Praktische pyrotechnieken Teach article

Vertaald door Piet Das. Heet, lichtgevend en destructief: vuur is een natuurkracht. Hier bekijken we hoe we het veilig kunnen beheersen met water en koolstofdioxide.

Vuur heeft een plaats in de prehistorie, cultuur en technologie. De vroege mens zal branden van natuurlijke oorsprong hebben meegemaakt – van bosbranden en bliksem tot misschien vulkaanuitbarstingen. Later leerden mensen hoe ze vuur moesten maken en zelf in stand houden en om het te gebruiken voor licht en warmte. Veel later begrepen we de chemie ervan en hoe het aan te passen voor gebruik op de meest voortreffelijke gecontroleerde wijze – zoals in bijvoorbeeld de verbrandingsmotor.

Vandaag de dag, maar ook als een essentieel onderdeel van de technologie, is vuur  een gevaar: in Europa verliezen elk jaar enkele duizenden mensen hun leven als gevolg van brand, met een geschat economisch verlies van één procent van het BNP^w1. Vuur is dus een belangrijk onderwerp door zowel zijn kracht als zijn risico’s.

Geïnspireerd door dit idee hebben we een reeks activiteiten ontwikkeld om de eigenschappen van vuur veilig te verkennen voor leerlingen van 11-14 jaar. In de eerste activiteit, laten we zien hoe ‘geld verbrandt’, terwijl in de tweede activiteit de vuur dovende eigenschappen van koolstofdioxide gedemonstreerd worden. Tot slot geven we de leerlingen een kans om te bespreken hoe je je kunt beschermen tegen vuur. De activiteiten vereisen in totaal ongeveer 35 minuten (de eerste activiteit ongeveer 15 minuten, en de tweede en derde 10 minuten).

Als een voorafje op de praktische activiteiten vroegen we de leerlingen om vijf ideeën te noemen die ze associëren met het woord ‘vuur’. De meest voorkomende associaties worden in figuur 1 weergegeven.

Activiteit 1: Geld verbranden?

Deze activiteit is een beetje een magische truc – een demonstratie hoe je je geld kunt verbranden en het toch behouden.

Materialen

• Nep geldbiljet
• Metalen tang
• Twee kristaliseerschaaltjes
• Ongeveer 25 g natriumchloride (tafelzout)
• Water
• Spiritus of een andere soort gedenatureerde alcohol (ethanol).
• Vuurvast oppervlak, b.v. bedekt met een metaal, tegels of zilverpapier.
• Brandblus apparaat (een brandblusser of een natte katoenen zakdoek) – als voorzorg.

Werkwijze

Deze activiteit moet door de docent uitgevoerd worden als demonstratieproef.

1. Zet twee kristaliseerschaaltjes op het vuurvaste oppervlak. Vul de ene met ongeveer 50 mL water en de andere met 50 mL spiritus (figuur 2.)

2. Doe het zout bij het schaaltje met spiritus en roer tot het mengsel helder is.
3. Pak het bankbiljet met de metalen tang. Dompel het gedurende een paar seconden volledig onder in water.

4. Schud het overtollige water af en dompel dan het biljet in de spiritus (figuur 4). Ga bij het schaaltje met spiritus vandaan om te voorkomen dat je de alcoholdamp aansteekt bij de volgende stap.

5. Terwijl je het biljet met de tang vasthoudt houd je snel (en heel voorzichtig) de brandende lucifer bij de hoek van het bankbiljet en laat het branden (figuur 5).

6. Zodra het branden is gestopt, vraag je de leerlingen om het biljet te controleren. Is het opgebrand ? Is het ook maar een beetje beschadigd?

Discussie

Vraag de leerlingen na het experiment om onderling in groepjes te bediscussiëren wat er is gebeurd. Moedig ze aan om met eigen ideeën te komen, waarbij ze het werkblad^w2 gebruiken, of stel de volgende vragen:

• Heeft het biljet gebrand?
• Zo niet, waarom niet? (Water heeft het biljet vochtig gemaakt, waardoor het niet ging branden. Alcohol is vluchtiger dan water; de spiritus brand net boven het oppervlak van het papier)
• Welke kleuren hadden de vlammen – en waarom? (De gele vlam is een indicatie voor de aanwezigheid van natrium uit het zout).

Bediscussieer de ideeën van de leerlingen met de klas, begeleid ze indien nodig naar de juiste antwoorden.

Activiteit 2: Een chemisch brandblusser maken

Deze activiteit wordt uitgevoerd door de leerlingen onder leraar toezicht. Er zijn twee varianten: in de eenvoudigste (versie 1), produceren we kooldioxide in een bekerglas en ontdekken dan dat het een brandende lucifer of kaars die in het bekerglas staat dooft. In versie 2, laten we kooldioxide over een vlam stromen – een handeling die lijkt op  het gebruiken van een brandblusser om een brand te blussen.

