T1.1 Krudt

NoteDet skal du kunne

• forklare, hvorfor krudt kan brænde uden luft
• forklare, hvad de tre stoffer i sortkrudt gør
• bruge oxidationstal til at vise, hvad der bliver oxideret og reduceret, når krudt brænder
• beregne, hvor meget gas krudt bliver til

Nytårsaften brænder der krudt af over hele landet. Krudtet sender raketterne op, kaster de lysende kugler ud og giver knaldene. Krudt blev opfundet i Kina for over tusind år siden, og opskriften er næsten ikke ændret siden.

Siden bygger på redoxreaktioner og oxidationstal fra afsnit 8.1 og 8.3 og på mængdeberegning og gasser fra afsnit 4.5 og 4.6 i bogen til C-niveau.

Ild uden luft

En brand skal bruge tre ting: et brændsel, oxygen og varme. Mangler én af dem, går ilden ud. Sætter du et glas over et stearinlys, bruger flammen oxygenet i glasset, og lyset går ud.

Krudt er anderledes. Det brænder også inde i et lukket rør, hvor der ikke kan komme luft til. Det kan det, fordi krudtet selv har oxygenet med.

Figur 1: Et stearinlys skal have oxygen fra luften. Krudt har selv oxygenet med.

Oxygenet sidder i et stof, der let giver det fra sig. Sådan et stof er et oxidationsmiddel. Et oxidationsmiddel optager elektroner, og et reduktionsmiddel afgiver elektroner. I krudt er brændslet reduktionsmidlet.

En blanding af et brændsel og et oxidationsmiddel, som kan brænde uden luft, kaldes en sats. Alt fyrværkeri er bygget af satser.

Sortkrudt

Det krudt, der bruges i fyrværkeri, hedder sortkrudt. Det er en blanding af tre faste stoffer, som er malet til et fint pulver.

Figur 2: Sortkrudt består af tre stoffer, som har hver sin opgave.

• Kaliumnitrat, KNO₃, er oxidationsmidlet. Det er et hvidt salt, som også kaldes salpeter. Når det bliver varmt, afgiver det oxygen.
• Trækul er brændslet. Det består mest af carbon.
• Svovl tænder ved en lav temperatur. Det gør krudtet let at antænde og får det til at brænde jævnt.

Trækul på en grill brænder langsomt, fordi oxygenet skal komme fra luften. I krudt ligger kornene af kaliumnitrat lige op ad kornene af trækul. Oxygenet er der med det samme, og derfor går det stærkt.

Reaktionen

Når krudt brænder, sker der mange reaktioner på én gang. Det vigtigste kan samles i ét reaktionsskema:

2 KNO₃(s) + S(s) + 3 C(s) → K₂S(s) + N₂(g) + 3 CO₂(g)

Skemaet er en forenkling. I virkeligheden dannes der også lidt kaliumcarbonat, kaliumsulfat og carbonmonoxid.

Oxidationstallene viser, hvad der sker med elektronerne.

Figur 3: Oxidationstallene i reaktionen. Carbon stiger, og nitrogen og svovl falder.

• Carbon stiger fra 0 til +IV. Carbon bliver oxideret, så trækullet er reduktionsmidlet.
• Nitrogen falder fra +V til 0. Nitrogen bliver reduceret, så kaliumnitrat er oxidationsmidlet.
• Svovl falder fra 0 til −II. Svovl bliver også reduceret.

Kalium og oxygen har samme oxidationstal før og efter, +I og −II.

Tre carbonatomer stiger 4 hver, så den samlede stigning er 12. To nitrogenatomer falder 5 hver, og ét svovlatom falder 2, så det samlede fald er 12. Stigning og fald er lige store, som de skal være i en afstemt redoxreaktion. Det kender du fra afsnit 8.4 i bogen til C-niveau.

VigtigtOpskriften passer med reaktionsskemaet

Regner man masserne i reaktionsskemaet om til procent, får man 75 % kaliumnitrat, 13 % carbon og 12 % svovl. Det er tæt på opskriften med 75, 15 og 10. Krudtmagerne fandt det bedste forhold ved at prøve sig frem, længe før nogen kendte til mol.

