化学

你见过蓝色的烟花吗?

化学 烟花 焰火

窗敲雨 发表于  2017-01-26 09:59

从元旦到春节,喜庆的节日总少不了烟花装点。回忆一下,你曾在烟花中看到过哪些色彩和效果?红色、绿色、黄色以及银白色的闪光,这大概是其中最常见的几种。那么,蓝色呢?似乎没什么印象?

在烟花中,蓝色确实是种特别的存在。至少在那些可供个人燃放的小型礼花弹中,几乎找不到它的身影。蓝色为什么没有成为烟花中的流行色?了解烟花背后的化学,我们就能从中找到答案。

图片来源:123rf.com.cn正版图片库

基本配方:氧化剂+“燃料”

从化学的角度来看,烟花爆竹的基础是一场快速释放能量的氧化还原反应。无论是炸开的效果、声响,还是激发五彩斑斓的光芒,都要依靠化学反应释放的能量。

在这个反应中,需要两种基本角色:氧化剂,以及用来烧掉的“燃料”。在我们所熟知的传统配方黑火药中,就是硝酸钾充当了氧化剂,木炭和硫作为“燃料”。

用黑火药就足以做出传统的爆竹,而现代的彩色烟花对火药配方还有更多要求。通过改变氧化剂和“燃料”的种类,可以调整所达到的火焰温度,最终产生不同的效果。比如说,如果把燃烧的东西从虫胶之类的有机物改成金属镁,就能提高火焰温度,带来更耀眼的光。

爆竹的结构比较简单,它们只需要在小纸筒中装上火药,在点燃引信后原地爆开。而烟花的结构和功能都要复杂得多——它们要先升到空中,在合适的高度爆开,再展示出色彩斑斓的效果。

满足这些条件的东西一般被称为“高空礼花弹”,它的内部具有多层结构:下方装着一些用于推进升空的火药,并有一根延时引信通向中心。延时引信控制了礼花弹爆开的时机,当它引燃中间部分的爆炸药,就能让礼花弹整个爆开,让产生色彩、闪光的“效果颗粒”在空中绽放。

 礼花弹的结构。下方的火药用于推进升空,延时引信引燃中间部分的火药,让烟花在合适的高度炸开,散开负责产生效果的小颗粒。截图来自:Reactions

高难度的蓝色

烟花的色彩来自不同类型的金属化合物,它们在高温中被激发,并释放出特定波长的光——对,简单理解就是焰色反应。锶盐可以为焰火染上红色,钙盐可以提供橘色,钡盐是亮绿色,而铜则是蓝色……等等,蓝色?铜的焰色反应不是蓝绿色吗?

我想大家可能也会产生这样的疑问。我们在中学课本上学到的焰色反应很简单,只要拿来某种金属盐类在火上烧一烧,就会产生一种固定的颜色。但事实上,这是个更复杂的问题,火焰温度和阴离子(主要是氯)同样会产生影响。

烟花色彩对应的“配料”,点击图片可查看大图。图片来自:Compound Interest

当金属盐类遇到高温火焰时,它们首先会发生一些化学变化,产生游离的“发光体”(emitters),这些发光体在高温下被激发,然后其中的电子再跃迁回到基态,这时候就会发出特定波长的光。钠的标志性黄光来自原子光谱,而其他很多“发光体”却是一些在火焰中形成的简单分子。烟花的蓝色就是来自CuCl这种“发光体”的光谱。要想形成这种蓝光效果,需要有铜化合物和富含氯的烟花火焰(氯可以来自高氯酸盐之类的物质)。同时,火焰温度也必须恰到好处,才能让分子“发光体”形成并且保持稳定。对于蓝色的“发光体”,这一要求尤其严格,过高的火焰温度很容易将其破坏。因此,蓝色可以说是烟花中最难呈现的一种色彩。

那么紫色呢?你或许会想到钾,但烟花生产者者可不会用它制造紫色,而是会把发出蓝光与红光的素材混合。回想一下焰色反应实验,我们就能找到这样做的原因:钾盐的焰色反应实在不够明显,还很容易被掩盖,我们总不能在烟火表演的时候也一人发块蓝色钴玻璃吧……