Materialen

• Een bekerglas (versie 1) of drie bekerglazen (versie 2)
• Kaars
• Lucifers
• 20-50 g baking soda (Bakpoeder is baking soda + citroenzuur) (natriumwaterstofcarbonaat, NaHCO₃)
• 25 mL of 10 % blanke azijn

Werkwijze

1. Doe de baking soda in het bekerglas.
2. Giet ongeveer 25 mL azijn op de baking soda (figuur 6) – er moet een heftige reactie optreden.

Versie 1

3. Nadat de reactie een paar seconden is doorgegaan steek je een lucifer of kaars aan en houd dit brandend boven de vloeistof in het bekerglas (figuur 7). Wat gebeurt er?

Versie 2

3. Zo gauw de reactie begint zet je een ander bekerglas op de kop op de eerste en houd hem op zijn plaats, zodat het geproduceerde gas niet weg kan (figuur 8).

4. Als de gasproductie in het onderste bekerglas stopt zet je de bovenste beker rechtop op de tafel. (De koolstofdioxide zal erin blijven omdat het zwaarder dan lucht is.)
5. Steek een kaars aan en zet de brandende kaars in het derde bekerglas. Kantel vervolgens de schijnbaar lege tweede beker, die het gas bevat, zodat het onzichtbare gas in de beker met de brandende kaars (figuur 9) stroomt. Wat gebeurt er?

Discussie

Vraag de leerlingen om in groepjes te bespreken wat er gebeurde (bij elke versie van het experiment). Inspireer hen met vragen als:

• Wat gebeurde er met de kaars- of de lucifervlam – en waarom?
• Welk gas wordt geproduceerd bij de reactie?
• Waarom blijft het gas in het bekerglas en ontsnapt het niet?

Gebruik een werkblad^w2 om ze van een gestructureerde aanpak van deze vragen te voorzien, zodat je de leerlingen naar een correctie verklaring begeleidt.

Het gas dat wordt geproduceerd bij de reactie van baking soda en azijn is koolstofdioxide (CO₂):

NaHCO₃ + CH₃COOH → CH₃COONa + H₂O + CO₂

Koolstofdioxide is zwaarder dan lucht daardoor blijft het in het bekerglas. Het versterkt ook de verbranding niet – het voorkomt in feite dat zuurstof, die nodig is voor de verbranding, bij de vlam komt, waardoor de vlam uitgaat. Het feit dat koolstofdioxide zwaarder dan lucht is, betekent ook dat je het van bekerglas naar bekerglas kunt overgieten.

Koolstofdioxide kan ook gevaarlijk zijn voor de mens en andere dieren, wanneer het voorkomt in hogere concentraties of in een afgesloten ruimte (daarom is het noodzakelijk dit experiment in een goed geventileerde ruimte uit te voeren). Dit is niet alleen omdat we zuurstof moeten inademen, maar ook omdat ons lichaam het kooldioxidegehalte aanvoelt en dit gebruikt om de de ademhaling te reguleren – dus een atmosfeer die maar één procent kooldioxide bevat kan invloed hebben op dit mechanisme. Maar koolstofdioxide is ook nuttig: planten gebruiken koolstofdioxide, water en licht bij de fotosynthese, waarbij zuurstof geproduceerd wordt en planten groeien.

Activiteit 3: Hoe blijf je veilig

Het doel van deze laatste activiteit is leerlingen bewuster maken van de risico’s die samenhangen met vuur. Te behandelen onderwerpen zijn onder meer:

• Alledaagse onderwerpen of activiteiten over de belangrijkste oorzaken van brand
• Hoe je brand thuis en buitenshuis kunt voorkomen
• Hoe maak je een brand uit (soorten brandblussers en hoe ze te gebruiken)
• Wat te doen in geval van brand (belangrijke brandbestrijdings do’s en don’ts)
• Wat te doen als iemand zich brandt (belangrijke EHBO-do’s en don’ts)

We raden aan om te beginnen met eerst een door de leraar geleide discussie, gevolgd door een internetonderzoek door groepjes leerlingen. Elke groep kan  één van de bovenstaande vragen (of soortgelijke vragen) nemen, waarvan ze een poster of presentatie samenstellen en aan de rest van de klas laten zien.

Het is ook het overwegen waard om een gastspreker uit te nodigen – idealiter een brandweerman of een EHBO-er getraind in het omgaan met brandwonden. Evenals het verstrekken van informatie, zal dit het feit onderstrepen dat branden echt gebeuren – en terwijl we rekenen op opgeleide deskundigen als er iets misgaat, is het aan ons allen om in de eerste plaats te helpen voorkomen dat branden ontstaan.