Fra fast stof til gas

Til venstre i reaktionsskemaet står der kun faste stoffer. Til højre står der to gasser: nitrogen og carbondioxid. Det er forklaringen på krudtets kraft. En lille bunke fast stof bliver på et øjeblik til en stor mængde gas.

NoteEksempel: gas fra krudt

En portion krudt indeholder 8,09 g kaliumnitrat. Hvor mange liter gas dannes der, når krudtet brænder? Regn ved 25 °C og 1,00 bar.

Trin 1: stofmængden af kaliumnitrat

Molarmassen er M(KNO₃) = (39,10 + 14,01 + 3 · 16,00) g/mol = 101,11 g/mol.

\[ n(\mathrm{KNO_3}) = \frac{m}{M} = \frac{8{,}09\ \mathrm{g}}{101{,}11\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}} = 0{,}0800\ \mathrm{mol} \]

Trin 2: stofmængden af gas

2 mol kaliumnitrat giver 1 mol nitrogen og 3 mol carbondioxid. Det er 4 mol gas i alt. Forholdet er 2 : 4.

\[ n(\mathrm{gas}) = \frac{4}{2} \cdot 0{,}0800\ \mathrm{mol} = 0{,}160\ \mathrm{mol} \]

Trin 3: gassens volumen

Temperaturen er T = (273 + 25) K = 298 K.

\[ V = \frac{n \cdot R \cdot T}{p} = \frac{0{,}160\ \mathrm{mol} \cdot 0{,}0831\ \dfrac{\mathrm{L \cdot bar}}{\mathrm{mol \cdot K}} \cdot 298\ \mathrm{K}}{1{,}00\ \mathrm{bar}} = 3{,}96\ \mathrm{L} \]

Konklusion

Krudtet bliver til 3,96 L gas ved 25 °C. Det er næsten fire liter gas fra en lille bunke pulver.

Men gassen er ikke 25 °C. Reaktionen er stærkt exoterm, og lige når krudtet brænder, er gassen over 1000 °C. En varm gas fylder mere end en kold. Ved 1000 °C er T = (273 + 1000) K = 1273 K, og så fylder de samme 0,160 mol gas 16,9 L.

Figur 4: Der er lige mange molekyler i de to kasser. Den varme gas fylder over fire gange så meget.

I et rør kan gassen ikke få lov til at fylde så meget. I stedet stiger trykket. Det er trykket, der sender en raket til vejrs og får et kanonslag til at knalde. Det kan du læse om i T1.2 Fra lunte til knald.

Røgen

Det sidste produkt, kaliumsulfid, er et fast stof. Det bliver til bittesmå korn, som svæver i luften. Det er røgen.

Efter reaktionsskemaet bliver omkring 40 % af krudtets masse til fast stof. Derfor ryger krudt så meget. Hvad røgen gør ved luften, er emnet for T1.4 Røg, støv og miljø.

VigtigtLav aldrig krudt eller fyrværkeri selv

Krudt kan tænde ved en gnist, ved varme og ved gnidning. Hvert år kommer mennesker alvorligt til skade med hjemmelavet fyrværkeri, og det er forbudt at fremstille fyrværkeri uden tilladelse. Forsøg med krudt laves kun sammen med din lærer.

NoteKort sagt

• Krudt kan brænde uden luft, fordi oxidationsmidlet i krudtet leverer oxygenet.
• Sortkrudt er 75 % kaliumnitrat, 15 % trækul og 10 % svovl.
• Carbon bliver oxideret fra 0 til +IV. Nitrogen bliver reduceret fra +V til 0.
• Faste stoffer bliver til varm gas, som fylder meget. Det giver krudtet dets kraft.
• Det faste kaliumsulfid bliver til røg.

Prøv selv: Oxidationstal: øv reglerne, før du bruger dem på krudt.

Se alle opgaver til emnet “Krudt” (T1.1)