103-01- 議題探索 ( 生活中的化學 )

(1)

103-01-

議題探索

(

生活中的化學 )

108

第 8 組 -

6

、 8 、 11 、 14

純瑋、芊卉、家瑜、羽涵

煙火

(2)

 煙火的化學原理和爆竹大同小異，其結構都包含黑火藥和藥引。

燃放煙花後，產生化學反應引發爆炸，而爆炸過程中所釋放出來的能量，絕大部分轉化成光能呈現在我們眼中。製作煙火的過程中加入一些發光劑和發色劑能夠使煙火放出五彩繽紛的顏色。

 發光原理為金屬鎂或金屬鋁的粉末氧化。當這些金屬燃燒時，會發出的強光及熱能。發色劑是一些金屬化合物。金屬化合物含有金屬離子。當這些金屬離子被燃燒時，會發放出獨特的火焰顏色。

不同種類的金屬化合物在燃燒時，會發放出不同顏色的光芒。如

：氯化鈉和硫酸鈉都屬於鈉的化合物，他們在燃燒時便會發出金黃色火焰。同理，硝酸鈣和碳酸鈣在燃燒時會發出磚紅色火焰。

煙火便是利用金屬的這種特性製成的。製作煙火的人經過巧妙的排列，決定燃燒的先後次序。這樣，煙火引燃後，便能在漆黑的天空中綻放出鮮豔奪目、五彩繽紛的圖案。

煙火的原理 :

(3)

煙火的生產製造 :

● 粉碎　針對各式藥劑分別進行研碎，使藥劑表面積增大，經研碎的藥劑易於引燃，並具有均勻的燃燒速率。

● 篩選　用一定型號的金屬篩或絲絹篩，篩取所需顆粒大小的材料。

● 烘乾　藥劑中過量的水分會影響藥劑的安定性及其燃燒性能，

含水量過多的材料都須烘乾。烘乾的溫度不能過高，以攝氏 50

～ 80 度為宜，烘乾時間視材料及其含水量而定。

● 鈍化　煙火藥常用鎂、鐵、鋅等容易氧化的金屬粉末，為避免在空氣中氧化，常把這些金屬粉末鈍化。方法是把金屬粉末放入鈍化器內，注入熔融硬脂酸或石蠟等鈍化劑，在加熱下攪拌，混合均勻後，經冷卻與過篩即可貯藏。亞麻子油或聚氯乙烯等合成樹脂溶液，也是常用的鈍化劑。

(4)

● 混合　把混合過程要十分謹慎，避免由於摩擦、碰撞發生火花而造成燃燒或爆炸事故。混合時通常先把可燃物與黏合劑混合，最後加入氧化劑，直到混合均勻為止。

● 造粒　煙火藥中各成分的比重不同易造成藥劑分層，影響藥劑性能，因此藥劑須進行造粒以改善藥劑的流散性。造粒是把藥劑混合成濕潤的麵團狀後，通過網目篩，得到粒度均勻的顆粒，經烘乾即成。

● 壓藥　煙火藥中除閃光劑採用鬆散裝藥外，一般都加壓裝填到金屬、塑膠或紙管中，小型煙火製品則可直接壓製成藥餅或藥柱。

經壓製後的藥劑具有較高的機械強度，並有穩定的燃燒速率，會具有良好的煙火效果。

(5)

煙火的化學成分 :

發光劑　又細分為照明劑、閃光劑及發色劑。良好的照明劑要有較長的照明時間與較高的發光強度，火燄中必須含有灼熱的固體和液體微粒。火燄的輻射能量會隨火燄溫度的提高而迅速上升，照明劑的火燄溫度可高於攝氏 2,000 度。照明劑的發光效率與其中含鎂粉的比率有關，現在最常用的照明劑配方是含鎂粉 55 ％、硝酸鈉 40 ％及合成樹脂 5 ％。

照明時間可從 30 秒到數分鐘不等。

花火劑　節慶施放的煙火，為了要有絢麗的色彩及強烈的亮光和聲響，其可燃物一般採用鋁粉、鐵粉、硫和木炭粉等，

並添加聲響劑和聲響閃光劑。花火劑常含有過氯酸鉀、鋁粉與硫化銻，聲響劑則含有氯酸鉀與沒食子酸或過氯酸鉀與苯甲酸鉀。

(6)

燃燒劑　燃燒劑是要在點燃煙火時產生高溫，成分是燃料及助燃的氧化劑。煙火中除了使用黑火藥當成燃料外，還有金屬燃燒劑、

石油燃燒劑、石油與金屬燃料混合物燃燒劑、黃磷燃燒劑、以及金屬有機化合物燃燒劑等。常用的燃料有木炭、糖類、澱粉、各種人造樹脂等有機物，一些容易在空氣中氧化的合金或金屬粉末

，例如鋁、鎂、鐵、鋅等，以及硫、磷、硒及砷等非金屬無機燃料。

煙火在急遽燃燒時，短時間內需要大量的氧，空氣中的氧不敷所需，必須有氧化劑提供大量的氧助燃，黑火藥中的硝石（硝酸鉀）就是一例。常用的氧化劑是含氧量大的無機鹽類，如含有硝酸根、氯酸根、過氯酸根、溴酸根、碘酸根、重鉻酸根、高錳酸根等無機鹽類。有機氧化劑比較少，只有過氧化物。

其他助劑　為了控制燃燒的型態和速率，煙火中常添加催化劑或抑制劑，以增加煙火的趣味。

(7)

金屬離子火焰顏色鉀（ K⁺）紫色

鈉（ Na⁺）金黃色鈣（ Ca²⁺）磚紅色鎂（ Mg²⁺）白色鋁（ Al³⁺）白色銅（ Cu²⁺）藍綠色鋇（ Ba²⁺）蘋果綠色鐵（ Fe³⁺）金黃色鍶（ Sr²⁺）血紅色鉛　 (Pb⁴⁺) 藍色

