Facebook
臺灣的節慶與化學:鹽水蜂炮
許紘齊、楊水平*
國立彰化師範大學化學系
*[email protected]
n 鹽水蜂炮的由來
鹽水蜂炮(Yanshui's Beehive Rockets)是台南市鹽水區每年元宵節著名的節慶活動,2008年被指定為中華民國文化資產的民俗類,每年吸引十多萬遊客參與盛會。此項活動相傳是從清朝光緒年間開始,傳承至今已有百餘年的歷史,其由來眾說紛紜,其中最為大家樂道的是關聖帝君「驅除瘟疫」之說。現今鹽水蜂炮的節慶特色是由成千上萬的蜂炮(沖天炮,stick rockets)傾巢而出,如眾多火龍竄出,震撼力十足,如圖1所示。
圖1:鹽水蜂炮的沖天炮如火龍竄出震撼力十足
(圖片來源:Vincent Chien, Flickr, https://www.flickr.com/photos/bravesheng/6840510295/.)
時逢光緒11年(西元1885年)鹽水當地瘟疫肆虐,造成人口外移,市井蕭條。這時鹽水地區的居民們經商議後,決定迎請關聖帝君神轎出巡,祈求驅除瘟疫災厄。透過關聖帝君的指示,在神轎出巡的過程中沿路燃放鞭炮(firecrackers),從正月十三到十五日總共持續了三天的時間,沒想到從此瘟疫竟然被驅除了。此後,為了感念關聖帝君的恩澤,當地居民們決定每年元宵節舉行「關帝遶境」燃放爆竹的活動。此活動便是鹽水蜂炮節慶的前身,當時的爆竹以鞭炮和焰火為主。關於「驅除瘟疫」之說,有人以科學角度推論,這可能是因為鞭炮的成分硫磺和鞭炮火藥燃燒的產物發揮消毒作用。經過多年的演變,發展出以沖天炮為主的鹽水蜂炮。就風俗而言,蜂炮射向神轎是當地民眾感念關聖帝君恩澤的宗教儀式,遊客檔在神轎前體驗蜂炮威力是一項禁忌。
n 鹽水蜂炮的炮城
鹽水蜂炮的炮城,又名蜂炮城、蜂炮巢,其主要架構材料為木棒、竹子或鐵搭建而成,由許多沖天炮組成的發炮台。傳統上,以木條製作或竹竿綁成的大型長方體支架,作為炮城的基本結構。在面積最大的兩面,以橫杆由上而下做出分層,作為擺設沖天炮的支架,前後支架必須控制好沖天炮發射的角度,射向神轎。在分層的支架上,先以雙面膠或其他黏著劑固定炮城的炮芯(一種引線)在支架上,並在各層上排放單層或數層的沖天炮,再黏貼炮芯與沖天炮的引線在一起,有些炮芯再黏貼一層藍色或紅色的薄紙,如圖2所示。然後連接炮城兩面的炮芯在一起,使炮芯與引線串串相連,由炮芯和引線的長短來控制蜂炮點燃的時間,如此設計,在某一處點燃炮芯,就可萬炮同時發射或火龍連續四射。
圖2:沖天炮組成的炮城,單層的傳統炮城(左)和數層的現代炮城(右)
(圖片來源:由左而右,Vincent Chien, Flickr, https://www.flickr.com/photos/bravesheng/6850965469/;August Huang, Flickr, https://www.flickr.com/photos/kaorss/6941599250/in/datetaken/)
傳統上,鹽水蜂炮的炮城是以竹子或木棒建構其基本架構,自民國70年起開始有大型的鐵製炮城出現。在炮城中各層擺放沖天炮的數量可達108或120支,其支數有象徵各行業興旺與長壽之意。大炮城的大小和分層的蜂炮數量並非固定不變,曾出現數千支或數萬支沖天炮的炮城。有些主炮城的各層蜂炮甚至以十層到二十層的沖天炮堆疊而成的,數量非常可觀,如圖3所示。在完成基本結構後,炮城的外表會黏貼紅色等色紙加以裝飾,並寫上祈福的語句,外觀設計成神像、茶壺、動物或卡通人物等各種造型。
圖3:有數十萬發沖天炮的炮城(左)和堆疊多層沖天炮的炮城(右)
