Und es werde Feuer

  • 24. February 2017

Aufnahmen in Superzeitlupe offenbaren, was beim Entzünden von Streichhölzern passiert.

Das Abbrennen eines Streichholzes besteht aus drei Phasen: der Initialzündung, der Brandphase des Kopfes und derjenigen des Holzes. Die Initialzündung wird im Allgemeinen mit Hilfe von Phosphor realisiert. Bei Sicherheitshölzern ist (roter) Phosphor mit einem Bindemittel auf der Reibefläche der Schachtel aufgebracht, also getrennt von den Chemikalien im Zündkopf. Durch Reibung kommt der Phosphor in Kontakt mit dem Kaliumchlorat, und die Reibungswärme reicht als Aktivierungsenergie aus, um die exotherme Oxidationsreaktion

5 KClO3 + 6 P --> 5 KCl + 3 P2O5

in Gang zu setzen. Beim Abbrand des Kopfes wird in der Folge auch die Gelatine oxidiert, und im späteren Abbrennen des mit Paraffin getränkten Holzes verkohlt das Holz. Eine Imprägnierung des Holzes verhindert das Nachglühen.

Im Gegensatz zu diesen Sicherheitshölzern sind bei den Überallzündhölzern alle benötigten Chemikalien inklusive dem Phosphor im Kopf enthalten. Man benötigt lediglich die Reibungswärme für die Initialzündung.

Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen offenbaren die Vorgänge während der Initialzündung sowie dem Brand des Kopfs. Die Sicherheitszündhölzer wurden fest eingespannt und die Reibefläche bewegt, um scharfe Bilderzu erhalten. Typische Reibegeschwindigkeiten lagen um 1 m/s bei Reibelängen von 1 bis 3 cm. Die Reibung erfolgte sowohl von der Seite (bessere Beobachtung gebildeter Funken) als auch von vorne (Beobachtung der Initialzündung im Kopfbereich).

Entzünden eines Kaminholzes (1000 Bilder pro Sekunde (fps), Belichtungszeit 1/2000 s, 8-fach komprimiert, d.h. jedes 8. Bild gezeigt). Nach der Initialzündung bildet sich die Flamme zunächst zurück, ehe die eigentliche Zündung beginnt.

Bei der normalen Entzündung sind im ersten Video während des Reibens häufig kleine Funken zu sehen, die von der Schachtel wegspringen. Meist wenige Millisekunden nachdem die Reibefläche der Schachtel den Kopf verlässt, zeigt sich eine erste kleine Initialzündung an einer Stelle des Streichholzkopfes. Nach etwa 1 s hat sich der ganze Kopf entzündet. Die dabei brennende Flamme ist deutlich heißer als beim Holzabbrand.

Bei Ende der Oxidation der Materialien im Kopf lösen sich oft kleine Flammen ab. Die Flamme teilt sich also, und ein erlöschender Teil fliegt nach oben weg. Etwa 0,3 s bis 0,5 s nach Ende des Kopfbrands beginnt dann der normale Abbrand des paraffingetränkten Holzstabs. Alles in allem dauert es also etwa 1,6 bis 1,7 s von der Initialzündung bis zur ruhigen Flamme.

Bei der verzögerten Entzündung ist – wahrscheinlich bei etwas geringerem Eintrag von Reibungsenergie – zwar ebenfalls wenige Millisekunden nach Entfernen der Reibefläche eine Initialzündung erkennbar. Diese ist jedoch sehr schwach ausgeprägt und kann sich auch für einige Zehntelsekunden zurückbilden.

Entzünden eines Streihholzes (1000 fps, 1/10000 s, 4-fach komprimiert). Wegen der kürzeren Belichtungszeit kann man durch die Flamme hindurch den Streichholzkopf beim Abbrennen beobachten.

Im zweiten Video sieht man Farbänderungen des Kopfes. Ursache sind langsame chemische Reaktionen im Innern. Es dauert aber etwa eine halbe Sekunde, bis die Flamme erneut ausbricht und in der Folge den Kopf ganz entzündet.

Michael Vollmer, Klaus-Peter Möllmann, TH Brandenburg

Eine ausführliche Beschreibung weiterer Experimente, beispielsweise mit Überallzündhölzern und mehreren Zündhölzern in Reihe, finden Sie in dem vollständigen Artikel. Er ist in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen und steht zum freien Download bereit. Weitere Videos finden als freies Zusatzmaterial unter Supporting Informations.

Hochgeschwindigkeits-Videos anderer Experimente finden Sie in unserem Youtube-Kanal

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