以下列出一些常見的煙火顏色及其對應的金屬離子。

金屬焰色反應

(8)

煙火燃燒過程所牽涉的化學反應相當複雜，除了融化與氣化的過程外，還有晶體結構的改變。研究其化學反應最簡捷的方法，是先用化學方法分析煙火燃燒生成

　物的化學組成，與其原料對照後，再推斷其化學反應。

提到燃燒，就會很自然地聯想到有機物，因為有機物中含有大量的碳、氫成分，

是好的燃料。但由煙火中的成分看來，不論是燃燒劑或發光劑，它們的主要成分卻是無機物，這是為什麼呢？答案是燃燒溫度的關係。如果要在可見光範圍內得到相當強的光，必須維持攝氏 2,700 度以上的高溫，而有機物燃燒後的生成物大　多是氣體，無法達到如此高溫。只有用燃燒後能產生高融點固體生成物（如鋁或鎂）的無機鹽類做為燃料，配合適當比例混合的氧化物做為助燃劑，才有可能達到如此高溫的要求。

為什麼要求這麼高的溫度呢？這是因為煙火在燃燒過程中所釋放出來的化學能，

絕大部分必須轉化成光能，才可顯現出絢麗眩目的光彩，而化學能轉化成光能的　

過程與溫度有關。經過計算，溫度要達攝氏 2,700 度才能有光彩奪目的顏色，這就是煙火原料中含有大量無機鹽類的原因。

煙火的化學反應

(9)

我國的煙火

我國煙火的花樣繁多，大半是火中夾炮，有火光，更兼有熱鬧的聲響

，如

臺灣地區的煙火源自閩粵，以臺南鹽水的「犁大轎」煙火最有代表性。

本省的煙火和大陸的差不多，只是在樣式上有些不同，花樣相當繁多

，有水蓮花、蜂炮、空中美人、火箭炮、飛鼠、花煙等招式。

臺南鹽水的犁大轎煙火，是由壯丁們抬著神轎在「蜂炮」所形成的火網中衝鋒陷陣，驚險刺激。蜂炮是先以木條釘成架子，形狀有方型或馬蹄型，大小不一，四周張起鐵絲，再把成千上萬的沖天炮插在鐵絲網上，火源置於木架當中。蜂炮點燃後，如沖天炮似地四處流竄，並有如口哨的聲音，宛如蜜蜂傾巢而出，射程可達約百公尺之遠。

在每年元宵節晚上，多處蜂炮一起施放，此起彼落極為熱鬧，可達七

、八個小時。鹽水還有一種叫「水蓮花」的煙火，屬「太平花」類的煙火，是用亞硝、木炭粉、鋅、硫磺、棉紙裝在竹筒內製成的。

中外的煙火 :

大金錢小金錢五鬼鬧判炮打襄陽城九蓮燈

(10)

　　　　　　 西洋的煙火　

　　　　高空煙火是把各種能燃放色彩的藥物摻在火藥粉中，再裝在圓形硬紙筒中成為火藥包，在硬紙筒上端裝兩條引信，分別接上定時火藥與點火裝置。先用臼炮把火藥包打到約 500 公尺高空，發射時同時點燃定時火藥，到了最高點，定時火藥剛好燃盡而點燃火藥包，產生爆炸，彩色藥粉也隨之引燃起火，向四面八方爆裂，

形成一個立體彩色火球，光耀四射。

如果火藥包中又還有小火藥包，則在第一次爆裂後，緊接另一次爆裂，造成同心球形狀煙火，有極佳的視覺效果。當然火藥包可以分更多層，造成更複雜精彩的圖案，這要看設計者對引爆時間的掌控是否精準了。

羅馬花是一種在地面放的煙火，形狀有如一粒粒噴出的小星星。

它是由引信藥粉、彩色藥粉、火藥粉，分層且重複許多次裝在一硬紙筒中製成，點燃時會一層層地往下燒，於是一個個彩色星星就會噴了出來，而且可以控制間隔時間。如果把數個羅馬花一起燃放，可以產生此起彼落的效果。

(11)

　　　　西洋花盒子與我國的「花盒子」差不多，事先把要表現的圖案架好，可分多層，並分層裝塗上各種能發出不同顏色光芒的煙火劑，點燃後，火光耀目，十分美觀。

噴泉煙火是在地面施放的煙火，和我國的「太平花」相當類似，噴出的煙火可達二十多公尺，煞是好看。如果把噴火的方向倒過來，把它放在架好的高臺上，噴口朝下，就形成了「瀑布煙火」，高度可達 20 公尺，十分壯觀。最精彩的是把幾個噴泉煙火一起綁在輪形支架上，

點燃後就形成「旋轉噴泉煙火」，更是如火樹銀花般的絢麗奪目了。

(12)

資料來源 :

1. 科技大觀園

http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/Articles/C/1/1/

10/1/697.htm 2. 煙火 - 維基百科

http://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E7%83%9F%E7%81%AB 3. 圖片 -Google

https://www.google.com.tw/search?hl=zh-TW&site=imghp&t bm=isch&source=hp&biw=1366&bih=535&q=%E7%85%99%E7%81%A B&oq=%E7%85%99%E7%81%AB&gs_l=img.12...0.0.0.869.0.0.0.

0.0.0.0.0..0.0....0...1ac..58.img..0.0.0.YACX0ngV_9M

(13)

小組分工

1. 查資料 :11 號楊家瑜 .14 號鄭羽涵

2. 上台報告 :6 號曹純瑋 3. 製作 ppt:8 號陳芊卉