臺灣的節慶與化學

楊水平

國立彰化師範大學化學系
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n  節慶及其類型

節慶或節日（Festivals）是指各民族、國家、地區和社區重要的或特殊的活動，慶祝或紀念獨特的傳統事件，通常被當作當地或國家的假期或假日（holiday）。有的節慶源自於宗教，例如基督教國家的聖誕節；有的源自於對某人或某件事件的紀念，例如各國的國慶日等；還有國際組織提倡的運動的節日，例如勞動節、婦女節和母親節。圖1為美國猶他州色彩侯麗節（Holi Festival of Colors）的慶祝活動。

圖1：美國猶他州2013色彩侯麗節的慶祝活動

（圖片來源：Steven Gerner, Flickr, https://www.flickr.com/photos/58706190@N04/8629531100.）

世界上的節慶或節日通常以宗教為焦點，但有些源自於民間傳說，或與農業有關。最重要的西洋宗教節日，包含聖誕節（Christmas），光明節（Hanukkah），排燈節（Diwali）和宰牲節（Eid al-Adha）。許多的節慶與農業和食品的收割時間有關，是慶祝季節變化和豐收，如豐年祭（harvest festivals），如圖2所示。有些節慶是歷史的事件，如重要的軍事勝利。有些則是宗教紀念和感恩豐收混在一起，例如在北半球的萬聖節和在南半球的復活節。在古希臘和羅馬時代，農神節（Saturnalia）是社會組織和政治進程以及宗教有關而緊密聯繫在一起的活動。到了現代，節慶或節日是吸引觀光客去參加較為奇特的或有歷史的活動。現在的節慶或節日經常與假期或假日相混淆，事實上多數節慶或節日並非法定假期或假日。

圖2：花蓮縣瑞穗鄉富源村拉加善部落阿美族豐年祭

（圖片來源：HALA2009, Flickr, https://www.flickr.com/photos/hala2009/9620855757/.）

一般節慶或節日依類型分為宗教節（religious festivals）、藝術節（arts festivals）、食品和飲料節（food and drink festivals）、季節和豐收節（seasonal and harvest festivals）、以及科學節（science festivals）。在這些節慶中，食品和飲料節以及科學節與科學或化學最有關連。節慶或節日依主題分類，大致有國際動畫節、電影節，如大眾所熟知的電影金馬獎、重金屬音樂節、熱氣球節，如台東熱氣球節、即興戲劇節、風箏節、音樂節，如墾丁春天吶喊和貢寮搖滾音樂節、歌劇節、電視節，如電視金鐘獎、戲劇節、葡萄酒節（wine festivals），很多歐美國家有此活動和比賽，如圖3所示、啤酒節（Oktoberfest），如慕尼黑啤酒節、以及科學節，如英國劍橋科學節。這些節慶以葡萄酒節、啤酒節及科學節涉及化學領域的內涵最多。

圖3：哈羅葡萄酒節（Haro Wine Festival）是在西班牙北部哈羅鎮的節日，葡萄酒從水桶倒對方，參與者的衣服呈現粉紅色

（圖片來源：Haro Wine Festival, http://en.wikipedia.org/wiki/Haro_Wine_Festival.）

n  節慶與化學的關連

每年的葡萄酒節主要在九月底到十月在世界各地的葡萄酒產區舉行，以慶祝葡萄豐收，是一種豐年祭的傳統活動，特別在德國、法國、義大利、匈牙利、美國、加拿大等甚為流行。最古老的酒文化發生在古埃及，酒的釀造知識從那裡沿著地中海傳遞到今日的以色列、土耳其和希臘，到達伊特魯里亞和羅馬。雖然以前葡萄酒節在酒莊裡品嚐葡萄酒，但是現在通常伴隨著當地的食物和音樂。利用葡萄生產葡萄酒，在人類歷史上已經成為比食物或飲料更有意義的部分，它不但味道濃郁又富含營養，而且象徵宗教和文化的意涵，葡萄酒節體現人類的文明象徵。

葡萄酒是用葡萄果實或葡萄汁釀製的酒精飲料，葡萄糖經過發酵變成乙醇和二氧化碳，在發酵過程不添加蔗糖、氨基酸、酶、水或其它營養物質。葡萄酒釀造過程大多是先去梗和壓榨，然後裝果汁、果肉、果核和果皮到發酵桶中發酵，如圖4所示。發酵桶先用低劑量的二氧化硫處理，以防止微生物感染。另外一種釀酒方法為二氧化碳浸軟法，它是用未擠破的葡萄進行發酵，在發酵桶中，上層的葡萄的重量壓破下層的葡萄，讓葡萄自然發酵，發酵產生的二氧化碳因密度較大之故，便可分隔上層的葡萄與空氣。這種方法釀造的葡萄酒有上好的顏色和果香，而且單寧酸的含量極低。

圖4：葡萄酒釀造過程先去梗和壓榨（左）和紅色葡萄酒（右）

（圖片來源：Wine, http://en.wikipedia.org/wiki/Wine.）

啤酒節是提供各種啤酒（還有其他酒精飲料）給參與者品嚐和購買的有組織活動。通常啤酒展（beer exhibition）與啤酒節是同義字，但啤酒節涉及的範圍是有限的啤酒風格或製造商，重點放在娛樂。啤酒展著重於採樣或品嚐各種不同風格的啤酒，在啤酒釀造知識和手藝方面。國際啤酒節日（International Beer Day, IBD）於2007年在美國加州聖克魯斯成立，每年八月的第一個星期五舉行，此節日已經從一個本地化的小活動變成美國西部甚至成為一個世界性的慶祝活動，遍及207個城市，50個國家和6大洲。圖5為倫敦GBBF啤酒節盛況。

圖5：倫敦GBBF啤酒節盛況

（圖片來源：Beer festival, http://en.wikipedia.org/wiki/Beer_festival.）

啤酒又稱為液體麵包，釀造啤酒是使澱粉源（通常是大麥麥芽）先轉換成含糖液體的麥汁，然後利用酵母發酵麥汁，轉化為酒精飲料的啤酒。釀造啤酒的第一個步驟為澱粉源與熱水混合，形成甜麥汁。首先碾碎的麥芽與熱水混合，製成混合液。澱粉的糖化過程需時1到2小時。然後甜麥汁從麥糟中被濾出，傳統的麥汁分離方式是以麥芽的皮與殼作為自然的濾層。麥汁經過煮沸然後冷卻後形成苦麥汁，即可添加酵母，這個過程可加強酒花香味並過濾酒花糟。發酵的過程大約需時一星期至一個月，產生乙醇和二氧化碳。酵母在發酵結束時會沉澱至溶液的底層，得到清澈的啤酒。發酵時間長短依酵母種類與啤酒濃度而定。大多數的啤酒利用加入啤酒花而形成獨特苦味並有防腐作用，也有啤酒添加香草或水果等改變風味。

科學節（Science festivals）是展示科學和技術的節慶，預期與藝術或音樂節有相同新鮮度和風格的節日。科學節的活動源自於1989年4月在英國愛丁堡舉行的第一個科學節。創辦之前，各方反應不一，一些機構懷疑是否科學可以用藝術形式來包裝。由於愛丁堡科學節的成功發展，英國科學會把它變成現在的英國科學節（British Science Festival），也導致世界其他許多地方發展科學節。歐洲科學活動學會（European Science Events Association），於2001年成立歐洲科學節，目前36個國家加入，大約有100個組織。

科學節設有各項活動，其核心內容是科學和技術，包括講座、展覽、工作坊、實驗示範、導遊及小組討論，有些科學活動結合音樂、藝術或歷史，大部分的科學節包括動手活動。科學節旨在發揮重要的且非正式的中學科學教育，有許多活動針對學生和／或教師，例如工作坊和科學表演，在區域學校舉辦，活動貫穿整年。目前，臺灣還沒有舉辦科學節。

英國劍橋科學節（Cambridge Science Festival）為公眾提供機會去探索和討論科學的興趣和關切的問題，並鼓勵年輕人考慮科學、技術、工程或數學當作他們的事業，大部分的活動是免費的。每年有超過30,000人次參加250個以上的活動，170個以上的協調員舉辦講座、互動示範、動手活動、電影放映和辯論，約1,000名員工和學生提供協助，超過150人擔任志工，如圖6所示。此節慶有很多的國家和地方媒體報導。在美國也劍橋科學節，在麻省理工學院舉行，這是美國的第一個科學節，是展示MIT在科學、技術、工程和數學的領先優勢之慶祝活動。此節慶的主旨是科學可親近的、互動又有樂趣！

圖6：英國劍橋科學節的宣傳海報（左）和慶祝活動一隅（右）

（圖片來源：dullhunk, flickr, https://www.flickr.com/photos/dullhunk/4380941207/; Cambridge Science Festival, http://www.cambridgesciencefestival.org/GetInvolved/Participate/RobotZoo.aspx.）

n  臺灣的節慶

臺灣的傳統節慶大多在節氣轉換的時間或是一個月的特殊時間，以農曆為基準，包括：俗稱過新年的春節，一年復始萬象更新、正月初九為天公生，玉皇上帝的千秋聖誕、正月十五日為元宵節，也稱為燈節、約在陽曆四月四或五日的清明節，亦為掃墓的節日、五月五日為端午節，夏日將至的節候、七月七日為七夕，東方情人節、七月十五為中元節，農作物收成後祭謝土地和祖先、八月十五日月圓的中秋節，吃月餅並烤肉、九月九日為重陽節，長久長壽之意、十月十五日為下元，敬獻天地和水三官大帝、十一月的冬至，一年之中白天最短的一天、一年最後一次牙祭為尾牙，拜謝的土地公、在年底的除夕，謝恩並準備過新年。

臺灣的傳統節慶方面，還有依照神明誕辰或特殊節氣的活動，例如：迎媽祖、搶孤、賽豬公及燒王船。由於臺灣廟宇遍佈各地，宗教活動的興盛，舉凡神佛誕辰、建醮祭祀或安靈祈福，會舉行熱鬧的廟會活動，而王爺與媽祖是台灣最重要也最普遍的民間信仰神祇，其主要的祭典活動大多為出巡遶境、設宴酬神、陣頭表演、藝陣遊行或過火（firewalking）儀式、燒王船等。農曆三月二十三日是媽祖的誕辰，每年在誕辰之前，民間主祀媽祖的廟宇會舉行盛大的祭典及遶境活動，藉以祈求平安，以大甲媽祖遶境進香和白沙屯媽祖進香最為著名，兩者被指定為「國家重要無形文化活動資產」。圖7為廟宇過火儀式前灑鹽及抬神轎過火。

圖7：廟宇過火儀式前灑鹽（左）及抬神轎過火（右）

（圖片來源：Yi-Lin Hsieh, flickr, https://www.flickr.com/photos/tragicomedy1979/sets/72157610551678220/.）

