Chemische Implosion

Wissenschaft Chemie
#1

Hallo zusammen,

es würde mich (rein wissenschaftlich) interessieren, ob jemand eine chemische Reaktion kennt, die zu einer starken Implosion führt, eventuell sogar mit abkühlung der Umgebung durch den stark erniedrigten druck verbunden. Ein beispiel für eine chemische Implosion ist ja die Knallgasreaktion, bei der zwei Gase H2 un O2 zu Wasser reagieren und somit ihr Volumen stark erniedrigen. Dabei wird allerdings viel Energie frei, die zur erhitzung führt. Ansonsten konnte ich allerdings bisher keine solche Reaktion finden.

Vielen Dank schon mal.

#2

Bin nicht vom Fach. Hieß es aber nicht, dass die alten Bildröhren implodieren konnten. Oder war das nur wegen des Vakuums.
Gruß
rakete

#3

Hallo rakete,

Das war wegen dem Vakuum.

MfG Peter(TOO)

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#4

Hallo!

Bei deiner Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht sehr viel Wärme, eine Knallgasflamme (und damit das Wasser) erreicht locker 3000°C und mehr. Das führt zu einer heftigen Volumenvergrößerung, also einer Explosion. Damit das Volumen danach abnimmt, muß die ganze Wärme erstmal abgeführt werden. Aus rein chemischer Sicht verringert sich das Volumen bei der Reaktion selbst nicht, dazu ist noch eine Interaktion mit der Umgebung notwendig.

Ich würde mich mal bei den Metallen umschauen. Die beim Verbrennen entstehenden Oxide haben extrem hohe Schmelz- und Siedepunkte, die selten von der Reaktion selbst erreicht werden. Damit wird der Sauerstoff sofort in einem Feststoff oder einer Flüssigkeit gebunden.
Allerdings: In normaler Luft wird sich der verbleibende Stickstoff durch die freiwerdende Wärme ausdehnen, und den Druckverlust mehr als kompensieren. in einer reinen Sauerstoffatmosphäre hast du mehr Glück, allerdings auch nur, wenn nicht zu viel Sauerstoffüberschuss da ist, sonst wird’s wegen der Temperatur auch nix.

Wenn das ganze dann auch noch schlagartig stattfinden soll (das impliziert das Wort „Implosion“), müßte man auch noch mit feinem Metallpulver hantieren, das sich leicht aufwirbeln lässt, und zudem noch reaktionsfreudig ist.
Stichwort reaktionsfreudig: Wenn es kein Sauerstoff sein muß, wie wäre es mit Natrium und Chlor? Das geht auch recht gut ab, und ergibt Kochsalz.

Übrigens lassen sich in 1l Wasser 700l Ammoniak lösen, und der Lösungsvorgang verläuft ziemlich schnell mit moderater Wärmeabgabe, zumal sich das einfach realisieren lässt:

Ich weiß nicht, welcher Druck sich einstellt, wenn man in einen geschlossenen Raum mit konstantem Volumen Wasser und Ammoniak gibt, aber das Video zeigt schon, daß das ganz ordentlich ist. Eine Verringerung der Temperatur ist hier durchaus möglich.

#5

Naja, auf das meiste was du schreibst bin ich selbst bereits gekommen/gestoßen. Aber wie du schon feststellst, ist da Problem normal, dass diese Reaktionen, zumindest alle die schnell ablaufen Exotherm sind und allein durch die Energieerhöhung durch die freiwerdende Reaktionsenergie den Druckverlust mehr als ausgleichen und so allerhöchstens kurz zu einer kleinen druckerniedrigung, dann aber sofort zu einer Explosion statt einer Implosion führen. An sich auch logisch, da sich ja komplexere Moleküle mit höherer Ordnung die dabei Energie verbauchen nicht einfach so zusammen setzen. Ausgegangen von normalen Initialtemperaturen ist eine Reaktion wie ich sie beschrieben habe also rein logisch nicht möglich, bzw. unwahrscheinlich. Allerdings gibt es in der Chemie ja fast immer die ein oder andere ausnahme. Zudem ist zumindest die Erniedrigung des Volumen udurch die Erniedrigung der Molekülzahl bei der Knallgasreaktion eben um den Faktor 2 möglich (den Energieaspekt und resultierende Thermische ausdehnung jetzt mal ausßen vor gelassen).

