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點綴夜空的魔法:煙火的秘密配方與化學原理

節慶活動常見炫爛奪目的煙火表演,這些煙火是如何產生的呢?本文介紹煙火的成分、燃燒時的化學反應,以及生產製造過程。帶你了解煙火的配方!
 
 
煙火在夜空中綻放,五彩繽紛又絢爛奪目。
▲煙火在夜空中綻放,五彩繽紛又絢爛奪目。
 
火藥是中國四大發明之一,在世界化學史上占有重要地位。蒙古大軍西征時把火藥帶到阿拉伯地區,然後再傳到歐洲。1884年歐洲人發明的無煙火藥已是幾百年後的事了。本文不談火藥在征戰、開礦等方面的用途,且來說說它在娛樂上的應用。

在宋朝以前是否已有爆竹、煙火這些東西,現在還沒有充分的證據,但是在北宋晚期的確已經有了。南宋的《東京夢華錄》中敘述京城繁華的情況,就提到宮中放爆竹和煙火。《會稽志》(西元1201~1204年間撰)也說「除夕爆竹相聞,亦有以硫黃作爆藥,聲尤震厲,謂之爆仗。」南宋初年吳自牧的《夢梁錄》也有「十二月有賣爆仗、成架煙火之類」的記載。

到了今天,煙火仍然是節慶時的主要娛樂項目之一,科技的進展也使煙火表演的型態脫胎換骨,由在平地上或一兩層樓高的竹木架上的表演,升到了幾百公尺的高空,由單調的顏色演進到五光十色的絢爛眩目色彩。

絢爛的祕方:煙火的化學成分

發光劑
又細分為照明劑、閃光劑及發色劑。良好的照明劑要有較長的照明時間與較高的發光強度,火燄中必須含有灼熱的固體和液體微粒。火燄的輻射能量會隨火燄溫度的提高而迅速上升,照明劑的火燄溫度可高於攝氏2,000度。照明劑的發光效率與其中含鎂粉的比率有關,現在最常用的照明劑配方是含鎂粉55%、硝酸鈉40%及合成樹脂5%。照明時間可從30秒到數分鐘不等。

閃光劑主要有兩種類型,一種只含鋁鎂合金,較為安全,另一種除了鋁鎂合金外還加了過氯酸鉀,效果更佳。當燃燒時,閃光劑要求在很短的時間(約0.1秒)內產生極大的光度。

發色劑都屬於金屬鹽類,當它與過氯酸鉀一起燃燒時,因高溫會變成氣態,然後產生各種金屬特有的焰色,形成煙火五顏六色的絢麗色彩。常用的發色劑有紅、黃、綠、藍、白等5種光色。發色劑主要是要求其色度,其次是光度,但燃燒所放出的能量,必須足以激發或電離在火燄中的氣態分子或原子,呈現出各種接近單色的火燄輻射。紅光藥劑含有鍶鹽和氯化合物,藥劑燃燒時在高溫下解離生成一氯化鍶及游離氯,而呈現出鮮明的紅光。其他各種顏色的發色劑,如銀鹽產生綠光,鈉鹽產生黃光,銅鹽產生藍光等等。
 
五顏六色的夜空煙火,不同成分會造就煙火的不同色彩。(圖 / Pixabay)
▲五顏六色的夜空煙火,不同成分會造就煙火的不同色彩。(圖 / Pixabay)
 
燃燒劑
燃燒劑是要在點燃煙火時產生高溫,成分是燃料及助燃的氧化劑。煙火中除了使用黑火藥當成燃料外,還有金屬燃燒劑、石油燃燒劑、石油與金屬燃料混合物燃燒劑、黃磷燃燒劑、以及金屬有機化合物燃燒劑等。常用的燃料有木炭、糖類、澱粉、各種人造樹脂等有機物,一些容易在空氣中氧化的合金或金屬粉末,例如鋁、鎂、鐵、鋅等,以及硫、磷、硒及砷等非金屬無機燃料。

煙火在急遽燃燒時,短時間內需要大量的氧,空氣中的氧不敷所需,必須有氧化劑提供大量的氧助燃,黑火藥中的硝石(硝酸鉀)就是一例。常用的氧化劑是含氧量大的無機鹽類,如含有硝酸根、氯酸根、過氯酸根、溴酸根、碘酸根、重鉻酸根、高錳酸根等無機鹽類。有機氧化劑比較少,只有過氧化物。

花火劑
節慶施放的煙火,為了要有絢麗的色彩及強烈的亮光和聲響,其可燃物一般採用鋁粉、鐵粉、硫和木炭粉等,並添加聲響劑和聲響閃光劑。花火劑常含有過氯酸鉀、鋁粉與硫化銻,聲響劑則含有氯酸鉀與沒食子酸或過氯酸鉀與苯甲酸鉀。