在新興節慶方面，包括臺灣燈會、平溪天燈、臺東炸寒單、臺南鹽水蜂炮、臺北燈節及高雄燈會等，已成為觀光客喜愛的臺灣節慶。美國Discovery頻道「世界美妙節慶（Fantastic Festivals of the World）」節目，2008年2月曾經來臺灣製作Lantern Celebrations Taiwan專輯，極力推薦臺灣燈會為世界最佳節慶活動之一，如圖8所示。元宵節放天燈是台灣代表性的文化節慶活動之一，平安祈福的象徵，成為重要的民俗活動。在Escape Normal網站中，平溪天燈名列世界50大節慶（50 Greatest Festivals in the World）中的第九名，人們在天燈上寫自己的期許，然後集體地釋放到天空，創造一群天燈漂浮在空中的美麗景象。鹽水蜂炮也是台灣元宵節著名的民俗活動，蜂炮是由許多沖天炮放置在蜂巢結構中所組成的發炮台，點燃時萬炮齊發，非常壯觀，有如蜂群傾巢而出，故稱蜂炮，如圖9所示。中秋節的活動大多與月亮有關，主要活動為拜月娘、走月亮、吃月餅等。烤肉活動則是近來中秋節興起的活動，在明亮的月光下與家人朋友齊聚一堂，有團圓的意義。元旦也稱為新年、國曆新年，西曆的1月1日，也是世界多數國家地區的法定假日，慶祝方式因各地民情而有所不同，臺灣的元旦以施放跨年煙火最為常見，以101大樓跨年煙火馳名於世，如圖10所示。

圖8：2013年臺灣燈會蛇年主燈（左）和燈會一隅（右）

圖9：萬炮齊發的鹽水蜂炮

（圖片來源：Vincent Chien, flickr, https://www.flickr.com/photos/bravesheng/6840511965/.）

圖10：2014年101跨年煙火

（圖片來源：MY LIU, flickr, https://www.flickr.com/photos/gaigai25/11672139145/.）

台灣各地大約有一百五十幾項的原住民祭典，依據各族的祖傳習俗，分別以定期或不定期在原住民部落舉行。原住民的祭典節慶反映出各族的宗教信仰和生活型態的差異，大多以豐年祭、祖靈祭、成年祭及狩獵祭為主，以感恩、祈福、凝聚族人向心力為輔。

n  結語

臺灣除原住民各族保存其特色的節慶外，在不同時代有不同移民，在臺灣海島長期生活下，新舊移民不但保存傳統節氣的文化風格，而且適應臺灣的自然環境形成一些新興節慶。這種非日常性的節慶如同歐美的festival。從傳統節慶和新興節慶的活動中，吾人可以清晰地看到台灣人民的信仰、藝術和人文的多元面貌，也傳達了台灣民間信仰的價值觀。

本期專題「臺灣的節慶與化學」，我們試圖以科學和化學的角度，深入地詮釋臺灣節慶中的平溪天燈、臺灣燈會、101跨年煙火、廟宇過火儀式及鹽水蜂炮所涉及的科學原理和化學原理。

n  參考資料

1.          Festival, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Festival.

2.          節日，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/節日。

3.          Wine festival, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Wine_festival.

4.          葡萄酒，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/葡萄酒。

5.          Wine, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Wine.

6.          Beer Festival, http://en.wikipedia.org/wiki/Beer_festival.

7.          International Beer Day, http://en.wikipedia.org/wiki/International_Beer_Day.

8.          啤酒，維基百科，http://zh.wikipedia.org/啤酒。

9.          Beer, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Beer.

10.      Science festival, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Science_festival.

11.      Cambridge Science Festival, University of Cambridge, http://www.cam.ac.uk/science-festival/about-the-festival.

12.      Cambridge Science Festival, Massachusetts Institute of Technology, http://www.cambridgesciencefestival.org/Home.aspx

13.      傳統節慶，中華民國國情簡介，文化部，http://www.ey.gov.tw/state/News_Content3.aspx?n=6A1DF17EC68FF6D9&sms=948E2595995D4CBA&s=AA8FC7B656DC7B32。

14.      傳統節慶，交通部觀光局，http://taiwan.net.tw/m1.aspx?sNo=0001020。

15.      台灣節慶，僑委會，http://media.huayuworld.org/local/web/Chinese/about.htm。

16.      Chinese New Year: Origins of the Lantern Festival, about.com, http://chineseculture.about.com/od/chinesefestivals/a/Chinese-New-Year-Origins-Of-The-Lantern-Festival.htm.

17.      50 Greatest Festivals in the World, Escape Normal, http://www.escapenormal.com/2011/03/29/50-greatest-festivals-in-the-world/.

臺灣的節慶與化學：平溪天燈

陸冠輝

國立台中高級工業職業學校化工科
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n  天燈的歷史

天燈又稱為孔明燈，最普遍的起源傳說是以三國為背景，劉備為了尋找一位智勇雙全的軍師，而與臥龍諸葛孔明結緣，而當時孔明發現自己的氣數已將盡，因此將竹框糊上紙並點燃，利用熱氣上升原理使其升空，不但安定了軍心，也使得敵軍看到了也不敢輕舉妄動，這就是最早的天燈起源。

另外，也有傳說天燈是諸葛孔明在征伐南蠻之時，為了要由城內向外傳遞軍情所發明的，後來也有人說，因為天燈的形狀很像是孔明在指揮作戰時所戴的帽子，所以這也是孔明燈的由來。

又有傳說是民眾要躲避盜匪，在山區避難的村民互報平安所施放的信號，因此天燈又稱為祈福燈。在日據時代，日軍佔領台北平溪十分寮地區，民眾紛紛跑到山中避難，同樣以天燈為信號，後來發展成施放天燈用來祈求平安，所以天燈也稱為平安燈。

n  平溪天燈的由來

天燈在台灣新北市平溪區十分地區的由來因時代久遠而眾說紛紜。有人說是孔明的後代為了不忘先祖，而在每年元宵節的前後施放天燈，用以感懷先祖。另外，也有十分地區的老前輩口述說，在清道光年間，當地居民地處偏僻山區，為了逃避盜匪的侵害而避難於山中，等待危機過後，就用天燈為信號，通知村民可以下山返家。後來，放天燈的儀式保留下來，用來慶祝並向鄰村的居民報平安，由於天燈的升空，有上達天聽的意義，村民們常將祈福、許願的詞句寫在天燈上，等到農曆年正月十五的元宵節施放天燈，將一年所想的願望，讓上天眾神保佑。每年元宵節，平溪天燈的活動規模漸大，也讓平溪天燈在台灣並列為「北天燈，南烽炮，東寒單」三大民俗之一的美名，成為地方民俗，具有祈福納喜的象徵，如圖1所示。

圖1：台灣平溪天燈節施放天燈

（圖片來源：Wudy老師，http://www.kphoto.com.tw/front/bin/ptdetail.phtml?Part=new353）

n  天燈的製作和施放

天燈的製作大多以純手工進行，很難以機械化方式進行量產。其燈體的材料以棉紙或薄宣紙主，而削成細長形的條狀竹片，以綠竹和桂竹兩種彈性最好，其長度由天燈的圓周大小而定。底座所用的鐵絲，其長度和粗細也依天燈的大小而定。最後，油紙是以拜拜用的金紙為主，並用煤油或沙拉油加以浸泡，這也是天燈施放，升空的動力來源。然而為了方便遊客，販售的天燈皆為製作成品，有些以固體燃料當作燃料，遊客只須挑選喜愛的形式和顏色，即可帶至欲施放的地點。

天燈要施放時，要先準備幾張金紙浸泡於煤油或沙拉油中至完全浸油狀態，或直接用固體燃料，並在天燈上書寫一些祈願話語或加以彩繪。施放時最好三人一組，固定浸泡後的金紙或固體燃料在底座的鐵絲中央，並將金紙弄散以便充份燃燒。接著由兩人提起燈頭的四個角，另一人負責點燃油紙，最後放置天燈底部在地面上。當燃燒的熱空氣充滿在天燈的內部時，天燈就會隨即升上天空。

天燈的油紙或固體燃料的燃燒時間大約為五至六分鐘、其高度可升至五、六百公尺，施放時應在空曠且附近上空沒有電纜線等物的地方較佳，風力太大以及下雨時也要避免施放，以避免升高時會產生失敗的現象。最好由有經驗的師傅協助，若自行施放，易發生危險，應注意安全。

n  原理和概念

燃料、燃燒反應與熱值

煤油（Kerosene）是施放天燈時最常的和傳統的燃料，它是從石油分餾時，在160~300℃時所取得的烴類（hydrocarbons），它的密度約為0.78~0.81 。由於它是一種混合物，其每一分子的碳數約6~16個，而煤油芳烴類（aromatic hydrocarbons）含量適中，硫含量低，燃燒充分、火眼穩定、不會冒黑煙，不結火花，無明顯臭味，對環境污染小。煤油的燃燒熱類似於柴油，其低熱值（LHV）是43.1 MJ/kg，而其高熱值（HHV）是46.2 MJ/kg。

以煤油中的十二烷和十二烯為例，其燃燒反應如式[1]和[2]所示：

2C₁₂H₂₆(g) + 37O₂(g) → 24CO₂(g) + 26H₂O(g)   [1]

C₁₂H₂₄(g) + 18O₂(g) → 12CO₂(g) +12H₂O(g)    [2]

以十二烷為例，假設天燈施放一次使用16 g的煤油，以其低熱值計算，其燃燒放出的熱量：

16 g × 43.1 MJ/kg = 16 g × 43.1 × (10⁶ J / 10³ g) = 690 × 10³ J = 690 kJ

燃燒產生的690 kJ熱量是煤油由化學能轉成熱能，是天燈升空的動力來源。

十二烷和二氧化碳的莫耳質量分別為170.34 g/mol和44.01 g/mol，16 g的十二烷燃燒所排出的CO₂的重量：

16 g / 170.34 g/mol × (24/2) × 44.01 g/mol = 50. g

近幾年市售天燈施放的燃料也用固態燃料（solid fuel）塊，其原料為六亞甲基四胺（hexamethylenetetramine, hexamine, or methenamine），有時與1,3,5-三聚甲醛（1,3,5-trioxane）混合。六亞甲基四胺的分子式為C₆H₁₂N₄，其莫耳質量為140.19 g/mol，其高熱值為30.0 MJ/kg；1,3,5-三聚甲醛的分子式為C₃H₆O₃，其莫耳質量為90.08 g/mol。六亞甲基四胺和1,3,5-三聚甲醛的燃燒反應如式[3]和[4]所示：

C₆H₁₂N₄(s) + 14O₂(g) → 6CO₂(g) + 2N₂O₅(g) + 6H₂O(g)   [3]

2C₃H₆O₃(s) + 9O₂(g) → 6CO₂(g) + 6H₂O(g)    [4]

雖然固態燃料燃燒時不會見到煙霧及灰燼，但是其產物含有五氧化二氮，它是硝酸的酸酐，長時間空氣中的水蒸汽反應（水解）而產生硝酸，其反應如式[5]所示。硝酸在雨中會造成酸雨。

N₂O₅(g) + H₂O(g) → 2HNO₃(l)    [5]