Auch feines Metallpulver würde sicherlich entweder einfach zu langsam abbrennen bzw. wenn es fein verwirbelt wäre und schnell reagieren könnte oder einfach ein sehr reaktives Metall wäre ebenfalls durch die hohe Hitzeentwirklung zur Explosion führen. Zumal wie du ebenfalls schon bemerkt hast mit gerade einmal 21 % Sauerstoff in der luft ist der Effek der Volumenveringerung durch den gebundenen Sauerstoff wohl ohnehin nicht extrem groß.
In der Sauerstoffatmospäre mit fein verwirbeltem Pulver würde die Reaktion möglicherweise sogar so schnell und energiereich ablaufen, dass die möglichkeit bestände, dass das Metall sogar verdampt oder zumindest flüssig wird und somit die Bildung des oxids wiederum gestört würde. Naja außerdem ergibt das auf jeden Fall eine Explosion.

Bisher bin ich auch nur auf Physikalische Implosionen gestoßen. Z.B. bei Iplosionsbasierten Atombomben, wird das Plutonium durch initiale Explosionen dazu gebracht sein Volumen schlagartig stark zu reduzieren, indem es sein Phasenverhalten ändert. Es implodiert also konzentriert sich und erreicht dann die Krisische Masse. Aber das ist ja eben rein Physikalisch.
Ebenso kann man Druckerniedrigung durch adsorptions oder lösungseffekte erreichen, aber nur geringfügig und langsam und zudem eben auch rein Physikalisch.

#6

Du hast natürlich recht, und ich bin auch gespannt, ob es noch andere Antworten gibt.

Allerdings hab ich ein paar Anmerkungen:

Die Lösung eines Stoffes in Wasser kann mit und ohne Reaktion ablaufen. Die meisten Gase lösen sich nur schlecht in Wasser, weil sich ihre Moleküle, so wie sie sind, zwischen die Moleküle des Wassers drängen. Ist die Löslichkeit dagegen ungewöhnlich hoch, verbindet sich das Gas meist mit dem Wasser:

NH3 + H2O -> NH4+ + OH-

Gleiches gilt z.B. auch für Kohlensäure <-> CO2. Im Prinzip ist das schon eine chemische Reaktion, und das ganze läuft auch recht schnell ab, wenn du Wasser in Ammoniak sprühst.

Daß Absorbtionseffekte nur zu geringfügigen Druck/Temperaturänderungen führen, stimmt so nicht. Zeolith absorbiert Wasserdampf und kann dabei (in reinem Dampf) den Dampfdruck von Wasser unterschreiten (Das Wasser fängt dann an zu sieden). Bei Raumtemperatur ist das bei etwa 30hPa, was schon recht wenig gegenüber Normaldruck (1013hPa) ist. Das Prinzip wird beim selbstkühlenden Bierfass verwendet. Aber ja, das ist eher physikalisch als chemisch.

Auch bei der Atombombe tu ich mich schwer. Grundsätzlich wird bei einer Implosion das Volumen eines Körpers reduziert. Aber der Grund dafür liegt entweder beim Körper selbst, oder an der Umgebung. Eine Bildröhre verliert ihre Stabilität und implodiert, weil der konstante Luftdruck sie zerdrückt. Ein mit Wasserdampf gefülltes Ölfass implodiert beim Abkühlen, weil der Innendruck abnimmt, und dem konstanten Außendruck nicht mehr entgegenwirkt.
Dagegen implodiert ein Uboot meistens eher, weil es zu tief getaucht, und damit der Außendruck zu stark geworden ist. Bei der Atombombe ist es auch so, daß das Plutonium von normalem Sprengstoff umgeben ist, welcher beim Zünden einen hohen Druck erzeugt. Das Plutonium implodiert also nicht aus sich selbst heraus. Übrigens drücken nicht alle Bomben eine massive Kugel zusammen. Einfacher ist es, eine Hohlkugel zu komprimieren. Und auch in Wasserstoffbomben müssen die Reaktionsparter mit extremem Druck komprimiert werden. So extrem, daß man dazu eine Atombombe nutzt.

Aber du fragst ja eher nach einem Mechanismus, um den Druck (schlagartig) zu verringern, daher fliegt die Atombombe da schon am Anfang raus.

#7

Ja da hast du natürlich recht, den Chemischen Lösungsvorgang des basisch wirkenden Amoniaks hatte ich hier außer Acht gelassen. Allerdings läuft auch diese Reaktion, unter anderem da irgendwann der Druck für die Löslichkeit des Amoniaks selbst unter gesättigter atmosphäre begrenzend wirkt, alleine da auch so der Amoniak in Wasser nur eine begrenzte Löslichkeit hat und daher wohl selbst mit Wasser sprühnebel und unter optimalem mengenverhältnis nicht zu einer Implosion führen wird.

