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紅的綠的黃的白的,為何煙火少有藍色?

果殼網_96
・2017/03/17 ・2368字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

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。

圖/123rf.com.cn

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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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。