(圖片來源:Yanshui's Beehive Rockets 鹽水蜂炮,翁郁容的部落格,http://mi-chanchan.blogspot.tw/2012/03/yanshuis-beehive-rockets.html。)
2012年鹽水蜂炮的主炮城「雲端金龍」由50萬發沖天炮所組成。2013年有40萬發的「天官賜福」主炮城與50萬發的「玄武」炮城,還有120座小炮城,總計約有百萬發蜂炮。2014年的鹽水蜂炮有200多座創意炮城,主炮城「關公騎赤兔馬」由鹽水武廟特別打造12尺高、寬6公尺,有40萬支蜂炮,結合高科技LED燈,搭配精彩絢麗的煙火秀。成千上萬的沖天炮,如火龍竄出,震撼力十足,吸引頭戴安全帽,全身包緊緊的遊客們。
n 沖天炮的內部結構
鹽水蜂炮的沖天炮圓筒是用紙捲成多層的厚粗圓筒,其內部構造除了引線之外,可簡單地分成兩部分,尾部是推進(propellant)區,頭部是爆炸(explosion)區。沖天炮的外部黏貼一支細長的竹棒,作為發射飛行的穩定作用;還有用色紙包裝,以增加外部的美觀,如圖4所示。
圖4:沖天炮分成兩部分:尾部的推進區和頭部的爆炸區
推進區的成分主要為碳粉和硝酸鉀,通稱為無硫火藥(sulfur-free black powder),呈現黑色,有些沖天炮的推進區添加硫磺,此為火藥(gunpowder)或黑火藥(black powder),以增加推進的效果。然而,因含有硫磺,使得火藥本身相對敏感,在製造和運送過程中有一定的危險性。爆炸區的主要成分為過氯酸鉀(potassium perchlorate, KClO4)或氯酸鉀(potassium chlorate, KClO3)、碳粉、鋁粉、及鋁鎂合金粉所組成的灰色粉末,有些沖天炮會加入少量的硫磺或蔗糖(C12H22O11)當作還原劑,以增加爆炸效果,但具有相當的危險性。
沖天炮的頂部通常用泥土或黏土封閉筒口,以防火藥燃燒產生的氣體衝出;紙筒尾端以凹陷方式夾緊一條引線,在引線燃燒完畢後在此處形成小孔洞。當火藥燃燒時,產生的氣體會在此小孔洞衝出,造成極大的衝力並發出「咻」的聲音,圖5為沖天炮內部結構的切開圖。沖天炮的藥品填充順序是,先在紙筒中填充爆炸區的混合物後,再放入推進區的火藥並放入引線。
圖5:沖天炮的內部結構:頂部有黏土和爆炸的火藥、中段有推進火藥、及尾部有引線
二十多年前,鹽水蜂炮使用的沖天炮有塑膠頭,衝力非常強大,像一把刀,會射穿衣物,在皮膚留下深深的割痕。在爆炸後,有些塑膠黏住皮肉,使傷口更加嚴重,甚至炸傷遊客的眼睛。為降低殺傷力,近年來鹽水蜂炮已經禁用塑膠頭,全面採用紙包的沖天炮,降低民眾的受傷。
n 沖天炮的運作原理(物理和化學原理)
現今沖天炮使用的引線是延時引線(Visco fuse),塗層以綠色或紅色最為常見,它是扭曲的絞線,用於消費者煙火的高品質引線,也用於創造多個煙火施放時的延遲點火。延時引線是以火藥為核心,直徑2-3毫米的絞線,如圖6所示。引線的火藥用三層包住,內層是用串繩繞住火藥;第二層是用串繩以相反方向包住內層;外層是塗上低硝酸根的硝化纖維素漆(low-nitrate nitrocellulose lacquer),低硝酸根的硝化纖維素為低度硝化作用的纖維素,以避免引線分離並防水和防濕氣。延時引線點燃後,可以在水中燃燒。硝化纖維素具有易燃姓,但低硝化的硝化纖維素較不易燃,但比一般紙張較易燃。有關火藥燃燒的化學反應,如見下面沖天炮推進區火藥的燃燒反應。
圖6:燃燒的延時引線
(圖片來源:Fuse_(explosives), Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Fuse_(explosives).)
