In welke kleur een vonk vonkt

Daar is het nieuwe jaar ook goed voor: eindelijk het proefje doen dat al zo lang in de planning zat, maar in de la bleef liggen omdat getwijfeld werd aan het nut ervan. Het gaat om de kleur van de vonk die wordt opgewerkt door de piëzo-elektrische gasaanstekers die tegenwoordig zo gangbaar zijn – zie het plaatje. De werking van de aanstekers is hier drie jaar geleden beschreven. Ze bevatten één of meer piëzo-elementen die onder druk veel elektrische spanning opbouwen, zóveel spanning dat zij, mits verbonden met wat elektrische draden en dergelijke, een krachtige vonk kunnen doen overspringen. De piëzo-elementen bestaan uit zeldzame combinaties van metalen, heel vaak lood, zirkonium en titaan: PZT.

De piëzo-aansteker vonkt violet. Altijd. De ouderwetse gasaansteker, voorzien van een vuursteentje en een stalen kartelwieltje (het ‘vuurrad’), vonkte altijd met een heldere geelwitte vonk. Daar kwam geen elektriciteit aan te pas natuurlijk, want wat daar vonkte was in feite een miniem scherfje vuursteen dat door het kartelrad was losgelagen. Door zijn gunstige oppervlakte-inhoud verhouding vloog zo’n scherfje spontaan in brand. Vuursteen bestaat uit een combinatie van zeldzame aardmetalen, zoals cerium en lanthaan. Kennelijk branden die geelwit.

Wat bepaalt de kleur van een elektrische vonk? Daar was van AW-wege nooit werkelijk over nagedacht, maar opeens, geloof het of niet, lag er een boek uit 1891 op tafel dat de kwestie expliciet aan de orde stelde. In De natuurkunde in onzen tijd – Populaire beschrijving der nieuwste ontdekkingen van Edison en anderen van Émile Desbeaux wordt uitvoerig ingegaan op het wezen der vonk. In de negentiende eeuw bestond meer verbazing over alledaagse verschijnselen dan tegenwoordig. ‘De kleur van de vonk wordt bepaald door het gas waardoor de vonk overspringt’, noteert Desbeaux. ‘Maar ook door de elektrische geleiders waartussen hij overspringt.’ Waren die van ijzer dan was de vonk wit, waren ze van koper dan was hij groen. Enzovoort.

Twee invloeden, dus, op de vonkkleur: het gas en de contactpuntjes. 120 jaar later wordt daar nog steeds zo over gedacht, blijkt als men de wikipedia ‘electrical breakdown’ leest. Daar wordt een precisering gemaakt die veel verheldert. Bij een enkele losse vonk is het het geïoniseerde gas (plasma) dat de kleur bepaalt, blijft de vonk langere tijd in stand en blijft dus de elektrische stroom ononderbroken. Dan ontstaat iets dat een ‘boog’ of ‘arc’ genoemd wordt. Denk aan de koolspitslamp van weleer. Het felwitte licht van deze lampen, ook booglampen genoemd, kwam van het verbranden van gesublimeerd koolstof. In de praktijk zullen wel mengvormen voorkomen, maar het karakteristieke violet van de Hema-aansteker lijkt toch vooral door de ionisatie van luchtmoleculen te ontstaan. De bliksemflits heeft dezelfde kleur.

Zo ontstond halverwege de week het idee om eens te kijken of de vonkkleur veranderde als de vonk in iets anders springen mocht dan lucht. Met een kleine inspanning verschaft de amateuronderzoeker zich een paar interessante gassen. Hij kan met azijnzuur zeer zuiver CO2 vrijmaken uit bakpoeder. Met hetzelfde zuur en wat fijn verdeeld onedel metaal produceert hij misschien waterstof (H2). En spuitbussen met slagroom of slagroomsurrogaat bevatten vaak lachgas (N2O).

Dus aan de slag. Productie van CO2 uit bakpoeder was een fluitje van een cent. Er ontstond zoveel kooldioxide dat een brandende lucifer erin doofde en de klassieke vuursteenaansteker dienst weigerde. Maar de Hema-vonk was nog steeds violet. Het lukte niet met verdund azijnzuur een meetbare hoeveelheid waterstof te produceren. Traditioneel wordt er ijzerschroot en zwavelzuur voor gebruikt. Los accuzuur moet wel te krijgen zijn, Breivik wist er ook aan te komen.

Het lachgas uit de spuitbus ‘Topping’ van Campina stroomde vrijelijk genoeg, zolang de bus recht overeind bleef, maar had al evenmin effect op het violet. Daarna is nog een slappe poging gedaan tot productie van ‘inertgas’, zoals dat in de techniek heet. Het is niets anders dan lucht waaraan de zuurstof is onttrokken door er iets in te laten branden. In dit geval moest een waxinelichtje branden onder een omgekeerd waterglas. Dat glas stond op zijn beurt in een ondiep bad water waaraan soda was toegevoegd om de geproduceerde CO2 af te vangen. Dan zou voornamelijk stikstof overblijven. Maar weer: geen effect. Ook geen enkel zicht op de volledigheid van de zuivering, natuurlijk.

De teleurstelling dreef tot wanhoop. Er was nog één gas voorhanden waarmee een proefje viel te doen: aardgas. Dat bevat behalve methaan en wat hogere koolwaterstoffen nog zo’n 14 procent stikstof (wikipedia) maar dat was misschien weinig genoeg om het verschil met lucht te maken. De opgave was de Hema-aansteker te laten vonken in aardgas zonder dat tegelijk aan te steken. Gasfornuizen werken met luchtvoormenging dus het had geen zin om te vonken in gas dat uit een gaspit stroomde. Maar uit de gasslang die naar het fornuis voert stroomt zuiver aardgas als men hem loskoppelt en de kraan open draait. Staat de kraan voldoende ver open dan ontstaat een gaswolk waarbinnen geen zuurstof voorkomt. Daar is veilig te vonken. Het is een griezelig experiment dat iedereen met klem wordt afgeraden, want als er tóch gas ontbrandt, ontbrandt er gelijk heel veel gas. Maar eergisteren ging het goed en als de waarneming niet bedriegt trad voor het eerste vonkverandering op. De vonk was kleiner en neigde wat meer naar roze en rood. Erg overtuigend was het niet.

Op dat moment schoot te binnen dat nog een gas beschikbaar was: helium. In een stad als Amsterdam is op talloze plaatsen helium te koop in de vorm van heliumgevulde ballonnen. PartyBalloon op de Rozengracht leverde een bomvolle ballon voor 1,25 euro. En die heeft het experiment gered. Want toen hij leegliep in de buurt van de vonkende Hema-aansteker veranderde de kleur van de vonk pardoes van violet naar rozerood. Het klopt. Het ìs het gas. Tot diep in de nacht is het succes gevierd.