以固態燃料的原料是六亞甲基四胺為例，假設天燈施放一次使用16 g的固態燃料，以其高熱值計算，其燃燒放出的熱量：

16 g × 30.0 MJ/kg = 16 g × 30.0 × (10⁶ J / 10³ g) = 480 × 10³ J = 480 kJ

燃燒產生的480 kJ熱量是固態燃料由化學能轉成熱能，是天燈升空的動力來源。

天燈含內部氣體的密度

「熱」就是氣體分子運動時所需具有的「能量」，當分子運動愈快時，其所需要的「能量」就愈多。亦即，當一種氣體加熱時，它裡面的分子因吸收較多的能量，而使得分子的運動變快，分子間的距離愈來愈大，相對地氣體的體積愈來愈大，而產生膨脹現象。由於氣體分子的質量不會因為溫度的升高而有所改變，因此相同質量的氣體在受熱膨脹後，其密度也就因此變小了。

若空氣視為理想氣體，其成分主要由78.89%的氮氣（N₂）及20.95%的氧氣（O₂）所組成，則空氣的平均分子量為：

28.01 g/mol × 78.89% + 32.00 g/mol× 20.95% = 28.80 g/mol

除氮氣和氧氣之外，空氣還含有其他氣體。實際上，空氣的平均分子量為28.97 g/mol。

根據理想氣體定律方程式，如式[6]所示：

P × V = n × R × T    [6]

其中P為氣體的壓力，V為氣體的體積，n為氣體的莫耳數，R為氣體定律常數，T為絕對溫度。

另外，氣體的莫耳數（n）可用其質量與莫耳質量來表示如式[7]所示：

n = W / M    [7]

其中W為氣體的質量，M為氣體的分子量。

由上面式[6]和[7]可導出式[8]：

P × V = n × R × T = (W / M) × R × T    [8]

此外，氣體的密度（d）是氣體的質量（W）與其體積（V）的比值：

d = W / V    [9]

由上面式[8]和[9]可導出式[10]：

P × M = d × R × T    [10]

由式[10]得知，氣體的密度隨溫度和壓力而改變。

在溫度20℃、壓力爲1 atm時，計算空氣的密度如下：

1 atm × 28.97 g/mol = d × 0.0821 atmžL/molžK × (273 + 20)K

d = 1.16 g/L = 1.16 kg/m³

在溫度200℃、壓力爲1 atm時，計算空氣的密度如下：

1 atm × 28.97 g/mol = d × 0.0821 atmžL/molžK × (273 + 200)K

d = 0.746 g/L = 0.746 kg/m³

我們也可以利用Gas Density Calculator，簡單地設定參數而得到空氣的密度，假設施放天燈的大氣壓力為760 mmHg，空氣密度的整理數據如表1所示，表1顯示當空氣的溫度愈高時，其密度是愈小。

表1：空氣的溫度與密度的關係 

接著，我們視天燈的形狀為圓錐台（circular truncated cone），圓錐台的體積（V）為：

     [11]

此處h為圓錐台的高，r和R為圓錐台的上下面的半徑。

我國《天燈施放作業指導要點》規定，天燈最大尺寸，設定為底座直徑60公分、高度130公分、外圍360公分。在此，我們以一個天燈底部直徑為40 cm、高為106 cm、頂部直徑為60 cm，且其重量為70 g（含一顆16 g的固體燃料塊）為例，此天燈的體積：

V = (1/3)(π × 106 cm) × [(60 cm / 2)² + (40 cm / 2)² + (60 cm / 2) × (40 cm / 2)]

V = 210000 cm³ = 210 L

以一個體積為210 L的天燈為例，由表1可知，當加熱至200℃時其密度為0.746 g/L，假設天燈內的氣體為空氣（實際上含有二氧化碳和水蒸氣或其他物質），此氣體的重量：

210 L × 0.746 g/L = 160 g

此天燈本身的重量和天燈內部燃燒氣體的重量之和：

160 g + 70 g = 230 g

此天燈含燃燒氣體的總密度：

= 1.1 g/L

在200℃時天燈含燃燒氣體的總密度為1.1 g/L，比在20℃時空氣的密度1.204 g/L為小。密度小者往上移動，因此，天燈的內部氣體在200℃時，天燈會往上升。

以此天燈為例，天燈的內部要達到多高的溫度才會上升或低於多少的溫度才會下降呢？我們可先設天燈的內部氣體的重量為x g，然後知道其氣體密度，再查表1而得知。

天燈的內部氣體的重量為x g，

= 1.204 g/L，x = 182 g

天燈內部氣體的密度： = 0.87 g/L

查表1得知，空氣在130℃時的密度為0.876 g/L，當天燈內部的溫度稍高於130℃，天燈會上升；低於此溫度時天燈會下降。

浮力對抗重力

天燈升空的原理也可以用「阿基米德原理（Archimedes' principle）」來詮釋，其原理說明如下：當物體浸在某液體中時，其密度大於液體密度者會下沈，而其密度小於液體密度者會上浮。同時，物體在液體中的重量會比在空氣中的重量為輕，而減輕的重量等於該物體所排開的液體重量，這就是物體所受的「浮力」。阿基米德原理又稱浮力定律，定律為：物體在流體（液體或氣體）所受浮力的大小，等於被物體排開流體的重力。

天燈內熱空氣的密度比外面冷空氣的密度小，因此根據阿基米德原理的應用，它會產生「浮力」作為其上升的動力，當此浮力大於天燈本身的重力時，便可順利升空。當天燈持續升空時，高空的溫度較低，使得高空的空氣密度會變大，若天燈仍有熱源的支持，則天燈所受浮力會變大，而讓天燈加快升空的速度。

然而，浮力的大小與天燈體積、熱源的供應所造成的密度差有著極密切的關係。亦即浮力是天燈體積與受熱前後密度差的乘積。究竟需要多大的浮力，才能使天燈升空呢？我們透過圓錐台的體積來計算出其天燈的浮力大小。

以上面的天燈為例，天燈的形狀以圓錐台（circular truncated cone）體積視之，得到其體積為210 L。由表1可知，在20℃時的空氣密度重量為1.204 g/L，當加熱至200℃時其密度為0.746 g/L。

在20℃時，天燈內的空氣重量為：1.204 g/L × 210 L = 253 g。

當天燈內的空氣加熱到200℃時，空氣的重量變為：0.746 g/L × 210 L = 157 g。

由此兩不同的空氣的重量之差，可知產生的浮力為253 g – 157 g = 96 g。因此製作天燈的材料總重量只要小於96 g，就可以使天燈順利升空。此處產生浮力有96 g，大於天燈總重70 g，因此天燈可以升空。

圖2顯示若天燈內的空氣所產生的浮力大於天燈本身的重力，則天燈會升空；若所產生的浮力等於重力，則天燈會保持平衡，不上升也不下降；若天燈內的熱源減弱或消失，其產生的浮力小於重力，天燈會降落。

圖2：天燈的升降對浮力與重力的關係

n  結語

平溪天燈節慶活動在每年元宵節的前後施放，原本用以感懷先祖，後來成為地方民俗，具有祈福納喜的象徵。天燈是一個底部開口的紙製氣囊，開口處放置燃料，藉由燃燒反應使燃料的化學能轉變成熱能。透過熱能加熱氣體，使氣體膨脹，而排除熱氣體到天燈的外面，導致天燈內部氣體的密度下降。當天燈本身的重量及內部熱氣體的重量之和與天燈體積之比值小於當時的空氣密度時，天燈會上升。若其比值大於當時的空氣密度時，則天燈無法上升或天燈會下降。天燈升空的原理也可以用「阿基米德原理」來詮釋，當天燈內部的氣體加熱，導致其氣體的重量減少而產生浮力。若產生的浮力大於天燈本身的重力，則天燈會上升。若產生的浮力等於天燈本身的重力，則天燈會漂浮在空中。若產生的浮力小於天燈本身的重力，則天燈不會上升或下降。天燈能夠冉冉上升，其實涉及化學和物理的原理。

n  參考資料

1.          Kerosene, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Kerosene.

2.          Heat of combustion, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Lower_heating_value#Lower_heating_value.

3.          Hexamine fuel tablet, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Hexamine_fuel_tablet.

4.          Gas Density Calculator, YEROC.US, http://yeroc.us/calculators/gas-density.php.

5.          探討「自然與生活科技」的教學設計－以天燈為例，http://ir.lib.ntnu.edu.tw/ir/retrieve/29067/ntnulib_ja_E0201_4102_032.pdf.

6.          願望之翼 ― 天燈飛行之探討，http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/43/pdf/c/080101.pdf.

7.          Physic behind sky lanterns, http://www.instructables.com/id/Physic-behind-sky-lanterns/?ALLSTEPS.

8.          Sky Lantern, http://wandering-taiwan.blogspot.tw/2009/09/sky-lantern.html?m=1.

9.          Sky lantern, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sky_lantern.

10.      Hot Air Balloon Physics, http://www.real-world-physics-problems.com/hot-air-balloon-physics.html.

11.      How Hot Air Balloons Fly, https://www.brisbanehotairballooning.com.au/faqs/school/105-how-hot-air-balloons-fly.html.

12.        An Introduction to Air Density and Density Altitude Calculations, http://wahiduddin.net/calc/density_altitude.htm

臺灣的節慶與化學：台灣燈會

鄭玉鉦

工業技術研究院量測技術發展中心（退休）
元彩太工作室
[email protected]

 n  燈籠的歷史

燈籠是一種相當古老的照明設備，在古埃及便已出現。中國可能是最早使用燈籠的文明古國之一，其燈籠樣式與使用習慣與鄰近的國家也有些不同。傳統中國式的燈籠主要由紙或絹作為燈籠的外表皮，骨架通常使用竹或木條製作，燈籠裡面放上蠟燭，點燃蠟燭也可以做為照明工具。在許多廟宇裡，燈籠是相當常見的照明裝飾用。現今燈籠在中國、韓國、日本和越南常被視作的一種收藏與欣賞的傳統民間工藝品。近代則以電燈、日光燈、乃至LED燈取代傳統的蠟燭，如圖1所示。

圖1：2012年台灣燈會用電燈和LED燈取代傳統的蠟燭

在華人社會中，年節慶典時都會使用燈籠，特別是過年、元宵節和中秋節三大節日。除了慶典或廟宇使用外，在許多街頭小吃攤也有掛紅燈籠取代招牌，以吸引食客的目光。

n  台灣燈會的由來

交通部觀光局為慶祝元宵節（農曆正月十五），將傳統民俗節慶燈會推廣至國際。故自1990年起結合民間及地方政府資源，開始辦理大型燈會活動。

燈會開始是臺北燈會，每年舉辦一次，成為臺灣重要燈會活動之一。臺北燈會場地在臺北市中正紀念堂，從2001年開始改為全國各地巡迴舉辦的臺灣燈會，由各縣市角逐主辦權，因此各縣市鄉土民情與花燈、主燈配樂的結合逐漸成為一大特色。例如於宜蘭縣舉辦時，主燈配樂即以午後雷陣雨聲為開頭；嘉義之配樂則融入高山青等名曲。