镁、铝、钛之类的金属并不提供彩色的火焰,不过它们可以制造银白色的闪光效果。如果用上铁或者铁合金,还能得到橙黄色的火花。

这样的火花就是通过燃烧金属得到的。图片来源:123rf.com.cn正版图片库

污染:烟花的阴暗面

烟花的璀璨转瞬即逝,仿佛一眨眼就消失在风中——但是,它们不可能真的完全消失。繁华过后,烟花留下了数以亿计的微小颗粒,和一团复杂的化学混合物,这些遗留物也造成了不可忽视的污染问题。

细颗粒物就是烟花燃放影响空气的一个重要方面。美国有研究发现,独立日焰火可以让附近监测站的PM2.5浓度上升370%之多。而在中国,春节时的烟花爆竹燃放更是会导致大气污染物浓度急剧上升,甚至影响到几十千米以外的地区。二氧化硫、氮氧化物等气体污染物同样会随着燃放而产生。尤其在本身就雾霾频发的地方,再去集中燃放烟花就更加糟糕了。

那些为烟花增加效果的金属盐类也一样会成为污染物,有害的金属化合物颗粒会随着烟花的爆炸而扩散。在一些烟花中充当氧化剂的高氯酸盐也是环境科学家们担忧的对象,它们可能会污染附近的水体

现在,也有研究者在研制对环境影响较小的烟花,例如用更安全的物质替换掉配方中的高氯酸盐。不过,这距离消除烟花的“阴暗面”还相差很远。

正因为如此,我总对烟花怀有一种复杂的情绪。小区里此起彼伏的鞭炮声或许惹人厌,但盛大的焰火表演却总是难免触动心弦。灿烂的节日焰火能否变得更加安全无害?这个问题就要交给化学家们来解答了。(编辑:Mo)

温馨提示:除了空气污染,人身安全也是燃放烟花爆竹格外需要注意的问题。请不要燃放超标烟花爆竹,保持安全距离,并戴好护目镜。更多阅读:眼科医生忠告:春节放炮,别让眼睛受伤

参考资料:

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

热门评论

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全部评论(53)
  • 1楼
    2017-01-26 10:43 R.H.Felidae_Athena

    带上有色玻璃看烟花不就好了233333333333

    [1] 评论
  • 2楼
    2017-01-26 10:43 已注销用户

    绑上一只鸟就够了(滑稽)(滑稽)

    [51] 评论
  • 3楼
    2017-01-26 12:16 蓑雨吟

    你见过蓝色的雾霾吗


    来自 果壳的壳
    [19] 评论
  • 4楼
    2017-01-26 12:47 在雨夜

    据说中国的烟花行业已经落后世界先进水平了,真的吗?

    [2] 评论
  • 5楼
    2017-01-26 12:51 fxz12345
    引用@蓑雨吟 的话:你见过蓝色的雾霾吗

    高浓度臭氧就带蓝色嘛


    来自 果壳的壳
    [2] 评论
  • 6楼
    2017-01-26 13:03 周泰西

    给我来二斤黑色的烟花,不黑不给钱

    [6] 评论
  • 7楼
    2017-01-26 13:04 已注销用户

    现在看到蓝色第一反应就是漱口水洁厕液,蓝天什么的已经快忘光了……


    来自 果壳的壳
    [6] 评论
  • 8楼
    2017-01-26 13:06 天降龙虾

    今年四周没人放炮,俺都找不到过年的感觉了。。虽然以前挺讨厌不时噼啪的噪声的。。。。

    [16] 评论
  • 9楼
    2017-01-26 13:08 天降龙虾
    引用@周泰西 的话:给我来二斤黑色的烟花,不黑不给钱

    烟幕弹拿去。。。保证把你熏成包拯。。。

    [3] 评论
  • 10楼
    2017-01-26 13:28 Noir68

    呆在游戏里看看四处的烟花倒也感觉挺好的。

    [2] 评论
  • 11楼
    2017-01-26 13:33 Yehowah
    引用@Noir68 的话:呆在游戏里看看四处的烟花倒也感觉挺好的。

    @MineJohn
    我知道你有话要说


    ------于是那云中就有大声音传来
    [1] 评论
  • 12楼
    2017-01-26 13:47 MineJohn
    引用@Yehowah 的话:@MineJohn 我知道你有话要说

    我知道我有话要说


    来自 Redmi Note 3
    [0] 评论
  • 13楼
    2017-01-26 13:47 MineJohn
    引用@Yehowah 的话:@MineJohn 我知道你有话要说

    蓝色又怎样?
    有黑色的烟花吗?