在引線點燃後,進入推進區硝酸鉀(硝石)和碳粉的燃燒,發生激烈的氧化還原反應,產生氮氣和二氧化碳氣體並隨伴放出大量的熱量,如反應式[1]所示:
4KNO3(s) + 5C(s) → 2N2(g) + 5CO2(g) +2K2O(s) + 熱量 [1]
此反應產生大量的熱氣體而快速膨脹,造成沖天炮管內的壓力瞬間升高。根據牛頓力學中第三運動定律—作用力等於反作用力,從沖天炮尾端的小孔洞(直徑約2-3 mm)噴出大量的高壓氣體,其強大的反作用力使得沖天炮向上推進,並發出「咻」的聲音。
此外,碳粉和硝酸鉀加入硫磺稱為火藥或黑火藥,這是早期常用的火藥配方,也常用於現在工業。硝酸鉀、硫磺和碳粉的燃燒反應也是氧化還原反應,產生氮氣和二氧化碳氣體,固體產物為硫化鉀,如反應式[2]所示:
2KNO3(s) + 3C(s) + S(s) → K2S(s) + N2(g) + 3CO2(g) + 熱量 [2]
火藥的成分配方之一:重量比為15:3:2的硝酸鉀、碳粉和硫磺,即硝酸鉀的重量佔75%,碳粉佔15%,硫磺佔10%。此配方的莫耳數比是否符合反應式[2]的係數比呢?何種成分是限量試劑?藉由化學計量,我們可以得知。已知硝酸鉀、碳和硫的莫耳質量分別為101.1、12.01和32.07 g/mol。假設沖天炮的火藥的重量有100 g,則硝酸鉀有75 g,碳粉15 g,硫磺10 g。三成分的莫耳數分述如下:
硝酸鉀的莫耳數 = 75 g / 101.1 g/mol = 0.74 mol
碳(碳粉)的莫耳數 = 15 g / 12.01 g/mol = 1.2 mol
硫(硫磺)的莫耳數= 10 g / 32.07 g/mol = 0.31 mol
硝酸鉀、碳和硫的莫耳數比 = 0.74 mol:1.2 mol:0.31 mol = 2:3.3:0.88
由於各家廠牌沖天炮的火藥成分配方不盡相同,如配方之二:硝酸鉀佔65-75%,碳粉佔15-20%,硫磺佔10-15%,因此產生氮氣和二氧化碳氣體的比例也有差異。假設火藥的重量有100.0 g,且各成分取中間值,則硝酸鉀有70.0 g,碳粉17.5 g,硫磺12.5 g。三成分的莫耳數分述如下:
硝酸鉀的莫耳數 = 70.0 g / 101.1 g/mol = 0.692 mol
碳(碳粉)的莫耳數 = 17.5 g / 12.01 g/mol = 1.40 mol
硫(硫磺)的莫耳數 = 12.5 g / 32.07 g/mol = 0.390 mol
硝酸鉀、碳粉和硫磺的莫耳數比 = 0.692 mol:1.40 mol:0.39 mol = 2:4.0:1.1
藉由計算得知,雖然上面兩種配方不同,但是硝酸鉀、碳粉和硫磺的莫耳數比很接近反應式[2]的係數比。再者,配方之一的限量試劑為硫(硫磺),配方之二的限量試劑為硝酸鉀。
透過文獻資料搜尋,我們亦可找到火藥燃燒的不同反應,如反應式[3]所示。
10KNO3(s) + 8C(s) + 3S(s) → 2K2CO3(s) + 3K2SO4(s) + 6CO2(g) + 5N2(g) + 685 kcal/kg [3]
此反應式產生的氣體與反應式[2]相同,但是反應式的係數比不相同。此反應每公斤火藥燃燒產生的熱有685 kcal,其體積膨脹因子(volume expansion factor)有5100倍之多,火藥的密度為約1.04 g/mL。火藥燃燒產生白色的煙霧是由固體產物碳酸鉀(K2CO3)和硫酸鉀(K2SO4)所造成的。火藥是所有炸藥中最安全的,對衝擊、摩擦或電火花不敏感。它必須透過加熱或火焰來點燃。濕氣會降低火藥的使用度,乾燥仍不能恢復其性能。
反應式[3]是火藥的代表性反應之一,實際的反應取決於火藥的成分比例、如何製備以及如何引爆。一項實驗研究顯示,火藥燃燒產生55.91%的固體產物、42.98%的氣體產物及1.11%的水。固體產物含有碳酸鉀、硫酸鉀、硫化鉀、硫、硝酸鉀、硫氰酸鉀(potassium thiocyanate)、碳、及碳酸銨,氣體產物含有二氧化碳、氮氣、一氧化碳、硫化氫(hydrogen sulfide)、氫氣、及甲烷。由此研究得知,火藥燃燒有殘留的反應物,並非完全燃燒。