從2003年開始與日本Yosakoi祭典雙向交流，日本團體參與臺灣燈會踩街街舞活動與開燈表演，臺灣團體則參加北海道Yosakoi祭典。2007年間也邀請美國Discovery節目製作人來台參訪臺灣燈會元宵活動，也被美國Discovery頻道評選為全球最佳慶典活動之一，並且拍攝記錄，並製作了系列節目在全球播放臺灣燈會的璀璨魅力。

n  臺灣燈會主燈

臺灣燈會最特別的就是主燈，並以當年歲次之生肖為主題，主燈白天時是雄偉挺拔、氣勢非凡的景觀藝術雕塑；夜晚時，為璀璨奪目及光影幻炫、繽紛變化的美麗巨型藝術燈籠。在燈會期間每隔30分鐘配合音樂亮燈、旋轉，如圖2至圖3所示。

圖2：2013年台灣燈會主燈（騰蛟啟盛）

圖3：2014年台灣燈會主燈（龍駒騰耀）

影片1：2012鹿港台灣燈會（2012 Lugang Taiwan Lantern Festival）

（影片來源：KiyoshiStudio, YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=Neh4LE-Rwc4）

主燈在整體燈光設計上，以科技數位化控制，結合光電科技之全像技術，內部光源也安裝最新高科技節能LED燈超過20萬顆及2,000組燈光變化控制迴路，更符合國際趨勢與世界節能減碳的潮流。

 

n  LED的發展歷史

人類照明光源的歷史最早可以追溯到50萬年前開始使用火把。1792年英國William Murdock首次應用氣體光源在自己家裡的照明。1808年英國漢弗里·戴維（Humphrey David）發明電弧光燈。目前我們所使用的電燈，是在1879年美國愛迪生（Thomas Edison）與英國約瑟夫·斯萬（Joseph Wilson Swan）所發明，1879年愛迪生採用白金燈絲。1930年代許多單位（如英國GEC）製作出廣告用螢光燈。1934年美國奇異公司推出照明用的螢光燈。1948年美國GE與西屋公司利用Ca5(PO4)3(F, Cl)摻雜Sb³⁺與Mn²⁺作為白光日光燈管的螢光粉。

1907年美國Round首次研發SiC LED（碳化硅發光二極體），對元件施加10 V偏壓，可以在陰極處發現黃光、綠光與橘光，SiC是研磨沙紙上常用的材料。1923年俄國Losseve注入電流意外形成的SiC p-n接面，並使元件發出藍光。1936年法國Destriau發現注入電流可以讓ZnS粉末發光。1962年任職於美國GE公司N. Holoyak Jr等人製作並發表首顆GaAsP紅光LED，但直到1970年LED的發光原理才被進一步瞭解，1971年夏天美國RCA公司Pankove等人製作出第一個電激發光MIS結構GaN LED。有機半導體材料LED（OLED）則在1980年中期到末期開始發展。1990年初期美國HP公司的Kuo與日本Toshiba公司的Sugawara等人使用AlInGaP材料發展高亮度紅光與琥珀色LED。

1986年Amano等人（Isamu Akasaki-赤崎勇教授研究團隊）利用MOCVD磊晶低溫AlN緩衝層，成功地成長出透明、沒有表面崩裂的GaN薄膜，Akasak研究團隊利用低能量電子束照射（low-energy electron-beam irradiation, LEEBI）GaN薄膜，並藉此獲得低電阻特性，同時他們也成功地製作出具有p-n接面的藍光GaN LED。1992年日本Nichia公司的Nakamura（中村修二博士），使用熱退火技術成功地活化磊晶在低溫緩衝層上的GaN薄膜，並在1995年成功地製作出GaN藍光與綠光LED。1996年Nakamura又提出利用InGaN藍光LED（波長460~470nm）激發釔鋁石榴石：鈰（yttrium-aluminum garnet，YAG:Ce³⁺；鈰從5d傳輸到4f軌域）黃色螢光物質之白光LED。

n  LED的發光原理

發光二極體（Light-Emitting Diode, LED）晶粒（Chip）的發光原理：在晶粒被一定的電壓施加正向電極時，正向P區的電洞則會源源不斷的游向N區，N區的電子則會相對於電洞向P區運動。在電子和電洞相對移動的同時，電子和電洞互相結對，激發出光子，產生光能。電流從陽極流向陰極時，晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關，由於使用材料其電子電洞所占能階不同，因此能階差不同，其釋放光的波長也隨之改變，發光二極體的結構示意圖如圖4所示，發光二極體的基本作用原理如圖5所示。

圖4：發光二極體的結構示意圖（翻譯：diode，二極體；cathode，陰極；anode，陽極；p-layer，p層；n-layer，N-層；active region，活性區；substrate，基板；transparent plastic case，透明塑膠外殼；emitted light，發射光）

（圖片來源：http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LED_Device.jpg）

圖5：發光二極體基本作用原理（翻譯：p-type，p-型；n-type，N-型；hole，電洞；electron，電子；light，光；recombination，重組；conduction band，導帶；valence band，價帶；Fermi level，費米能級；band gap (forbidden band)，帶隙（禁帶））

（圖片來源：http://zh.wikipedia.org/wiki/二極管）

n  發光二極體的材料

LED晶粒又稱LED晶片，它是製作LED燈具（LED Lamp）、LED螢幕（LED Display）、LED背光（LED Backlight）的主要材料，由磷化鎵（GaP），鎵鋁砷（GaAlAs），或砷化鎵（GaAs），氮化鎵（GaN）等材質組成，其內部結構為一個PN結，具有單向導電性。晶粒是lamp的主要組成物料，是發光的半導體材料。晶粒的組成是採用磷化鎵（GaP）、鎵鋁砷（GaAlAs）或砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）等材料組成，表1為各種發光二極體波長與材料。

表1 各種發光二極體波長與材料

LED晶粒的材料：III族元素為P型材料，Ⅴ族元素為N型材料，LED晶粒的材料主要是Ⅲ族，Ⅴ族元素的化合物，如表2所示。

表2：LED晶粒的材料所用到的元素

晶粒的焊墊一般為金墊或鋁墊。其焊墊形狀有圓形、方形、十字形等。晶粒的發光顏色取決於波長（HUE），常見可見光的分類大致為：暗紅色（700 nm）、深紅色（640-660 nm）、桔紅色（615-635 nm）、琥珀色（600-610nm）、黃色（580-595 nm）、黃綠色（565-575 nm）、純綠色（500-540 nm）、藍色（435-490 nm）、紫色（380-430 nm）。白光和粉紅光是一種光的混合效果，最常見的是由藍光＋黃色螢光粉和藍光＋紅色螢光粉混合而成。

發光二極體主要優點特色，近年來已快速提昇，製造成本也愈來越低，已被大量用於行車管制號誌燈、人專用號誌燈、跑馬燈、指示燈、聖誕燈、元宵節花燈、汽車燈及大型戶外看板等等，並被視為未來最具有潛力之照明光源。目前在國際間包含日本與歐美各國世界各大照明廠均積極投入研發，未來將是21世紀重要的照明主力。因此，發光二極體的發展將在照明產業中佔據重要的地位。以目前國內照明產業的歷史與近年來市場分佈來分析，各照明廠大多著力於照明燈具產品的開發以及照明產品設計與應用，發光二極體光源能有較佳的光源特性，更易於光學設計與應用，其體積小及高亮度的特性開啟了發光二極體光源的另一扇門，也使發光二極體應用的設計更具彈性。如氮化鎵（GaN）發光二極體係屬於直接能隙之半導體材料，其能隙為3.4 ev，而氮化鋁（AlN）為6.3 ev，氮化銦（InN）為2.0 ev，將這幾種材料做成混晶時，可以將能階從2.0 ev 連續改變到6.3 ev，因此，可以獲得從紫外線，紫光、藍光、綠光、紅光到黃光等範圍的顏色，如圖5所示。

圖5：發光二極體發出各種顏色

（圖片來源：iko, Flickr, https://www.flickr.com/photos/iko/2153949301/in/photostream/）

發光二極體產業近來在全球得到突飛猛進的發展，特別是裝飾燈具，更是如火如荼，廣泛地用於樓體輪廓、橋樑、廣場等市政亮化工程，以及各旅館、KTV、酒店、遊樂場等娛樂場所。發光二極體一般產品種類，如圖6所示。

圖6：發光二極體一般產品種類

（圖片來源：上圖和左下圖，Light-Emitting Diode, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode；右下圖，LEDs, Wikipedia, http://commons.wikimedia.org/wiki/File:LEDs.jpg）

n  主燈LED閃爍

LED主燈的交替閃爍的效果，主要是智慧化控制技術，如模擬或軟體技術、或微電腦控制技術，多數為嵌入式系統，一般的控制技術如下。

1、       變幻控制模式

為了景觀美化的要求，變幻控制模式，給人以豐富多彩，旋律優美，節奏歡快的感受，有時給人以撼動人心的強烈刺激。智慧化控制模式包括：色彩變化：色彩捨設計成控制閃爍控制，一維的點、線；漸變控制，二維的面；亮度的變化，三維的空間；旋轉控制。

2、       色彩變化的控制

LED可控性很好，色彩豐富，色彩變化幾乎無限制。依據三基本色原理，加上數字灰階控制技術，基本上可演變出幾乎超越大自然存在的任意色彩。例如：三基本色LED，如只採用二級灰階控制，即：明和暗，就可實現8種色彩演變；如採用三級灰階控制，即：明、中、暗，可實現27種色彩變幻；如採用八位數碼的灰階控制，色彩種類竟達到1677萬種。

3、       電子控制特點

目前，LED燈具的電子控制結構，主要有五大類：如單燈控制、群燈控制、長或超長跨距燈控制、聲響控制、感應控制。LED微電子控制電路設計的焦點在於可靠度高、價格低，採用來源豐富通用元件。對於長或超長跨距燈的控制除以上要求，還要有數十米，百米乃至千米以上的光帶或線狀布局的點光源。設計的目標還有：色彩豐富，變幻多姿，含跳變及漸變功能。

n  結語

本文主要在台灣燈會與發光二極體的關係中，找出其中與燈會燈具應用變化的關係，進而針對各發光二極體原理與製作，作一系列之初步介紹，內容包括：(1)燈籠的歷史、(2) 台灣燈會的由來、(3)臺灣燈會主燈、(4)LED的發展歷史、(5)LED的發光原理、(6)發光二極體的材料、(6)主燈LED閃爍等等，對於發光二極體應用也有一些簡易介紹，以便讀者能夠整體了解，期望本文對中小學教師教學有所助益。

n  參考文獻

[1]     鄭玉鉦，發光二極體量測技術理論與實務，第二版，工研院量測技術發展中心，民國94年。

[2]     光強度測試標準作業程序，07-3-93-0023，第二版，工研院量測技術發展中心，民國94年。

[3]     光強度測試系統不確定度評估報告，07-3-93-0017，第二版，工研院量測技術發展中心，民國94年。

[4]     The measurement of luminous flux, CIE Publication No 84, 1989.

[5]     Guide to the expression of uncertainty in measurement, 2^nd edition, ISO, 1995.

