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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：
- Compound Interest-The Chemistry of Fireworks
- Compound Interest- The Chemistry of Sparklers
- The Dark Side of Fireworks – The Chemistry of their Environmental Effects
- FIREWORKS: The Art Science and Technique, by Takeo Shimizu
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