沖天炮的爆炸區的主要成分為過氯酸鉀、碳粉、鋁粉和鋁鎂合金粉,過氯酸鉀(氧化劑)和碳粉(還原劑)是爆炸火藥的主要反應物,點燃後立即進行劇烈的氧化還原反應,產生大量的二氧化碳和熱量,如反應式[4]所示。鋁粉和鋁鎂合金粉是強而有力的閃光粉,鋁和鎂(還原劑)在過氯酸鉀(氧化劑)中燃燒會產生劇烈的白色強光,使沖天炮在爆炸時產生如同仙女棒的白色火花效果,如反應式[5]和[6]所示。
KClO4(s) + 2C(s) → KCl(s) + 2CO2(g) + heat [4]
3KClO4(s) + 8Al(s) → 3KCl(s) + 4Al2O3(s) + light [5]
KClO4(g) + 4Mg(s) → KCl(s) + 4MgO(s) + light [6]
爆炸區的氧化劑除了過氯酸鉀之外,有些配方含有氯酸鉀或過氯酸銨;還原劑除碳粉之外,還有蔗糖(C12H22O11)、葡萄糖(C6H12O6)或硫磺等,這些成分的反應都是氧化還原反應,分別如反應式[7]~[12]所示:
6KClO4(s) + C12H22O11(s) → 6KCl(s) + 12CO2(g) + 11H2O(g) + heat [7]
3KClO4(s) + C6H12O6(s) → 3KCl(s) + 6CO2(g) + 6H2O(g) + heat [8]
2KClO3(s) + 3C(s) → 2KCl(s) + 3CO2(g) + heat [9]
8KClO3(s) + C12H22O11(s) → 8KCl(s) + 12CO2(g) + 11H2O(g) + heat [10]
10KClO3(s) + 5C6H12O6(s) → 10KCl(s) + 30CO2(g) + 3H2O(g) + heat [11]
NH4ClO4(s) + 2S(s) → NH4Cl(s) + 2SO2(s) + heat [12]
在氧化劑與還原劑的挑選上,氯酸鉀不能與硫磺混合使用,因為硫氧化後會產生硫酸和亞硫酸,硫酸會與氯酸鉀反應產生氯酸(HClO3),高濃度的氯酸很不穩定,容易發生自身氧化還原反應,產生過氯酸(HClO4)和亞氯酸(HClO2)。若過氯酸鉀與硫磺混合使用,則兩者會直接反應而產生過氯酸。
n 鞭炮的內部結構及其運作原理(物理和化學原理)
早年鹽水蜂炮的節慶活動使用鞭炮,雖然目前仍然在使用,但是被蜂炮(沖天炮)的聲名大噪所掩蓋。在成分上,鞭炮和沖天炮最大的差異在於鞭炮不需要推進用的火藥,只需要產生爆炸的火藥即可;在構造上,鞭炮的火藥處在近乎密閉系統裡,沖天炮的孔洞開口則較大。
爆竹的火藥配方為硝酸鉀佔66.6%、硫磺佔16.6%及碳粉佔16.8%;有些配方為硝酸鉀佔75%、硫磺佔10%、碳粉佔15%;有些爆竹的成分含有強氧化劑氯酸鉀或過氯酸鉀;有些鞭炮含有丹紅(四氧化三鉛),主要用來當作氧化劑和催化劑。單一鞭炮的結構是在硬紙筒中緊密地放入火藥,兩端用泥土或其它粘著劑封閉,一端用易燃的薄紙包裹火藥當作內部引線,封閉是為了確保火藥燃燒後產生的熱氣體能被密封在硬紙筒中。然後,多個爆炮兩兩一對用內部引線串接起來,再用外部引線接起來。鞭炮的外部構造如圖7所示,其內部構造如圖8所示。
圖7:鞭炮的外部構造,主要含有多個爆竹筒、內部引線和外部引線
圖8:鞭炮的內部構造(切開圖),主要含有黏土和火藥
鹽水蜂炮節慶使用的鞭炮大多為長串鞭炮,以分散或集中方式大量地舖在地面上,點燃的爆炸聲音十分震耳且威力非常強大,震撼力十足,如圖9所示。長串型鞭炮也常用在廟宇或一般節慶上。
圖9:鹽水蜂炮節慶也使用長串鞭炮
(圖片來源:Steve, Flickr, https://www.flickr.com/photos/64525258@N00/5455831477/in/datetaken/.)
