初探煙花爆竹中的化學(xué)知識*

張小波

（張掖市第二中學(xué) 甘肅 張掖 734000）

中國北宋時期的政治家、文學(xué)家、思想家、改革家王安石（公元1021年—公元1086年）的《元日》詩：“爆竹聲中一歲除，春風(fēng)送暖入屠蘇。千門萬戶曈曈日，總把新桃換舊符。”作者選擇了過年時最典型的喜慶場景，展現(xiàn)了一幅富有濃厚生活氣息的中國民間風(fēng)俗畫卷。在中國，煙花爆竹是逢年過節(jié)必不可少的元素，燃放煙花爆竹是為了營造歡快、喜慶的氣氛，點燃人們激動的心情，表達了人們的祝福，展現(xiàn)了幸福美好的生活。對孩子及年輕人來說，這也是一種娛樂活動。

煙花爆竹是指以“煙火藥”為主要原料，引燃后通過燃燒或爆炸產(chǎn)生光、聲、色、形、煙等效果，用于觀賞的具有易燃、易爆性質(zhì)的特殊物品。煙花和爆竹有區(qū)別，從出現(xiàn)的年代來說，爆竹早于煙花。從側(cè)重的效果來說，煙花以沖擊人們的視覺為主，同時能形成各種各樣的色彩和圖案，并能發(fā)出一定的音響效果；而爆竹則以刺激人們的聽覺為主，輔以閃光等效果。煙花爆竹燃放的過程涉及了許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，爆竹聲聲除舊歲，煙花朵朵學(xué)化學(xué)。

一、煙花爆竹的起源、發(fā)展

在火藥發(fā)明之前，人們就是靠燒竹子制造爆炸聲的，所以被稱為“爆竹”。放爆竹是一種傳統(tǒng)的民間習(xí)俗，在中國已有兩千多年的歷史。春秋末年，政治家范蠡（公元前536 年—公元前448 年）在《陶朱公致富奇書》中記載：“除夜燒盆爆竹與照田蠶看火色，同是夜取安靜為吉”。西漢文學(xué)家東方朔（約公元前161年—公元前93年）的《神異經(jīng)·西荒經(jīng)》有記載：“西方深山中有人焉，身長尺余……名曰山臊，其音自叫。人嘗以竹著火中，爆烞（竹爆裂聲）而出，臊皆驚憚。犯之令人寒熱。此雖人形而變化，然亦鬼魅之類，今所在山中皆有之?！蹦媳背簳r，宗懔（約公元501年～公元565年）所撰的《荊楚歲時記》是保存到現(xiàn)在的我國最早的一部關(guān)于歲時節(jié)令習(xí)俗的著作，其中有這樣的記載：“正月一日，是三元之日也，《春秋》謂之端月。雞鳴而起，先于庭前爆竹，以辟山臊、惡鬼?！碧瞥死铑保ü?21 年—公元691 年）將硝石裝在竹筒里，點燃后發(fā)出了更大的聲響，放出了更濃烈的煙，最終驅(qū)散了山嵐瘴氣，遏制了疫病流行。從此以后，爆竹很快被推廣開，李畋也被人們奉為“花炮祖師”。可見，燃放爆竹的習(xí)俗從一開始就被披上了濃厚的迷信色彩，這完全是由于古人的誤解所致。

隋唐時期，我國古代四大發(fā)明之一的火藥被發(fā)明出來，晚唐（9 世紀(jì)末）出現(xiàn)了黑火藥?；鹚幊蔀楣蕵酚玫难婊穑婊鹨步袩熁?、煙花?？梢姡竦陌l(fā)明早于煙花。火藥是由一群煉丹的道士在煉制所謂長生不老藥時得到的“副產(chǎn)品”。由于煉丹的過程需要使用猛火進行高溫?zé)?，煉丹者通常會將硫黃、硝石等物質(zhì)混合，使其發(fā)生劇烈的燃燒反應(yīng)，所以經(jīng)常有煉丹失火甚至爆炸的事故發(fā)生。早在一千三百多年前，我國著名醫(yī)學(xué)家孫思邈（約公元581年—公元682年）也研究過煉丹術(shù)，在《丹經(jīng)內(nèi)伏硫黃法》中詳細(xì)記載了當(dāng)時所用的火藥成分和性質(zhì)。