其他助劑
為了控制燃燒的型態和速率,煙火中常添加催化劑或抑制劑,以增加煙火的趣味。催化劑用來降低煙火燃燒所需的分解溫度,如果煙火以氯酸鹽和過氯酸鹽為氧化劑,便配合使用過渡元素的氧化物為催化劑。常用的催化劑中,以氧化鈷、氧化鉻、二氧化錳催化作用最強;氧化鐵、氧化鎳、氧化銅、二氧化鈦等次之;二氧化鉛、四氧化三鉛的催化作用較弱。最強的催化劑如氧化鈷,含量只要達總重量的萬分之一,就足以引起反應。

抑制劑大多是惰性物質,不直接參與燃燒過程,如硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽等無機鹽類,以及燃燒熱較小的有機物質如澱粉、人造樹脂等。

此外,為了讓各種原料粉末能緊密地聚在一起,在煙火中要摻入膠黏劑。常用的是天然樹脂和糊精等,目前也有採用合成樹脂的。

有少數地區的慶典會從傍晚時分一直進行到深夜,在天還沒黑時就要施放煙火,這種煙火就以「煙」為主了,當然這種煙火中要有發煙劑。發煙劑分為遮蔽發煙劑和有色發煙劑兩種。遮蔽發煙劑是經過燃燒而形成穩定的氣溶膠,氣溶膠中含有很多固體或液體微粒,它們吸收與散射光線,有遮蔽的作用。有色發煙劑能形成各種有色煙霧,主要原料有黃磷、赤磷、六氯乙烷、鋁粉、氧化鋅、染料等。

璀璨的魔法:煙火的生產與製造

粉碎:針對各式藥劑分別進行研碎,使藥劑表面積增大,經研碎的藥劑易於引燃,並具有均勻的燃燒速率。粉碎設備可採用球磨機、輪碾機、高速粉碎機、以及風動粉碎機等。

篩選用一定型號的金屬篩或絲絹篩,篩取所需顆粒大小的材料。

烘乾藥劑中過量的水分會影響藥劑的安定性及其燃燒性能,含水量過多的材料都須烘乾。烘乾的溫度不能過高,以攝氏50~80度為宜,烘乾時間視材料及其含水量而定。

鈍化煙火藥常用鎂、鐵、鋅等容易氧化的金屬粉末,為避免在空氣中氧化,常把這些金屬粉末鈍化。方法是把金屬粉末放入鈍化器內,注入熔融硬脂酸或石蠟等鈍化劑,在加熱下攪拌,混合均勻後,經冷卻與過篩即可貯藏。亞麻子油或聚氯乙烯等合成樹脂溶液,也是常用的鈍化劑。

混合把藥劑各組成混勻,以獲得預期最佳的煙火效應。混合過程要十分謹慎,避免由於摩擦、碰撞發生火花而造成燃燒或爆炸事故。混合時通常先把可燃物與黏合劑混合,最後加入氧化劑,直到混合均勻為止。

造粒煙火藥中各成分的比重不同易造成藥劑分層,影響藥劑性能,因此藥劑須進行造粒以改善藥劑的流散性。造粒是把藥劑混合成濕潤的麵團狀後,通過網目篩,得到粒度均勻的顆粒,經烘乾即成。

壓藥煙火藥中除閃光劑採用鬆散裝藥外,一般都加壓裝填到金屬、塑膠或紙管中,小型煙火製品則可直接壓製成藥餅或藥柱。經壓製後的藥劑具有較高的機械強度,並有穩定的燃燒速率,會具有良好的煙火效果。

璀璨魔法的原理:煙火的化學反應

煙火燃燒過程所牽涉的化學反應相當複雜,除了融化與氣化的過程外,還有晶體結構的改變。研究其化學反應最簡捷的方法,是先用化學方法分析煙火燃燒生成物的化學組成,與其原料對照後,再推斷其化學反應。

例如用氣體色層分析法分析黑火藥的氣體生成物的結果是:二氧化碳 53%、氮 41%、一氧化碳 4%、氫 1%、二氧化硫0.5%、氧 0.5%;而固體生成物的組成是:硫酸鉀 56%、碳酸鉀 27%、硫代硫酸鉀 8%、硫化鉀 1%、硫氰化鉀 1%、碳酸氨 1%、未分解的硝酸鉀 5%、未燃燒的碳 1%。

提到燃燒,就會很自然地聯想到有機物,因為有機物中含有大量的碳、氫成分,是好的燃料。但由煙火中的成分看來,不論是燃燒劑或發光劑,它們的主要成分卻是無機物,這是為什麼呢?答案是燃燒溫度的關係。
 
如果要在可見光範圍內得到相當強的光,必須維持攝氏2,700度以上的高溫,而有機物燃燒後的生成物大多是氣體,無法達到如此高溫。只有用燃燒後能產生高融點固體生成物(如鋁或鎂)的無機鹽類做為燃料,配合適當比例混合的氧化物做為助燃劑,才有可能達到如此高溫的要求。

