumnitratlösung getränktem, getrockneten Docht.
Dann gibt es Sprengstoffe, die durch Schlag gezündet werden können. Hier ist der sagenhafte Iodstickstoff zu nennen. Meistens werden diese als so genannte Initialzünder verwendet, die sich z. B. auch in den Zündhütchen der Patronen befinden. Das sind meist Verbindungen wie das Silberazid AgN₃ oder die Azide anderer Schwermetalle, deren Explosion durch den Schlagbolzen des Gewehrs oder einer Kanone ausgelöst wird.

2 AgN₃ ———> 2 Ag + 3 N₂ + Energie

(Früher nahm man auch Knallsilber AgCNO ("Fulminat") oder Acetylide wie Ag₂C₂.)

Ihre Zündung setzt so viel Energie frei, dass damit auch der gutmütigere Sprengstoff wie Dynamit oder TNT gezündet wird. (Übrigens liegen solche Verbindungen auch der Funktion des Airbags zugrunde, bei dessen Auslösen man zunächst einen lauten, ohrenbetäubenden Knall hört.)
Aber auch ein elektrischer Funke wird wegen seiner hohen Temperatur zur Zündung von Sprengstoffen verwendet.

Die meisten Sprengstoffe müssen zur vollen Wirkung verdämmt werden
Wichtig ist, dass die für friedliche Zwecke genutzten Sprengstoffe so "konstruiert" werden, dass sie nur bei Verdämmung ihre volle Kraft freisetzen. So brennen unverpacktes Schwarzpulver und Dynamit wie auch TNT einfach und gefahrlos ab. Verpackt ("verdämmt") man es jedoch in eine Pappröhre und wickelt man (wie du es von den Böllern her kennst) noch kräftigen Bindfaden herum, so kann die chemische Reaktion in kürzester Zeit ihren vollen Druck aufbauen und in die Explosion (egal ob Deflagration oder Detonation) münden. Gleiches ist bei den Sprengstoffen der Fall, die zum Lockern des Gesteins im Steinbruch benutzt werden. Sie entfalten ihre Kraft erst im engen Bohrloch. Wenn es zu "Blindgängern" kommt, eine Zündung also unterbleibt, gelangt der nicht explodierte Sprengstoff in den Zement-Brennofen. Dort brennt er dann einfach ab und explodiert nicht etwa! Das würde dem Brennofen schlecht bekommen...

Andere Sprengstoffe wie die hochbrisanten Substanzen müssen nicht verdämmt werden. Sie haben eine so hohe Reaktionsgeschwindigkeit, dass eine nicht zu dünne Schicht zur verheerenden Explosion ausreicht. Das ist zum Beispiel die Eigenschaft von Plastiksprengstoff, den man wie Knete in irgendeine Ecke schmiert und zündet.

Es gibt zwei Explosionstypen
Bei der Deflagration pflanzt sich die chemische Reaktion nur durch die freiwerdende Reaktionswärme fort und ist entsprechend langsam, auf jeden Fall langsamer als der Schall mit etwa 330 m/s. Die Explosionswirkung ist recht gering. Beispiel: Schwarzpulver.

Bei der Detonation bewegt sich die Reaktionszone schneller vorwärts als der Schall. Es werden Geschwindigkeiten bis zu 9000 m/s erreicht. Die begleitende Stoßwelle zerschlägt alles, was ihr im Weg steht. Beispiele sind Plastiksprengstoff oder Hexogen.

Weitere Texte zum Thema „Spreng- und Kampfstoffe“