北宋宣和（公元1119 年—公元1125 年）年間，我國以火藥為原料的煙花已發(fā)展成熟了［1］，出現(xiàn)了大規(guī)模的成架煙火，如“架子煙火”“盆景煙花”。到了明清時期，煙花爆竹在我國民間已經(jīng)很盛行了，凡是碰到重大節(jié)日、重大事件等人們都要燃放爆竹來表示慶賀或祈求神靈、祖先保佑全家順利、萬事如意。后來，人們又不斷的進行各種化學(xué)試驗，發(fā)明了炸藥。將炸藥放在竹筒里燃放，可以產(chǎn)生更大的聲音，也可以將炸藥卷在紙里制成類似現(xiàn)在的鞭炮。近幾個世紀(jì)，人們又向其中加入了產(chǎn)生顏色的發(fā)色劑，開發(fā)出五彩斑斕的煙花和豐富多彩的圖案，比如菊花、垂柳和笑臉等，增加了煙花的觀賞性。

二、煙花爆竹的化學(xué)成分

煙花爆竹中的成分在一定條件下（吸濕受潮、接觸明火、撞擊、摩擦、受熱等）因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起燃燒、爆炸。它的成分因燃放要求、效果的不同而有所變化，不管是在物質(zhì)的種類，還是在物質(zhì)的用量配比方面都有著復(fù)雜的不同，但總的來說，它的成分一般主要包括以下四大類：

1.第一類是氧化劑

硝酸鹽（硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋇、硝酸鍶、硝酸銨）、高氯酸鹽（高氯酸銨、高氯酸鉀）、硫酸鹽（硫酸鎂、硫酸鋇、硫酸鈣）、重鉻酸鹽（重鉻酸鉀）、氧化物（四氧化三鉛）、堿土過氧化物（過氧化鋇、過氧化鍶）等都是常見的氧化劑。煙花爆竹藥劑的燃燒過程中涉及的化學(xué)反應(yīng)以氧化還原反應(yīng)為主，即主要物質(zhì)是氧化劑和還原劑（可燃劑）。氧化劑的主要作用是使燃料更加容易且劇烈地燃燒，從而產(chǎn)生絢麗奪目的效果。

煙花爆竹中的火藥就是在黑火藥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，成分主要是硝酸鉀、硫黃、炭粉、蔗糖和鎂粉。點燃后的反應(yīng)主要是（1）S（s）+2KNO3（s）+3C（s）====

K2S（s）+N2（g）+3CO2（g）；ΔH= -707 kJ/mol，（2）2Mg+O2====2MgO。從氧化還原的角度來說，硝酸鉀和氧氣都是氧化劑，促使硫黃、炭粉和鎂粉劇烈燃燒，短時間在狹小的空間內(nèi)生成大量氣體（N2和CO2），放出大量熱量，從而引發(fā)了煙花爆竹的爆炸。煙花爆竹中的藥劑燃燒后產(chǎn)生大量的氣體，將紙制品旋轉(zhuǎn)、升空，噴彩星和煙花部件，最終將殼體炸開，可制成能產(chǎn)生不同效果的煙花和各種花形圖案的空中禮花。

另外，隨著煙花爆竹生產(chǎn)工藝的提高，國家對環(huán)保的要求以及從安全角度的考慮，原料的種類也在不斷地進行更新?lián)Q代。比如說氯酸鉀，它的熔點是356 ℃，分解溫度約為360 ℃，即熔化后就會分解放出氧氣：2KClO3====2KCl+3O2↑，在分解過程中每摩爾氯酸鉀能放出106千卡的熱量。如果在生產(chǎn)、儲存及運輸?shù)倪^程中一旦遇上明火、劇烈的摩擦或碰撞都有可能發(fā)生爆炸，所以，國家已禁止在爆竹生產(chǎn)中使用氯酸鉀［2］，只允許用于煙霧類、摩擦類和擦火藥頭。但是，由于氯酸鉀價格較低，而且可以直接產(chǎn)生氧氣，有些不良生產(chǎn)廠家為了利益最大化還在違規(guī)使用，給人民的生命財產(chǎn)安全造成了極大的潛在威脅，所以，我們應(yīng)該通過正規(guī)渠道購買大廠家生產(chǎn)的爆竹。

2.第二類是可燃劑

金屬粉末（鎂、鋁、鎂鋁合金、鐵、鈦、鋅、銻）、非金屬單質(zhì)（硫黃、木炭、赤磷、硅）、無機物（硫化銻）和有機物（乳酸、鄰苯二甲酸氫鉀、沒食子酸）等是常見的可燃劑?？扇嘉餅榛鹚幍娜紵⒈ㄌ峁崃?，可燃物活性和蘊含熱量的多少決定了火藥燃燒速度的快慢。黑火藥中的硫黃、炭粉和鎂粉就是可燃物。

