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紅的綠的黃的白的,為何煙火少有藍色?

文/窗敲雨|藥學碩士

從元旦到春節,喜慶的節日總少不了煙火來裝點。回憶一下,你曾在煙火中看到過哪些色彩和效果?紅色、綠色、黃色以及銀白色的閃光,這大概是其中最常見的幾種。那麼,藍色呢?似乎沒什麼印象?

在煙火中,藍色確實是種特別的存在。至少在那些可供個人施放的小型煙火彈中,幾乎找不到它的身影。藍色為什麼沒有成為煙火中的流行色?了解煙火背後的化學,我們就能從中找到答案。

煙火的基本配方:氧化劑 + 燃料

從化學的角度來看,煙火和鞭炮的基礎是一場快速釋放能量的氧化還原反應。無論是炸開的效果、聲響,還是激發五彩斑斕的光芒,都要依靠化學反應釋放的能量。

在這個反應中,需要兩種基本角色:氧化劑,以及用來燒掉的燃料。在我們所熟知的傳統配方黑色火藥中,就是硝酸鉀充當了氧化劑,木炭和硫作為燃料。

用黑色火藥就足以做出傳統的爆竹,但現代的彩色煙火對火藥配方還有更多要求。通過改變氧化劑和燃料的種類,可以調整所達到的火焰溫度,最終產生不同的效果。比如說,如果把燃燒的東西從蟲膠之類的有機物改成金屬鎂,就能提高火焰溫度,帶來更耀眼的光。

鞭炮類產品的結構比較簡單,它們只需要在小紙筒中裝上火藥,在點燃引信後原地爆開。而煙火的結構和功能都要復雜得多——它們要先升到空中,在合適的高度爆開,再展示出色彩斑斕的效果。

滿足這些條件的東西一般被稱為「高空煙火」,它的內部具有多層結構:下方裝著一些用於推進升空的火藥,並有一根延時引信通向中心。延時引信控制了高空煙火爆開的時機,當它引燃中間部分的爆炸藥,就能讓高空煙火整個爆開,讓產生色彩、閃光的「效果顆粒」在空中綻放。

下圖是高空煙火的結構。下方的火藥用於推進升空,延時引信引燃中間部分的火藥,讓煙花在合適的高度炸開,散開負責產生效果的小顆粒。

高空煙火的剖面圖。圖/Reactions

藍色是高難度的顏色

煙火的色彩來自不同類型的金屬化合物,它們在高溫中被激發,並釋放出特定波長的光——對,簡單理解就是焰色反應。鍶鹽可以為焰火染上紅色,鈣鹽可以提供橘色,鋇鹽是亮綠色,而銅則是藍色……等等,藍色?銅的焰色反應不是藍綠色嗎?

我想大家可能也會產生這樣的疑問。我們在中學課本上學到的焰色反應很簡單,只要拿來某種金屬鹽類在火上燒一燒,就會產生一種固定的顏色。但事實上,這是個更複雜的問題,火焰溫度和陰離子(主要是氯)同樣會產生影響。

煙火色彩對應的原料。圖/Compound Interest

當金屬鹽類遇到高溫火焰時,它們首先會發生一些化學變化,產生游離的「發光體」(emitters),這些發光體在高溫下被激發,然後其中的電子再躍遷回到基態,這時候就會發出特定波長的光。鈉的標誌性黃光來自原子光譜,而其他很多「發光體」卻是一些在火焰中形成的簡單分子。煙火的藍色就是來自 CuCl 這種「發光體」的光譜。要想形成這種藍光效果,需要有銅化合物和富含氯的煙花火焰(氯可以來自高氯酸鹽之類的物質)。同時,火焰溫度也必須恰到好處,才能讓分子發光體形成並且保持穩定。對於藍色的發光體這個要求尤其嚴格,過高的火焰溫度很容易將其破壞。因此,藍色可以說是煙火中最難呈現的一種色彩。

那麼紫色呢?你或許會想到鉀,但煙花生產者可不會用它製造紫色,而是會把發出藍光與紅光的素材混合。回想一下焰色反應實驗,我們就能找到這樣做的原因:鉀鹽的焰色反應實在不夠明顯,還很容易被掩蓋,我們總不能在煙火表演的時候也一人發塊藍色鈷玻璃吧… …

鎂、鋁、鈦之類的金屬並不提供彩色的火焰,不過它們可以製造銀白色的閃光效果。如果用上鐵或者鐵合金,還能得到橙黃色的火花。

這樣的火花就是透過燃燒金屬得到的。圖/123rf.com.cn

煙火的陰暗面:不可忽視的污染

煙火的璀璨轉瞬即逝,彷彿一眨眼就消失在風中——但是,它們不可能真的完全消失。繁華過後,煙火留下了數以億計的微小顆粒,和一團複雜的化學混合物,這些遺留物也造成了不可忽視的污染問題。

細懸浮微粒( PM 2.5 )就是煙火燃放影響空氣的一個重要面向。美國有研究發現,獨立日紀念日煙火可以讓附近監測站的 PM2.5 濃度上升 370% 之多。而在中國,春節時的煙火鞭炮施放更是會導致空氣污染物濃度急遽上升,甚至影響到幾十公里以外的地區。二氧化硫、氮氧化物等氣體污染物同樣會隨著燃放而產生。尤其在本身就霧霾嚴重的地方,再去集中燃放煙火就更加糟糕了。

那些為煙火增加效果的金屬鹽類也一樣會成為污染物,有害的金屬化合物顆粒會隨著煙火的爆炸而擴散。在一些煙火中充當氧化劑的高氯酸鹽也是環境科學家們擔憂的對象,它們可能會污染附近的水體。

現在,也有研究者在研製對環境影響較小的煙火,例如用更安全的物質替換掉配方中的高氯酸鹽。不過,這距離消除煙花的「陰暗面」還相差很遠。

正因為如此,我總對煙火懷有一種複雜的情緒。市區裡此起彼落的鞭炮聲或許惹人厭,但盛大的煙火表演卻總是難免觸動心弦。燦爛的節日煙火能否變得更加安全無害?這個問題就要交給化學家們來解答了。

溫馨提示:除了空氣污染,人身安全也是燃放煙火鞭炮格外需要注意的問題。請不要燃放不合格的煙火,保持安全距離,並戴好護目鏡。

(責任編輯:Mo)

參考資料:


本文來源於果殼網(微信公眾號:Guokr42),編輯:Mo。本文禁止二次轉載,如需轉載請聯繫 sns@guokr.com

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