    来自 Redmi Note 3
    [0] 评论
  • 14楼
    2017-01-27 00:01 章鱼丸子II世

    黑火药中加入铜的粉末就可以产生蓝色,加入镁粉可以产生明亮的白色,小时候,家里大人工作的工厂的化验室自行配置过,灌入纸筒,过年点燃当烟花

    [0] 评论
  • 15楼
    2017-01-27 12:39 combok
    引用@在雨夜 的话:据说中国的烟花行业已经落后世界先进水平了,真的吗?

    据说中国是最大的生产和出口烟花的国家,技术也是世界最先进的

    [1] 评论
  • 16楼
    2017-01-27 19:49 Foehn

    今年烟花不仅少了很多,而且没有看到大型烟花

    [0] 评论
  • 17楼
    2017-01-28 04:01 邮寄给你
    引用@zsxdcfghjk 的话: 绑上一只鸟就够了(滑稽)(滑稽)

    2

    [0] 评论
  • 18楼
    2017-01-28 11:06 已注销用户
    引用@邮寄给你 的话:2

    [0] 评论
  • 19楼
    2017-01-28 11:35 官明彦
    引用@蓑雨吟 的话:你见过蓝色的雾霾吗

    见过,冥王星上啊。

    [0] 评论
  • 20楼
    2017-01-28 11:37 官明彦

    为什么我感觉蓝色的虽然少,但并不是罕见,每年都有啊

    [0] 评论
  • 21楼
    2017-01-28 11:39 官明彦
    引用@天降龙虾 的话:今年四周没人放炮,俺都找不到过年的感觉了。。虽然以前挺讨厌不时噼啪的噪声的。。。。

    我家这边 一旦放炮 除了绚烂夺目落英缤纷目不暇接外 ,主要是地动山摇 硝烟弥漫 震天动地 房子都要塌的感觉,体会到战争是什么滋味。

    [1] 评论
  • 22楼
    2017-01-28 14:46 天降龙虾
    引用@官明彦 的话:我家这边 一旦放炮 除了绚烂夺目落英缤纷目不暇接外 ,主要是地动山摇 硝烟弥漫 震天动地 房子都要塌的感觉,体会到战争是什么滋味。

    就是那种应激的惊吓感觉啊。。。否则过年都鸡动不起来了。。。

    [1] 评论
  • 23楼
    2017-01-28 16:32 雷穆斯
    引用@天降龙虾 的话:就是那种应激的惊吓感觉啊。。。否则过年都鸡动不起来了。。。

    去开一点肾上腺素,静脉注射,立即见效,放过城市空气吧。

    [2] 评论
  • 24楼
    2017-01-29 08:15 在雨夜
    引用@combok 的话:据说中国是最大的生产和出口烟花的国家,技术也是世界最先进的

    在中国,前一句和后一句基本上无法同时存在。

    [1] 评论
  • 25楼
    2017-01-29 15:22 天降龙虾
    引用@雷穆斯 的话:去开一点肾上腺素,静脉注射,立即见效,放过城市空气吧。

    好,俺去乡村放。。

    [0] 评论
  • 26楼
    2017-01-29 19:02 莫尔糖

    我们这里也禁了


    [0] 评论
  • 27楼
    2017-01-31 14:30 combok
    引用@在雨夜 的话:在中国,前一句和后一句基本上无法同时存在。

    然而这话我是在bbc的纪录片里听到的。几年前一部介绍烟花的纪录片

    [1] 评论
  • 28楼
    2017-01-31 14:39 在雨夜
    引用@combok 的话:然而这话我是在bbc的纪录片里听到的。几年前一部介绍烟花的纪录片

    我是至少十到二十年前之间的一天,看报纸上说中国的烟花生产工艺已经落后世界先进水平。

    [0] 评论
  • 29楼
    2017-01-31 20:07 combok
    引用@在雨夜 的话:我是至少十到二十年前之间的一天,看报纸上说中国的烟花生产工艺已经落后世界先进水平。

    自行知乎吧,一直都是中国 生产 出口 技术 第一

    世界6成烟花中国制造

    [0] 评论
  • 30楼
    2017-02-01 20:11 未风
    引用@在雨夜 的话:我是至少十到二十年前之间的一天,看报纸上说中国的烟花生产工艺已经落后世界先进水平。

    就在十年之前,网络上还会因为中国的GDP能不能在2030年超过日本而吵得天翻地覆。

    然而现在那个问题看起来就像个笑话。

    时间会改变很多东西的。

    [0] 评论

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窗敲雨
窗敲雨 药学硕士

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