當鞭炮的火藥被引線點燃後,碳粉或硫磺(還原劑)在硝酸鉀、氯酸鉀或過氯酸鉀(氧化劑)的助燃下,反應非常劇烈,瞬間產生出大量的氮氣和二氧化碳等氣體,這些氣體被困住在炮筒中而無法排出,以致內部產生高壓,足以脹破炮筒而突然爆裂,引起空氣劇烈動盪,產生爆炸聲。鞭炮火藥的燃燒反應,與前面提到的沖天炮火藥略同,均為氧化還原反應,如反應式[2]~[4]和[9]所示。
n 結語
鹽水蜂炮原本是一項宗教的節慶活動,早期以燃放鞭炮為主,經過多年的演變,近年來以施放沖天炮為主。就鞭炮和沖天炮的成分和結構觀之,兩者最大的差異在於鞭炮不需要推進用的火藥,只需要產生爆炸的火藥即可,沖天炮的火藥則分為推進區和爆炸區;再者,鞭炮的火藥處在近乎密閉系統裡以致無法釋放氣體,沖天炮的孔洞開口則有小洞口而可以釋放氣體。
無論是沖天炮或是鞭炮的火藥,以化學的觀點,其成分燃燒都進行激烈的氧化還原反應,產生氮氣和二氧化碳等氣體,並隨伴放出大量的熱量,而且引線的燃燒也可以用來氧化還原反應說明。以物理的觀點,沖天炮向上推進可以依據牛頓力學中第三運動定律—作用力等於反作用力來詮釋,鞭炮的爆破可以用壓力來說明。事實上,鹽水蜂炮不僅是宗教節慶的活動,而且是涉及作用力、反作用力、壓力、聲音、火藥、化學成分、氧化劑、還原劑、催化劑、氧化還原反應、燃燒、爆炸、化學計量、限量試劑、不完全燃燒、密閉系統和開放系統等物理和化學概念,很適合用於中學自然科和社會科跨領域的鄉土教學。
n 參考資料
1. 鹽水蜂炮,維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/鹽水蜂炮。
2. 爆竹,維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/爆竹。
3. 臺灣慶元宵-鹽水蜂炮,中華民國交通部觀光局,http://www.eventaiwan.tw/cal/cal_16943。
4. 民俗廟會-鹽水蜂炮,臺灣節慶,僑委會,http://media.huayuworld.org/local/web/chinese/temple/content6.htm。
5. Flash! Bang! Whiz! https://mysite.du.edu/~jcalvert/phys/bang.htm.
6. Visco_fuse, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Visco_fuse.
7. Fuse (explosive), Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Fuse_(explosives).
8. Rocket (firework), Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_(firework).
9. The Chemistry of Black Powder, http://crescentok.com/staff/jaskew/TAH/projects/chemistry/HSchem.htm.
10. Gunpowder, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Gunpowder.
11. Gunpowder Explosion Stoichiometry and Gunshot Residue (GSR), ChemPRIME, http://wiki.chemprime.chemeddl.org/index.php/Gunpowder_Explosion_Stoichiometry_and_Gunshot_Residue_(GSR).
12. Firecracker, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Firecracker.