為什麼要求這麼高的溫度呢?這是因為煙火在燃燒過程中所釋放出來的化學能,絕大部分必須轉化成光能,才可顯現出絢麗眩目的光彩,而化學能轉化成光能的過程與溫度有關。經過計算,溫度要達攝氏2,700度才能有光彩奪目的顏色,這就是煙火原料中含有大量無機鹽類的原因。

中外煙火魔法
 
煙火的花樣多變,仙女棒也是慶祝活動常見的小型煙花。(圖 / Pixabay)
▲煙火的花樣多變,仙女棒也是慶祝活動常見的小型煙花。(圖 / Pixabay)
 
我國的煙火
 
我國煙火的花樣繁多,大半是火中夾炮,有火光,更兼有熱鬧的聲響,如「大金錢」、「小金錢」、「五鬼鬧判」、「炮打襄陽城」、「九蓮燈」等名目都是。

「洋花」是用粗銅絲沾上銀色火藥拿在手裡燃燒的。「地老鼠」是一種灰白色小螺旋型的,有一頭是翹起來的,點燃後,在地上畫圈,到處亂竄。最好看的是「花盒子」,它是一個直徑有四、五尺的多層盒子,各層有不同燈彩。點燃後在黑煙中現出飛禽走獸、花鳥蟲魚、樓臺樓閣等圖樣,甚至有整齣曲目的,一層接一層,最多可達13層之多。到了最後一層最為精彩,五彩繽紛,絢爛眩目,令人歎為觀止。

還有一種煙火叫「太平花」,它沒有炸音響聲,也比較安全,所以稱為太平花。太平花有大有小,特大號的太平花,噴出的火花有四、五丈高,一筒「太平花」能把方圓十丈的庭院都鋪滿。

臺灣地區的煙火源自閩粵,以臺南鹽水的「犁大轎」煙火最有代表性。《福建志書》有:「漳、泉二府人民向來好看鬥煙火,而有爆仗、火馬、飛鼠等煙火巧思」句。本省的煙火和大陸的差不多,只是在樣式上有些不同,花樣相當繁多,有水蓮花、蜂炮、空中美人、火箭炮、飛鼠、花煙等招式。

臺南鹽水的犁大轎煙火,是由壯丁們抬著神轎在「蜂炮」所形成的火網中衝鋒陷陣,驚險刺激。蜂炮是先以木條釘成架子,形狀有方型或馬蹄型,大小不一,四周張起鐵絲,再把成千上萬的沖天炮插在鐵絲網上,火源置於木架當中。蜂炮點燃後,如沖天炮似地四處流竄,並有如口哨的聲音,宛如蜜蜂傾巢而出,射程可達約百公尺之遠。
在每年元宵節晚上,多處蜂炮一起施放,此起彼落極為熱鬧,可達七、八個小時。鹽水還有一種叫「水蓮花」的煙火,屬「太平花」類的煙火,是用亞硝、木炭粉、鋅、硫磺、棉紙裝在竹筒內製成的。

西洋的煙火
 
高空煙火是把各種能燃放色彩的藥物摻在火藥粉中,再裝在圓形硬紙筒中成為火藥包,在硬紙筒上端裝兩條引信,分別接上定時火藥與點火裝置。先用臼炮把火藥包打到約500公尺高空,發射時同時點燃定時火藥,到了最高點,定時火藥剛好燃盡而點燃火藥包,產生爆炸,彩色藥粉也隨之引燃起火,向四面八方爆裂,形成一個立體彩色火球,光耀四射。

如果火藥包中又還有小火藥包,則在第一次爆裂後,緊接另一次爆裂,造成同心球形狀煙火,有極佳的視覺效果。當然火藥包可以分更多層,造成更複雜精彩的圖案,這要看設計者對引爆時間的掌控是否精準了。

羅馬花是一種在地面放的煙火,形狀有如一粒粒噴出的小星星。它是由引信藥粉、彩色藥粉、火藥粉,分層且重複許多次裝在一硬紙筒中製成,點燃時會一層層地往下燒,於是一個個彩色星星就會噴了出來,而且可以控制間隔時間。如果把數個羅馬花一起燃放,可以產生此起彼落的效果。

西洋花盒子與我國的「花盒子」差不多,事先把要表現的圖案架好,可分多層,並分層裝塗上各種能發出不同顏色光芒的煙火劑,點燃後,火光耀目,十分美觀。

噴泉煙火是在地面施放的煙火,和我國的「太平花」相當類似,噴出的煙火可達二十多公尺,煞是好看。如果把噴火的方向倒過來,把它放在架好的高臺上,噴口朝下,就形成了「瀑布煙火」,高度可達20公尺,十分壯觀。最精彩的是把幾個噴泉煙火一起綁在輪形支架上,點燃後就形成「旋轉噴泉煙火」,更是如火樹銀花般的絢麗奪目了。
 
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