臺灣的節慶與化學：臺北101跨年煙火（上）

張元宇、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

n  煙火的歷史

煙火的起源與火藥息息相關，1964年的《馬克斯恩格斯全集》第十四卷《炮兵》一文就有提到「在中國，還在很早的時期就用消石和其他引火劑混合製成了煙火劑，並把它使用在軍事上和盛大的典禮中。」文中的消石是指硝酸鉀（KNO₃）。

南北朝（西元420~589年）陶弘景《本草經集注》中記載：「先時有得一種物，其色理與朴消大同小異，朏朏如握雪不冰，強燒之，紫青煙起，雲是真消石也」。文中的朴消是指硫酸鈉（Na₂SO₄）。

周密《後武林舊事》記載宋孝宗觀海潮放煙火的情景說：「淳熙十年（西元1183年）八月十八日，上詣德壽宮，共請兩殿往浙江觀潮……管軍命於江面分布五陣，乘騎弄旗，標槍舞刀，如履平地。點放五色煙炮滿江、及煙收、炮息，則諸船盡藏，不見一隻。」周密也在《齊東野語》（西元1225年至1264年）中記載當時皇宮觀看煙花的故事，說明當時爆竹和煙火盛行，並成為皇宮的娛樂活動。在元朝和明朝年間，許多詩人、文學家有相關鞭爆煙火的記述。自清代以來，鞭爆煙火已經普遍使用。

近千年來，煙火的顏色是黑火藥（black powder）產生的橙色閃光或火花以及金屬粉末的白色火花，圖1是在1749年英國倫敦的皇家在泰晤士河上燃放煙火的蝕刻作品。演進到1930年代，在義大利南部有化學領域的老“火師傅”，加入金屬鹽和氯化物粉末到煙火的組成，創造紅色、綠色、藍色和黃色的焰色。當時氯酸鉀（KClO₃）是一種新的氧化劑，燃燒比硝酸鉀更快且更熱，創造新的煙火顏色並且使之更深和更亮。當時藉由電解獲得的純鎂和純鋁，也使煙火燒得明亮。當細粉末的以合適比例與氧化劑混合得到的閃光粉，比黑火藥的燃燒更熱且更快。

圖1：在1749年英國皇家在泰晤士河上燃放煙火的情景

（圖片來源：Fireworks, wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Fireworks.）

臺灣開始自行製作煙火的起源有二：（一）中華民國政府撤退來台之時，聯勤兵工廠的李蘭亭老先生參考日本書籍並自行研發；和（二）有人直接自日本引進技術。無論是哪種起源，臺灣煙火的製作歷史與日本有很大的淵源。早期臺灣開始施放煙火是國慶煙火，時至今日重要節慶或私人慶賀也常施放煙火，臺北101（Taipei 101）跨年煙火表演至今已有十次之多，備受國際關注和國人喜歡，如圖2所示。

圖2：臺北101跨年煙火表演之一

（圖片來源：蔡孟哲，MJohns Photography，http://mjohns.co。）

n  地面煙火和高空煙火

根據煙火管理條例，爆竹煙火係供節慶、娛樂及觀賞之用，不包括信號彈、煙霧彈或其他類似物品，其分類如下。高空煙火：指煙火主體直徑在七點五公分以上，其火藥作用時垂直方向射程在七十五公尺以上者。一般爆竹煙火：指前款以外，其火藥作用後會產生火花、旋轉、飛行、爆音或煙霧等現象者。

煙火可分成兩方面：高空煙火（aerial fireworks）與地面煙火（ground-based fireworks）。高空煙火如國慶煙火，臺北101跨年煙火秀雖然在高處施放，但是其技術和效果接近地面煙火。高空煙火需要火藥量多，是高危險性的煙火；而臺北101煙火使用火藥少爆炸威力小，施放地點不必拉大與觀眾的距離。圖3是地面煙火施放的兩款效果。

 

圖3：地面煙火的二款效果

（圖片來源：由左而右，Cayusa, flickr,https://www.flickr.com/photos/cayusa/2640624383/；FleurP, flickr, https://www.flickr.com/photos/fleurphillips/2773607897/。）

臺灣煙火工業同業公會吳思源理事長表示，煙火分為兩類：高空煙火與花束煙火。高空煙火是火藥和光珠裝在圓形彈殼（煙火彈）內，彈殼下方有發射用的火藥，射到高空中圓形彈殼才爆炸，光珠才釋放各種焰色；而花束煙火則是在發射的同時就引燃煙火彈，光珠放出各種顏色光芒。國慶日煙火屬於高空煙火，臺北101煙火屬於花束煙火。

花束煙火是黑火藥放在發射筒的底部，再塞入各種光珠，點然黑火藥就會點燃光珠，產生各種花樣。至於，臺北101煙火有些在發射出去相當距離後才發光，吳思源說，這種效果是在光珠外層裹黑火藥，射出時黑火藥先點燃，等到燃燒到內層的光珠才發光，造成延遲發光的效果。

高空煙火的花樣不勝枚舉而且繽紛璀璨。高空煙火彈有許多不同的尺寸，常見者有直徑從3～12英寸（7.6~30.5公分），從點燃火藥至煙火開花的時間約3~7秒，爆炸後的直徑範圍在80~300公尺，高度為80~450公尺。7英吋的煙火彈原本是日本獨有的品種，臺灣承襲日本的傳統，每年國慶煙火的煙火彈中7英吋的數量頗為龐大。建國百年國慶煙火10月10日晚間，在彰濱工業區施放，首度施放16英吋（40.6公分）焰火彈，比過去12英吋的體積足足大上一倍多，此煙火在高空中畫出寬1200公尺的大範圍彈幕。日本甚至發射過36英吋的巨型煙火彈，在裝設此煙火彈時，需要用大吊車才能裝進發射管。通常，高空煙火與地面煙火一起施放，以增加變化的花樣，如圖4所示。

圖4：高空煙火與地面煙火一起施放

（圖片來源：由左而右，孤雲出岫Free Cloud, flickr, https://www.flickr.com/photos/kent1124/8251835186/；InstantPyro, flickr, https://www.flickr.com/photos/pyroeffect/14640308938/。）

n  臺北101跨年煙火

臺北101摩天大樓於2004年12月31日啟用，曾於2004年12月31日至2010年1月4日期間，擁有世界第一高樓的紀錄，目前是世界第五高樓。2005年1月1日成為全球有記錄以來，第一座施放超大型煙火的摩天大樓，最高施放點高達508公尺，位於大樓的尖塔頂部，是全世界施放點離地面最高的煙火。2008至2009年跨年表演施放的煙火數量高達16000發，創下世界上摩天大樓施放煙火數量最高的紀錄，相當受到國際媒體關注。

美國有線電視新聞網（CNN）2012年評選全球十大最夯跨年景點，臺北101跨年煙火秀世界排名第九名。CNN表示，臺北市以創新手法，在跨年夜當晚，把樓高508公尺的101摩天大樓，變身成一束火樹銀花，長達188秒的跨年煙火秀，讓人歎為觀止。

臺北101跨年煙火秀在煙火施放時間和施放煙火彈方面，2005年1月1日：30秒、3000多發，施放紅、白二色火花。2006年：128秒，8100發。2007年：188秒，9000發。2008年：188秒，12000發。2009年：188秒，16000發。2010年：188秒，22000發。2011年：288秒，30000發，建國百年慶典活動。2012年：202秒，30000發，除方塊型、飛瀑型煙火外，增加平行及向下的角度，使煙火呈現更多層次。2013年：188秒，22000發，第一次施放高空煙火，以「冷光低煙」（cold luminescence and low emission levels）打造色彩鮮豔及講究環保的跨年煙火秀。2014年：218秒，24800發。每年施放煙火彈數量非常多，施放煙火的花樣和火花的密度在視覺上目不暇給。

n  臺北101大樓煙火架設

臺北101大樓地上有96層，地下有5層，高508公尺。此大樓結構如同竹節般，第27層至第90層，共8節，每一節有8層樓，每一節有向外延伸的平台（陽台），如圖5所示。

圖5：臺北101大樓結構每節有向外延伸的平台，適合發射煙火

（圖片來源：Taipei 101, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Taipei_101.）

臺北101跨年煙火秀的煙火架設與高空煙火有很大的不同，此大樓平台如同小型地面，可架設鷹架，成為很適合發射地面煙火的場所，其煙火彈發射筒的架設是，先在高樓的平台上架設鷹架，再固定發射筒於鷹架上，然後從高樓向夜空射出短程距離的煙火，如圖6所示。

圖6：臺北101大樓的平台可架設鷹架，適合發射煙火

（圖片來源：林伯東，大紀元，http://www.epochtimes.com/b5/10/12/16/n3115154.htm。）

臺北101大樓位於市中心，施放煙火的射程短，附近有大批民眾觀賞，必須小心建築本體和周邊建築的安全以及觀眾的人身安全；而且大樓煙火施放地點離地面數百米，夾帶著強勁的風勢，任何一根煙火發射偏離，可能造成觀眾的受傷。因此，臺北101煙火採用架設鷹架的方式，每一根煙火彈發射筒的發射方位和順序都必須穩定地固定於鷹架上，如圖7所示。發射筒的架設是以一個煙火彈或一組數個煙火彈為單位，以增加煙火的變化效果，如圖8所示。

圖7：煙火彈發射筒固定於鷹架上，必須注意發射方位和順序

（圖片來源：老攝郎趴趴走，http://a121571907.pixnet.net/album/set/14803875。）

圖8：煙火彈發射筒的架設方式是以一個或一組為單位

（圖片來源：仰望台北101 世界看見台灣，中央社，http://www.cna.com.tw/photoalbum-3/314.aspx。）

臺北101大樓的煙火中央控制室位於海拔400多公尺、在九十層樓內，不到十坪大小的空間，由中控室電腦主機經由導線控制，分布於整棟大樓共三萬發的煙火發射器。為了讓煙火效果臻至完善，整棟大樓的燈光都必須用帷幕遮蔽。

臺北101大樓在建國百年國慶煙火突破技術極限，在大樓外牆架設大量的垂直鋼索，這是前所未有的挑戰！總共設置1800個發射盤，在大樓外牆拉起綿密的煙火發射網，增加整棟大樓的發射面積，發揮無限空間的創意。2014年鷹架不見了，煙火發射器僅簡單地固定大樓牆面的三腳架上，還有與杜拜煙火相同的移動式發射台。

n  臺北101煙火花式

臺北101跨年煙火歷經十年了，其低空煙火秀的設計讓觀眾留下深刻的印象，每年元旦帶給大家無限的歡樂。臺北101煙火秀到底有多少花式（效果）呢？往年最常出現的煙火是從建築物的各平台往上斜射出去，近年來也出現平行射出，甚至向下斜射；同時或連續啟動每層樓發射按鈕，引燃煙火彈，創造出精采的圖樣和效果。

一般煙火產生四種主要效果：光、噪聲、煙霧和飄浮物。雖然地面煙花比高空較不受歡迎，但是大樓煙火可創造出令人驚艷的展示。以下是臺北101跨年煙火曾經出現的花式（效果），由於煙火的造型千變萬化，無法在此詳列。此處花式分類的描述是以射出一個煙火彈或一組數個煙火彈為單位，而不是以整座大樓的煙火造型為單位。

1.        地雷煙火（Mine Fireworks）

地雷的煙火彈沒有推進的火藥，施放時固定在地上，向上或傾斜發射到高空中，爆裂的外型像地雷從地面上突然爆發或爆炸，產生扇形效果，如圖9所示（左圖為放大圖，以下皆同）。地雷的效果是短暫的但不連續，而且非常壯觀，也提供好聽的劈啪聲。