Es wäre allerdings durchaus ein interessanter Chemischer versuch, wie weit man den Druck mit diesem Lösungseffekt reduziert bekäme.

Wow, das stimmt allerdings, das ist dann schon ein Vorgang, der den Druck recht stark erniedrigt. Hätte ich jetzt gar nicht gedacht, das der Effekt tatsächlich derart stark ist. Das ist wirklich interessant.

Naja ohne Gegendruck ist eine Implosion selbstverständlich nicht möglich, das gilt jedoch in jedem Fall, auch beim einfachsten Falle, eines implodierenden unter Vakuum stehenden Körpers z.B. der Bildrähre. bei der impoldion ausgelöst durch Plutonium (von der ich auch nur mäßig was verstehe) ist die Volumenänderung des Plutoniums, dass letztentlich einzusätzliches Volumen frei macht, in dem sich kein gas befindet. Durch den Druck der umgebungsluft entsteht eine Implosion, der Effekt ist allerdings wohl auch nur gering, wenn ich das beim drüberlesen richtig verstanden habe. Diese Implosion dient auch nur dazu, das Plutonium zu komprimieren, damit die Kritische Masse für die Kernreaktion erreicht ist, um dann letztendlich eine „ganz normale“ atomexplosion auszulösen.

#8

Hallo!

Klar geht es ohne Außendruck nicht. Aber du suchst ja einen Mechanismus, bei dem der Außendruck hinterher geringer ist. Wenn du den Außendruck erhöhen mußt, um das Volumen zu komprimieren, geht das in die falsche Richtung.

Nochmal zur Bombe:
Ich hab geguckt, das mit der massiven Kugel ist Quatsch, dabei geht es immer um Hohlkugeln. Ob die mit Gas gefüllt ist oder nicht, ist unerheblich. Sie wäre auf jeden Fall stabil genug, auch einem Vakuum stand zu halten.

Die Plutonium-Kugel ist im Zentrum einer Kugel aus konventionellem Sprengstoff. Wird dieser gezündet, steigt der Druck um die Plutonium-Kugel derart an, daß sie zusammen gedrückt wird. Dieses Zusammendrücken wird nicht durch das Plutonium ausgelöst, sondern vom Sprengstoff.

Vielleicht nochmal zum Prinzip Atombombe:

Bei einer atomaren Kettenreaktion spaltet ein Neutron ein Atom, welches dabei mehrere Neutronen frei setzt, die dann wieder Atome spalten können.
Allerdings verlassen viele Neutronen auch das spaltbare Material über die Oberfläche. Bei einer kleinen Plutonium-Kugel ist die Oberfläche groß im Verhältnis zum Volumen und es gehen quasi mehr Neutronen verloren, als neu gebildet werden.
Vergrößert man die Kugel, vergrößert sich das Volumen, welches neue Neutronen hevorbringt kubisch, die Oberfläche aber nur quadratisch. Ab einer bestimmten Größe werden mehr Neutronen erzeugt als verloren gehen, und dann knallts.
Das Gewicht, das die Kugel in dem Moment hat, ist die kritische Masse.

Allerdings kann man eine sehr viel schwerere Hohlkugel schaffen, die nicht explodiert, weil ihre Oberfläche entsprechend groß ist. Wird sie zusammengedrückt und verringert so ihre Oberfläche, knallt’s wieder. Und da kommt der Sprengstoff ins Spiel.

#9

Naja Prinzipiell ist eine Implosion lediglich die Lokale erniedrigung des Drucks, bzw. hinterher lediglich aufs gesamtsystem gesehen eine erniedrigung des Gesamtdrucks. Bei einer im offenen System ablaufenden reaktion würde der Gesamtdruck sich jedoch durch den Umgebungsdruck hinterher wieder ausgleichen.

Die Kettenreaktion hat ja zumindest mit der Implosion nicht zutun, daher das mal außen vor gelassen. Das mit der Hohlkugel ist wohl so, da mich das in diesem Zusammenhang lediglich am rande tangierte habe ich mich hier mit dem genauen Mechanismus allerdings auch nicht weiter beschäftigt. Die Phasenveränderung bezieht sich lediglich auf die Legierung mit Uran und/oder anderen Metallen, die zu einer Stabilisierung des Plutoniums führen, wodurch es überhaupt erst möglich wird, es in die Hohlkugelform zu bringen.