鋁粉、鎂粉燃燒劇烈，最高溫度可達3 000 ℃，并發(fā)出耀眼的白光。若鎂粉、鋁粉等金屬粉末發(fā)生火災(zāi)時，不可用水施救，可使用砂土、干粉進行撲救。因為鎂粉、鋁粉等金屬粉末在高溫條件下與水會發(fā)生反應(yīng)生成可燃?xì)怏w——氫氣，同時放出大量熱量，使燃燒更加劇烈，所以不能用水進行滅火。而使用砂土、干粉可以隔離金屬粉末與空氣，避免它們直接接觸，從而達到滅火的目的。

需要說明的是，很多化學(xué)藥劑在煙花爆竹中的作用是多重的，而不是單一的。比如說鎂，鎂和氧氣反應(yīng)特別劇烈，放出大量的熱量，發(fā)出耀眼的白光。可見，鎂一方面是可燃物，另一方面是發(fā)光劑，放出的熱量不僅直接可以引起爆炸，而且還可以引發(fā)其他反應(yīng)，因為有些反應(yīng)需要加熱才能發(fā)生。硫黃、酚醛樹脂、蟲膠、淀粉等在煙花爆竹中既可作可燃物，又可作粘合劑。所以，我們對各成分的性質(zhì)和用途應(yīng)有全面的了解。

3.第三類是火焰發(fā)色劑

發(fā)色劑能產(chǎn)生五彩繽紛的光芒，發(fā)色劑大多是一些金屬鹽類（如鋰鹽、鈉鹽、鉀鹽、銣鹽、鈣鹽、鍶鹽、鋇鹽和銅鹽）。鋰產(chǎn)生紫紅色、鈉產(chǎn)生黃色、鉀產(chǎn)生紫色、銣產(chǎn)生紫色、鈣產(chǎn)生磚紅色、鍶產(chǎn)生洋紅色、鋇產(chǎn)生黃綠色、銅產(chǎn)生綠色。在這些基本色的基礎(chǔ)上，研究人員可以搭配出五顏六色，從而在節(jié)日的夜空綻放出絢麗的色彩。另外，銣和銫除了能產(chǎn)生藍紫色火焰外，它們還能發(fā)射紅外光，因此更多應(yīng)用于軍事煙火。

發(fā)色劑能為煙花提供各種各樣的色彩，可以利用丹麥物理學(xué)家玻爾提出的玻爾理論中的電子躍遷規(guī)則來解釋。當(dāng)堿金屬鹽、堿土金屬鹽、銅鹽等灼燒時，電子由于吸收了光子就會從能量較低的基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。反過來，激發(fā)態(tài)的電子會放出光子而返回基態(tài)或能量較低的激發(fā)態(tài)，光子的能量為躍遷前后兩個能級的能量之差［3］。放出的光的波長在可見光范圍內(nèi)，所以能使火焰呈現(xiàn)不同顏色，這就是焰色試驗。焰色試驗是原子內(nèi)部電子能級的改變，不涉及物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的改變，并未生成新物質(zhì)，所以，焰色反應(yīng)是物理變化，是元素的性質(zhì)。

4.第四類是其他特效藥劑

（1）發(fā)光劑

煙花爆竹中發(fā)光劑種類很多。照明劑發(fā)光強度較高，照明時間較長?；鹧鏈囟纫话愀哂? 000 ℃；由活潑性強的金屬鋯、鈦、鎂、鋁等粉末組成的閃光劑被發(fā)射升空后能與氧化合，劇烈燃燒過程中放出大量的熱，從而使溫度高達3 000 ℃以上，同時還會放出耀眼的強光。

（2）發(fā)煙劑

煙花爆竹能發(fā)煙的基本原理是的發(fā)煙劑通過燃燒分散成比較穩(wěn)定的氣溶膠，氣溶膠中的分散質(zhì)（固體或液體微粒）通過吸收與散射光線以達到遮蔽目標(biāo)和顯色的作用。煙花爆竹中常用的發(fā)煙劑有黃磷、赤磷、HC 煙霧劑（六氯乙烷、鋁粉和氧化鋅）、有機染料（藥劑燃燒放出的熱量能使有機染料升華成蒸氣，隨后在大氣中凝華成有色煙）等。