圖9：突然爆的發地雷煙火，效果短暫且壯觀

（圖片來源：sakaki912，2012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HD，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。）

2.        噴泉煙火（Fountain Fireworks）

噴泉煙火會連續噴出像噴泉般的火花，聲音不大，有各式各樣的顏色與大小，如圖10所示。有些煙火在噴出火花後，會出現閃亮的光點。瀑布煙火（Waterfall firework）是噴泉煙火的變化花樣，噴泉煙火的火花往上噴出，而瀑布煙火則往下掉落。

圖10：噴泉煙火會連續噴出像噴泉般的火花

（圖片來源：洪英傑，2012跨年101煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。）

3.        彗星煙火（Comet Fireworks）

在每一顆星星的後方拖著一條閃閃發光的尾巴，飛行的距離不長，如圖11所示。

圖11：彗星煙火有發光的尾巴

（圖片來源：iamrickz, Taipei 101 2014 New Year Firework 台北101 跨年煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=SlA3AlQNoSM。）

4.        飛魚煙火（Flying Fish Fireworks）

飛魚煙火的效果像是小規模的互斥光束而集體從煙火筒竄出，如同群體的小魚被大魚怔住而集體游動的樣子，如圖12所示。

圖12：飛魚煙火的效果

（圖片來源：Coro Soak, 2014 Taipei 101 New Year Fireworks，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=iJcOzJMVLNw。）

5.        柳樹煙火（Willow Fireworks）

在柳樹煙火的煙火彈內，光珠的組成加入過量的活性炭粉末，爆炸後燃燒的時間會額外加長，使光珠創造出明亮的下降條紋，在空中創造銀色或金色如柳枝般的外形效果，也很像瀑布，如圖13所示。

圖13：柳樹煙火在爆炸後燃燒光珠的時間加長

（圖片來源：洪英傑，2012跨年101煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。）

6.        馬尾煙火（Horsetail Fireworks）

馬尾煙火的效果是一些緊湊的小爆炸掉落下來，就像馬尾的樣子，還可以聽到像瀑布煙火的聲音，如圖14所示。

圖14：馬尾煙火的爆炸外觀

（圖片來源：洪英傑，2012跨年101煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。）

7.        閃爍煙火（Strobe Fireworks）

閃爍煙火是一種新開發的空中煙火，明亮閃爍的銀光以集群方式緩慢地下降所組成的煙火，如圖15所示。閃爍煙火也用於牡丹煙火彈和地雷煙火的一系列快速閃爍的星星。

圖15：閃爍煙火有不停的閃爍銀光的效果

（圖片來源：Arthur Chang，2011-101跨年煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=199JLRT9Ru0。）

8.        開掌花煙火（Crossette Fireworks）

在大顆的煙火彈內包著數顆的小型煙火彈，第一發先爆破使小型煙火彈噴灑在空中，然後小型煙火彈引爆，各自發射出4~5發彈幕，拖著尾巴並伴隨著響亮的劈啪聲，彷彿在空中開著掌花，也猶如很多人以4~5個人為一組手拉手在一起，如圖16所示。

圖16：開掌花煙火最後階段有開掌花效果

（圖片來源：洪英傑，2012跨年101煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。）

è 續【臺灣的節慶與化學：臺北101跨年煙火（下）】

臺灣的節慶與化學：臺北101跨年煙火（下）

張元宇、楊水平*

國立彰化師範大學化學系
*[email protected]

é  承【臺灣的節慶與化學：臺北101跨年煙火（上）】

n  大樓煙火彈的內部結構

臺北101跨年煙火秀的花式（效果）為什麼如此的千變萬化？例如：突然從地平面上爆發的地雷煙火、像噴泉般連續噴出火花的噴泉煙火、快速閃爍星星的閃爍煙火。讓煙火綻放出各式各樣的花式，創作出炫麗的效果，是依賴煙火彈的內部結構設計、精準地控制煙火彈的填充物以及電腦點火控制等。以下就噴泉煙火、地雷煙火和羅馬蠟燭煙火的內部結構詳加說明。

1.      噴泉煙火（Fountain Fireworks）

單管的噴泉煙火由一層圓柱筒所組成的發射管，並有一個塑膠底盤。圓柱筒內的填充物用來產生大量的火花和氣體，頂端塞著一個孔洞的黏土阻氣塞，孔洞放置一條導火索（fuse，引線），如圖17所示。燃燒產生氣體和火花由此孔洞噴射而出。若沒有此股噴射的氣流，則此煙火只有微弱的火花。通常噴泉煙火內有一層層交疊的燃燒物質，隨著時間往下燃燒而噴出不同的焰色效果，例如第一層燃燒時可能產生橘色的火花，隨後產生白色和綠色的星星火花。

 

圖17：噴泉煙火發射筒的內部結構

（繪圖者：陳瑾蓉）

2.      地雷煙火（Mine Fireworks）

地雷煙火基本上是低空的垂直或傾斜的煙火筒，其結構與原理類似於破擊砲，底部以黑火藥為底火，導火索在發射筒的下方，如圖18所示。當點燃時，底火燃燒的能量使光珠以扇形（V型）從煙火筒爆發出來，並使光珠發光。光珠的噴散程度與管長和管寬以及火藥量有關。

 

圖18：地雷煙火發射筒的內部結構

（繪圖者：陳瑾蓉）

3.      羅馬蠟燭煙火（Roman Candle Fireworks）

羅馬蠟燭煙火的特色是從單一的發射筒中發射出一系列的光束，有彗星般尾巴，像小型煙火彈，會發出聲音。此煙火的製作過程相當複雜，其發射筒是先用黏土塞住底部，然後以交替方式裝填底火、光珠及延時燃燒物，只利用一條導火索放置在頂端。羅馬蠟燭煙火的內部結構，如圖19所示。發射煙火前，務必固定發射筒於插入土中的木樁或木架上，以確保安全。當導火索開始燃燒時，延時燃燒物會往下緩慢地燃燒；經過數秒或更少時間，一直燃燒穿過延時燃燒物，抵達第一個光珠同時點燃下面的底火，底火燃燒會發射光珠到筒外，如此重複燃燒，造成一連串的發射光束和焰色的效果。臺北101跨年煙火秀鮮少見到羅馬蠟燭煙火。

 

圖19：羅馬蠟燭煙火的內部結構

（繪圖者：陳瑾蓉）

n  煙火的火藥

煙火的火藥可分為無硫火藥和黑火藥（或稱火藥），作為煙火彈的推進劑或／和提供光珠焰色的能量來源。無硫火藥的成分含有硝酸鉀和碳粉，黑火藥的成分含有硝酸鉀、碳粉和硫磺。

無硫火藥（硝酸鉀和碳粉）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]

黑火藥（硝酸鉀和碳粉加入硫磺）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]

黑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%。其配方之二：硝酸鉀佔65-75%，碳粉佔15-20%，硫磺佔10-15%。一項實驗研究顯示，黑火藥燃燒產生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（KSCN）、碳及碳酸銨；氣體產物含有二氧化碳、氮氣、一氧化碳、硫化氫、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。

任何傳統的煙火彈的基本成分是黑火藥（硝酸鉀75％，15％炭和10％硫的混合物）。就化學反應式而言，為了得到確切的氧平衡（oxygen balance），所有發生的化學反應的描述是基於實驗結果的理解，而不是靠經驗。在某些情況下，實際上黑火藥的燃燒可能被認為更複雜的反應。例如，火藥成分含75.7%的硝酸鉀、11.7%的木炭、9.7%的硫及2.9%的水的混合物，依照化學計量，其燃燒的反應可由反應式[3]來表示：

74KNO₃(s) + 96C(s) + 30S(s) + 16H₂O(l) →

35N₂(g) + 56CO₂(g) + 14CO(g) + 3CH₄(g) + 2H₂S(g) + 4H₂(g) + 19K₂CO₃(s) +

7K₂SO₄(s) + 8K₂S₂O₃(s) + 2K₂S(s) + 2KSCN(s) + (NH₄)₂CO₃(s) + C(s) + S(s)    [3]

用於煙火的火藥成分並非只有無硫火藥和黑火藥，氧化劑還有過氯酸鉀（KClO₄）、氯酸鉀或過氯酸銨（NH4ClO4）等；還原劑還有蔗糖（C₁₂H₂₂O₁₁）或葡萄糖（C₆H₁₂O₆）等，這些成分的反應都是氧化還原反應，並隨之放出大量的熱。

n  煙火的顏色

臺北101煙火是一項複雜的工作，需要科學和藝術領域的應用，甚至電腦控制的資訊工程。煙火的光點或光束從煙火中噴出被稱為光珠（stars），煙火顏色的產生有兩種主要機制：螢光（luminescence）和白熾光（incandescence）。

螢光是利用除熱量之外的能量源所產生的光，亦即無熱量產生的光。有時螢光被稱為冷光（cold light），因為它可以發生在室溫和較低的溫度。螢光的產生是提供能量由原子或分子的電子所吸收，導致變成激發態且不穩定。當電子返回較低能量狀態時，能量以光的形式被釋放出來，光的能量決定它的波長和顏色，日光燈和LED燈是使用這個原理來發光。通常，煙火的紅、橙、黃、綠、藍和紫的焰色屬於螢光。

白熾光是指對物體施加熱量，使它溫度上升，直到產生可見光的現象。蠟燭燃燒時發出的火焰，即是煙霧的碳分子所產生的白熾狀態，電燈泡也是使用這個原理來發光。白熾光是熱輻射的一個特殊狀況。熱量引起物質的溫度上升而導致發熱和發光，當物質變得越來越熱，產生不同顏色的光，起初釋放紅外線，然後紅色、橙色、黃色和白色的光。若煙火的溫度被控制，其成分（如炭粉和鐵粉）的發光可被操縱，而得到期望的顏色。金屬如鋁和鎂燃燒產生明亮的白光，同時增加煙火的溫度。產生白熾光的溫度如下：淡紅光480℃，暗紅色580℃，紅色／橙色730℃，明亮橙色930℃，橙色／黃色1130℃，黃／白色1330℃，白色超過1430℃。產生綠色和藍色的白熾光需要更高的溫度，無法在煙火中產生。通常，煙火的白光、銀光、黃金光屬於白熾光。

光珠爆炸會產生各種顏色，這是利用不同金屬化合物（金屬鹽）燃燒的特性，例如鈉鹽會放出黃色光芒，鍶鹽則是紅色；但是只要金屬化合物無法快速燃燒，就需要用燃料和強氧化劑。燃料通常是用碳、澱粉或聚氯乙烯（PVC）、氯化橡膠；氧化劑則是氯酸鉀或過氯酸鉀。

純正的煙火色彩需要純的化學成分，即使是微量的鈉雜質（黃色）足以壓倒或改變其他顏色。太多煙霧或殘渣會遮蔽期望的顏色，細心的配方是必要的。煙火與其他物品一樣，成本往往涉及到品質。值得注意的事是，期望某些煙火產生正確顏色的化合物是困難的，在低溫或高溫下有些化合物是不穩定的，例如潮解。為了要求穩定性，企圖以不同的組成混合之設計而得到期望的顏色和亮度也是相當困難的。為了解決這個問題，有些光珠的成分必須先與更穩定的物質結合，在燃燒後才得到期望的焰色，下面是利用一些化學成分來產生不同的煙火焰色，有些焰色的產生必須添加額外的化學成分。