（3）粘合劑

松香和蟲膠等天然樹脂、聚氯乙烯樹脂和酚醛樹脂等合成樹脂、糊精、聚乙烯醇、乳白膠、硝化纖維素、瀝青等是常見的粘合劑。他們能將藥劑中不同成分粘結(jié)在一起，以達到成型的目的，同時增加了煙花的耐水性和機械穩(wěn)定性，防止生產(chǎn)、運輸和儲存過程中發(fā)生危險。粘合劑一般用酒精、香蕉水、甲苯、汽油等有機溶劑來溶解。

（4）其他添加劑

鈍化劑和穩(wěn)定劑能夠防止煙花爆竹由于反應(yīng)劇烈而變成炸彈。在研發(fā)、設(shè)計環(huán)節(jié)科研人員就要考慮藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率問題，這一點非常重要，牽扯到安全問題。石蠟、硬脂酸等常作鈍化劑，蓖麻油、亞麻籽油、凡士林、聚酯等常作穩(wěn)定劑。為了加強煙花爆竹的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)火藥燃燒的速度，我們還可以加入加速或減速劑，如草酸鈉、碳酸氫鈉、硫酸鋇、淀粉。

某些煙花藥劑被點燃后會發(fā)出雷聲、哨聲、笛聲、鳥叫或蚊子聲音，利用這種現(xiàn)象我們可以制造許多種大小不同的煙花和空中禮花。當(dāng)然，有些聲音是藥劑燃燒過程中伴隨的，為了產(chǎn)生特定聲音，科研人員需要專門加入發(fā)聲劑，如：沒食子酸、苯甲酸鉀、鄰苯二甲酸氫鉀等。

此外，我們還可以在藥劑中加入防腐劑、防潮劑（丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯、甲醇、硝化纖維素、賽璐珞、正丁醇、醇酸樹脂的混合物）等添加劑。

三、煙花爆竹的危害

1.燃放煙花爆竹能釋放煙塵和大氣污染物

煙塵會使大氣中的PM2.5濃度增加，大氣污染物（二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮等）會刺激呼吸道黏膜，引發(fā)氣管炎、支氣管炎等呼吸系統(tǒng)疾病。大氣污染物會損害人體肺部組織、神經(jīng)和心血管系統(tǒng)、眼睛等器官，對人體健康造成嚴(yán)重危害。

2.燃放煙花爆竹能產(chǎn)生噪聲污染

據(jù)環(huán)保部門對北京、上海、武漢等10 大城市春節(jié)期間的煙花爆竹污染情況進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)燃放煙花爆竹地區(qū)的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人的聽覺范圍和耐受限度。高強度的噪音對患有心、腦血管等疾病的病人來說危害十分嚴(yán)重。

3.燃放煙花爆竹可能引發(fā)火災(zāi)

煙花爆竹屬于易燃、易爆品，有巨大的火災(zāi)安全隱患，尤其是在人口相對密集的城區(qū)燃放高空煙花時非常危險，給人民的生命和財產(chǎn)安全帶來巨大的威脅。

4.燃放煙花爆竹可能會對人體造成傷害

煙花爆竹的爆破力很強，因此而導(dǎo)致的炸傷事故屢見不鮮，輕則眼、口、手、鼻、面部形成創(chuàng)傷，經(jīng)住院治療后恢復(fù)健康，重則終生落下殘疾，甚至當(dāng)場危及生命。

5.燃放煙花爆竹能產(chǎn)生垃圾、造成水體污染

燃放煙花爆竹后垃圾量會成倍地增加，倘若沒能及時清理，一陣風(fēng)過后，滿地都是煙花爆竹的殘渣，增加了環(huán)衛(wèi)工人的工作量。如果是在下雨或下雪時燃放煙花爆竹，殘渣會和雨、雪混到一起，附著在地面，不容易清理，雨水或融化后的雪水還會將殘渣沖入附近水域，造成污染。所以說結(jié)果很糟糕，后果很嚴(yán)重。

四、結(jié)語

燃放煙花爆竹雖然是我們中華民族的一種民俗文化，但是煙花爆竹屬于易燃、易爆物品，在這里呼吁大家積極響應(yīng)國家以及地方政府的要求，在規(guī)定的時間、區(qū)域燃放規(guī)定種類的煙花爆竹。不要在“禁燃區(qū)”燃放。容許燃放煙花爆竹的地方也要選擇室外開闊地，遠(yuǎn)離房屋密集區(qū)，遠(yuǎn)離加油站、變電站、燃?xì)庹镜任ｋU場所，燃放爆竹時不可用手拿，放在地上時要小心附近有沒有井蓋，以防引燃沼氣，發(fā)生爆炸，要燃放正規(guī)廠家生產(chǎn)的煙花爆竹，燃放前看好說明等等。