1.        紅光（Red Light）

藉由提供能量給鍶鹽或鋰鹽，激發鍶或鋰原子外層電子而放射的光，屬於螢光，波長600-646 nm。碳酸鋰（lithium carbonate, Li₂CO₃）可產生紅光，碳酸鍶（strontium carbonate, SrCO₃）可產生鮮明的紅光，如圖20所示（左圖為放大圖，以下皆同）。

圖20：碳酸鍶可產生鮮明的紅光

（圖片來源：Su Qing Yuan, 2013 TAIPEI 101 FIREWORK by Sony TX10，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=WDWVBn9tHaQ。）

2.        橙光（Orange Light）

藉由提供能量給鈣鹽，激發鈣原子外層電子而放射的光，屬於螢光，波長591-603 nm。氯化鈣（calcium chloride, CaCl₂）或硫酸鈣（calcium sulfate, CaSO₄·xH₂O，此處x = 0, 2, 3, 5）產生橙光，如圖21所示。

圖21：氯化鈣或硫酸鈣可產生橙光

（圖片來源：sakaki912，2012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HD，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。）

3.        黃光（Yellow Light）

藉由提供能量給鈉鹽，激發鈣原子外層電子而放射的光，屬於螢光，波長589 nm。氯化鈉（sodium chloride, NaCl）可產生黃光，硝酸鈉（NaNO₃）與冰晶石（cryolite, Na₃AlF₆）混合可產生更強的黃光，如圖22所示。

圖22：氯化鈉可產生橙光

（圖片來源：Coro Soak, 2014 Taipei 101 New Year Fireworks, YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=iJcOzJMVLNw.）

4.        綠光（Green Light）

藉由提供能量給鋇鹽和氯化橡膠（chlorinated rubber），激發鋇原子外層電子而放射的光，屬於螢光，波長511-533 nm。由於氯化鋇在室溫下的穩定性低，通常不單獨當作發光劑，因此鋇鹽必須與更穩定的化合物（如氯化橡膠）相結合，在煙火的混合成分中，燃燒時釋放出氯原子，再生成BaCl⁺，產生明亮的綠光，如圖23所示。單獨使用鋇鹽於焰火可創造蘋果綠的顏色。

圖23：鋇鹽與氯化物質混合可產生明亮的綠光

（圖片來源：sakaki912，2012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HD，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。）

5.        藍光（Blue Light）

藉由提供能量給氯化亞銅（copper(I) chloride, CuCl），激發銅原子外層電子而放射的光，屬於螢光，波長460-530 nm。由於氯化銅（copper(II) chloride, CuCl₂）在高溫下不穩定且在低溫下產生的焰火不明顯，因此不單獨使用它當作發光劑。通常，混合銅粉及乙醯亞砷酸銅（copper acetoarsenite, Paris Green, Cu₃As₂O₃Cu(C₂H₃O₂)₂），加熱燃燒產生氯化亞銅，可放射藍光，如圖24所示。單獨使用氯化亞銅可產生翠藍的光，銅粉可產生藍綠色的煙火，銅鹵化物可用來製作藍色的色調。

圖24：氯化亞銅燃燒可放射藍光

（圖片來源：sakaki912，2012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HD，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。）

6.        紫光（Purple Light）

藉由提供能量給鋇鹽和銅鹽及其穩定物質，激發鋇和銅原子外層電子而放射放射出混合的紫光，屬於螢光，波長432-456 nm。由於鉀鹽釋放紫光的強度不佳且價格昂貴，因此通常不當作煙火的發光劑。一般而言，紫光是透過使用紅光和藍光混合一起產生的光，利用碳酸鍶（紅光）以及銅和乙醯亞砷酸銅（藍色）的混合物燃燒而產生，如圖25所示。

圖25：煙火的紫光是通過使用紅光和藍光混合一起產生的光

（圖片來源：iamrickz, Taipei 101 2014 New Year Firework 台北101 跨年煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=SlA3AlQNoSM。）

7.        白光（White Light）

藉由施加熱量給白熱化的金屬（如鎂或鋁粉末），使之升高溫度，產生白光，屬於白熾光，如圖26所示。事實上，鎂粉燃燒極其明亮，幾乎令人眼花繚亂的白光，用來產生白色的火花或提高煙花的整體明亮度。鋁粉用於產生白色的火焰和火花。

圖26：鎂或鋁粉末燃燒可產生白光

（圖片來源：Arthur Chang，2011-101跨年煙火，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。）

8.        銀光（Silver Light）

藉由施加熱量給鈦、鋁或鎂的粉末或薄片，使之升高溫度，產生銀光，屬於白熾光，如圖27所示。鎂粉和鋁粉用於產生白色的火花，而鈦金屬粉末或片狀燃燒可產生銀色的火花。多量的鈦粉以及少量的鎂粉和鋁粉比例混合可得到偏銀色的火花；少量的鈦粉以及比例多量的鎂粉和鋁粉混合可得到偏銀白色的火花。

圖27：多量的鈦粉比例混合可得到偏銀色的火花

（圖片來源：洪英傑，2012跨年101煙火，YouTube， https://www.youtube.com/watch?v=pcvqK-pgDpU。）

9.        黃金光（Gold Light）

藉由施加熱量給鐵與碳的粉末混合物、活性炭粉末或油煙，使之升高溫度，產生黃金光，屬於白熾光，如圖28所示。鐵粉用來產生火花，鐵金屬的溫度高低決定火花的顏色。目前的技術不允許產生足夠的熱量使鐵產生藍光。

圖28：鐵與碳粉末混合物、活性炭粉末可產生黃金光

（圖片來源：Arthur Chang，2011-101跨年煙火.MP4，YouTube，https://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。）

臺北101大樓2013年跨年煙火壯觀的效果持續約3分鐘，這些煙火來自西班牙，由於其具有冷螢光和低排放水平，產生低碳排放量的水準，因此這類的煙火變得更環保，也強調優雅和美麗。

現今，嶄新的煙火發展聚焦於富氮化合物（nitrogen-rich compounds）的應用。相對於傳統的含碳高能材料，富氮化合物的燃燒是非碳骨架的氧化而形成高熱。對煙火而言，這些高能量材料能夠當作有潛力的推進劑、焰色劑和燃料，最終與低毒性的金屬離子結合，如銅離子代替鋇離子。結合富含氮的材料的煙火有幾個優點：唯一或大部分的氣體產物（無煙霧燃燒）、生成高熱、高推進力、高比衝（specific impulse）及高的火焰溫度。

“綠色”煙火（“Green” fireworks）主要是避免過氯酸鹽和重金屬的使用，適用於此類煙火的化合物應該是廉價的且容易合成，以及不具有吸收濕氣的性質。高能量的反應速率應該依期望的目可作調整，其反應通常被分類為“燃燒（burning）”（反應速率為每秒數毫米或釐米的範圍）和“爆燃（deflagration）”（每秒數米）或“爆炸（detonation）”（每秒數公里）。

n  結語

近千年來，煙火的顏色是由黑火藥產生的橙色火花和金屬粉末的白色火花，1930年代以來，全世界的煙火表演變得花樣百出而且嘆為觀止。臺灣煙火表演也日漸精進，高空煙火如精彩且震撼的雙十國慶煙火；地面煙火如帶給國人驚艷和歡樂的臺北101跨年煙火。臺北101煙火是全球有記錄以來一座施放超大型煙火的摩天大樓，創造煙火表演的奇蹟。在短短三分鐘發射三萬發煙火，這是結合千年煙火的結晶、運用物理化學的原理、融入藝術美學以及精密操控電腦所呈現的結果。

臺北101跨年煙火秀有地雷煙火、噴泉煙火、彗星煙火、飛魚煙火、柳樹煙火、馬尾煙火、閃爍煙火和開掌花煙火等多采多姿的效果，還有紅、橙、黃、綠、藍和紫光的螢光火花以及白光、銀光、黃金光的白熾光火花。這些效果涉及煙火內部結構的設計、煙火花式的藝術構思、高樓平台鷹架的建搭，電腦控制發射煙火的配合，明顯地揭露這類煙火的展現需要跨領域的結合。以化學而言，煙火涉及火藥、化學成分、氧化劑、還原劑、氧化還原反應、燃燒、爆炸、能量、熱量、不完全燃燒、化學計量、波長、光譜學、白熾光、螢光及“綠色”煙火等多重且複雜的化學概念，很適合用於中學自然科、藝術美學和生活科技跨領域的教學。

n  參考資料

1.        爆竹煙火管理，http://www.firebook.tw/lawfiles/b02.pdf。

2.        臺北101跨年煙火表演，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/台北101跨年煙火表演。

3.        台北101跨年煙火288秒的璀璨 迎接建國百年榮耀，http://www2.taipei-101.com.tw/NEWSV/news_in.aspx?News_Sn=114。

4.        低空煙火介紹，http://www.fireworks.com.tw/service_01.htm。

5.        History of Fireworks, http://www.pyrouniverse.com/history.htm.

6.        Firework, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Firework.

7.        Different Types of Fireworks – Effects and Patterns, http://www.squidoo.com/different-types-of-fireworks-effects-and-patterns.

8.        How Fireworks Work, http://www.pyroinnovations.com/devices.html.

9.        The Quick 10: The Names of 10 Fireworks Effects, http://mentalfloss.com/article/31097/quick-10-names-10-fireworks-effects.

10.      FIREWORK EFFECTS, http://www.fireworksarcade.co.uk/firework-effects.

11.      The Names of 10 Fireworks Effects, http://www.pbs.org/a-capitol-fourth/fireworks-fun/firework-names/.

12.      104 FIREWORK VIDEOS OF CAKE EFFECTS, http://www.ghengisfireworks.com/Page/38/104-firework-videos-of-cake-effects.aspx.

13.      Types of Fireworks, http://www.manchester-fireworks.com/Collection/information.php/types-fireworks-i-7.

14.      The Magical Colors of Fireworks, http://www.colourlovers.com/blog/2008/02/25/the-magical-colors-of-fireworks.

15.      How to Make Gunpowder, http://www.wikihow.com/Make-Gunpowder.

16.      Anatomy of a Firework, http://www.pbs.org/wgbh/nova/fireworks/anat_nf.html.

17.      How Fireworks Work, http://www.pyrouniverse.com/consumer/howtheywork.htm.

18.      Gunpowder Explosion Stoichiometry and Gunshot Residue (GSR), ChemPRIME, http://wiki.chemprime.chemeddl.org/index.php/Gunpowder_Explosion_Stoichiometry_and_Gunshot_Residue_(GSR).

19.      Klapötke, T. M. and Steinhauser, G. “Green” Pyrotechnics: A Chemists’ Challenge. Pyrotechnics, 2008, Vol. 47, Issue 18, 3330-3347. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.200704510/pdf.

20.      How are Fireworks Colors Made, http://www.sciences360.com/index.php/how-are-fireworks-colors-made-10193/.

21.      Light and Colour, http://www.ch.ic.ac.uk/local/projects/gondhia/lightcolour.html.

21.  Chemistry of Firework Colors, http://chemistry.about.com/library/weekly/aa062701a.htm.

臺灣的節慶與化學：廟宇的過火儀式

陸冠輝

國立台中高級工業職業學校化工科
[email protected]

 

n  何謂「過火」？

過火（Firewalking）是一種以赤腳的方式走過熱燙的木炭堆或石頭堆，這種儀式在全世界各地有一些人們或文化中在進行著，最早的過火儀式大約可以追溯至約紀元前1200年的印度鐵器時代，那是用來對個人力量及勇氣的測試儀式，也是對一個人在宗教上信念的檢定方式。過火在台灣是民間常見的一種廟會活動，藉由這樣的儀式，神明可以更新神力、強化神威，而信徒可以除穢氣去厄運、消災解禍。

從許多節目及影片中看見，過火不可否認是一項具有危險性的宗教儀式，也經常發生許多燙傷的意外事件，而一般民眾都把這樣的傷害原因歸咎於「不淨」所造成的，但這種說法亦存有諸多疑問，那些能夠腳踩著紅通通木炭的人們，為什麼一點事情也沒有，真的是神明有保佑呢？還是另有玄機呢？還是有科學的原理在其中呢？

n  過火的儀式

在台灣經常有過火的宗教活動，其中在宜蘭的二結鄉於每年農曆十一月十五日是古公三王中三王公誕辰都會照例舉辦盛大的過火儀式，筆者於2012年有機會與王公廟董事長張明華訪問時提到，這是二結地區最具特色的民俗活動，已被宜蘭縣政府列為無形文化資產。這裡過火所用的木炭高達一萬多台斤以上，是全國最具規模的過火儀式，也吸引了許多民眾來觀賞。

在事前的準備工作，首先要施法、勒符，這目的是用以維護火場安全，並且安定過火信徒的心理作用，如圖1所示。另外一個重要的儀式就是「摔鹽米」，這在宗教的信念中，「鹽」「米」分別代表著「雷電」和「火石」，具有驅逐惡煞的功能，因此廣泛應用於各種除煞的儀式中，如圖2所示。但經本人的實地觀察，過火活動所用的鹽是海鹽，也就是含有大量水分的粗鹽，而米也是有泡過水的處理，這在科學上都具有降低溫度，減低過火人員燙傷的可能性。

圖1：過火前，施法、勒符，以維護火場安全

圖2：過火時所用的鹽米（左）和摔鹽米（右）

張董事長說道：過火儀式是有一些禁忌的，例如事前要吃素三天、不近女色…等，這都顯示過火的神聖性。進行過火時會由執黑令旗者「開火路」衝過火堆，試探是否安全，然後神轎和信徒分別跑過火堆，如圖3所示。活動之後，不能親自參加過火的信眾也會帶著衣服在火堆上揮舞，祈求解消穢氣及厄運；甚至也有信眾取回灰燼，以庇佑宅第平安，如圖4所示。

圖3：神轎（左）和信徒（右）踏上炭火堆過火

圖4：信眾帶著衣服在火堆上揮舞（左）和取回灰燼（右），祈求平安

n  過火的科學原理

過火與熱的傳導

首先要了解熱的傳播有三種基本的途徑：「對流（convection）、輻射（radiation）、及傳導（conduction）」。

「對流」主要發生於氣體和液體，也就是流體，這是發生在密度大且較冷的流體取代密度小且較熱的流體之過程，也就是熱空氣上升，冷空氣下降的意思。在過火的儀式中，「對流」是不存在的，因為沒有任何的氣體或液體明顯地涉及其中。

「輻射」就像是電磁波一樣，不需要任何介質就可以進行的熱傳播，也就是過火時，周圍的人們會感受到炭火很燙的原因；然而，在實際的過火當中，「輻射」並沒有傳遞很多的熱量到腳上，因為在木炭上有一層薄薄的灰燼會阻隔輻射熱的傳遞，而且在過火時，腳掌與炭火的接觸時間是非常短的。

「傳導」是兩個物體相互接觸，熱量由高溫處傳遞至低溫處的現象。具體地說，金屬具有良好熱傳導性，既使著了火的木炭的非金屬是不良的熱傳體，大多數金屬的熱傳導度是非金屬如木炭或皮膚的幾千倍；再進一步地說，木炭的表面形狀是粗糙的，並沒有整個腳掌都接觸在炭火上，因此有技巧性地行走於炭火堆是可以避免燙傷的。

比熱和熱傳導性

下面有許多因素可以說明過火儀式的可行性：

1.        水是具有高比熱（1 cal/gž℃或4.184 J/gžK）的物質，而木炭的比熱是很低的，因此腳底（含有水）的溫度變化會比木炭來得小很多。

2.        水也是一種高熱傳導性的物質，與上一點結合說明，腳部的大量血液會帶走熱量並且傳遞散開來。從另一方面來說，木炭是低熱傳導性的物質，因此腳底部的皮膚只會接收到來自木炭的很少熱量。

3.        當炭火被降溫時，它的溫度就會低於閃火點（flash point），因此就會停止燃燒，也就不再有熱量產生了。

4.        過火時人們是不斷地在行走，並沒有在炭火上停留太長的時間。

萊頓弗羅斯特效應

在物理學中，有一個科學名詞「萊頓弗羅斯特效應（Leidenfrost effect）」，這是德國科學家Johann Gottlieb Leidentfrost在1756年發現的一種效應，當水滴落在溫度超過200℃滾燙的金屬板上時，水滴與金屬接觸的表面會瞬間蒸發產生蒸汽，蒸汽上浮的力量會托住水滴，使水滴懸空，讓水滴與金屬板之間產生隔熱效果（因水蒸汽的熱傳導率大約只有水的1/10），水滴反而不容易蒸散，大大地降低水滴沸騰的速率，如圖5和影片1所示。

圖5：萊頓弗羅斯特效應示意圖

影片1：The Leidenfrost Effect – Growing a droplet, YouTube, https://www.youtube.com/watch?v=Kt1eRy8x_Us.

在民間的過火儀式中，人們可以跑過火紅的木炭堆有同樣的效應。燒得紅通通的炭火溫度（大約有六、七百度）遠遠超過水的沸點，過火者的腳底先保持潮濕，再快速地跑過炭火時，汽化的水會在腳底形成保護膜，使得熱量不容易傳到過火者的腳部，這樣就不會被燙傷了。萊頓弗羅斯特效應的原理，在探索頻道（Discovery）的「流言終結者」節目也做過類似的實驗，他們是拿香腸放入燒鎔的鉛中，當接觸時間控制得當時，香腸真的可放入高達454℃的熔鉛中而不會被煮熟。在日常生活中，廚師也常常利用這個原理來進行烹飪測試，就在炒鍋上灑了幾滴的水，如果會形成一顆顆的小水滴在炒鍋上跳來跳去，那麼表示溫度已經夠高了，可以開始炒菜囉。

炭火堆去水和紮實

據筆者在宜蘭二結王公過火現場的觀察，在過火儀式前，若木炭沒有燒到足夠的時間或沒有達到火紅的程度時，反而容易燙傷；這是因為木炭含有水分，會增加它的熱含量和熱傳導性，水分一定要完全地去除。因此，過火的準備工作一大早就開始，一直到下午才開始過火的活動，如圖6（左）所示。在開始過火前，廟方會有專人用長竹竿在炭火堆上敲打，其主要目的是使炭火堆變得更緊實，以免過火時腳會陷入炭火中，如圖6（右）所示。

圖6：木炭燒成火紅，以完全去除水分（左）；及用竹竿敲打炭火堆使其緊實，以免過火時腳陷入炭火堆中（右）

變量設定點

為什麼人們可以赤足走在熱燙的木炭堆上呢？在大多的生物學領域中，可以用變量設定點（variable set point）的概念來說明，因為人們大部分的行為過程都是基於一個維持體內平衡或調節平衡的想法，而這個生物平衡的變量點可被視為我們身體的設定點（set points），這說明了體溫就是由下視丘（hypothalamus）所控制。

下視丘，是調節身體內臟活動和內分泌活動的高級神經中樞所在，又稱丘腦下部；它位於丘腦的下方，腦幹的上方，控制著身體的多項功能。在人體中，它和杏核的大小相當。下視丘腺體可以調節體溫、血糖、水的平衡、脂肪代謝、攝食習慣、睡眠、性行為、情緒、荷爾蒙（如：腎上腺素）的製造，以及自主神經系統。它接收從自主神經系統而來的訊號，並決定相應的行動。當人類遇到恐懼或興奮的事情，身體的自主神經系統會向視丘下部腺體發出訊號，從而使身體加速心跳和呼吸、瞳孔擴張，並增加血液流量，以使身體能夠及時作出相應的行動。總之，其功能十分多樣化，整合及控制自主神經的活性、調節內分泌、與憤怒及攻擊的情緒有關、水分的代謝、調節食物攝取量、為恆定最高中樞與體溫調節中樞。

這些設置點的變量性可以說明松鼠如何能在冰天雪地下生存，也可說明人們發燒時為什麼會畏寒發抖。這些人體忍耐所引起現象的原因是丘腦下部重新分別建立較低和較高的設定點。人們可以赤足走在熱燙的木炭堆上的原因是丘腦下部重新建立較高的設定點。

生物回饋機制

另外，在生物學上還有一個概念可以用來說明人們可以進行過火儀式的原因，那就是生物回饋機制（biofeedback）。現今科學發達，各種神奇的特異功能雖然不存在，而我們又沒有辦法憑著思考或想像去改變外界事物，但可以透過電子儀器的幫助，搭配深呼吸、冥想、自我對話等放鬆技巧的練習，也就是生物回饋法，學會如何用「心」調整體內生理反應，降低壓力造成的傷害。當我們遭遇壓力時，便會激發交感神經運作，促使身體進入備戰狀態，常見的反應有心跳與呼吸加快、血壓升高、肌肉緊繃、胃腸蠕動與尿液減少等。這樣的興奮狀態，能讓我們當下有足夠的能量對付外界威脅。但若持續過久或慢性化，則易因身心資源耗竭，導致疾病發生。而生物回饋就是將壓力引起的諸多生理活動，轉變為感官可察覺到的物理訊號，並藉由反制約的原理，並且利用意志自我控制，進而達到紓壓的效果。

目前實驗心理學家與生理學家之間的共同努力研究下，很明顯地可以透過使用心理技術對患者的醫療問題來達成某些戲劇性的收益。如果心理技術有可能被用於改善醫療條件，那麼類似的技術也可以被用來讓人們在他們的腳下忍受高溫，這樣看起來過火儀式是非常可行的。

n  結語

廟宇節慶的過火可以用：（1）水的高比熱和高熱傳導性與木炭的低比熱低熱傳導性，和（2）萊頓弗羅斯特效應等科學原理來詮釋。在過火時，如果信徒與炭火的接觸時間過長，就會造成熱傳導效應的增長。因此，過火時的行走速度必須適當，不可太慢，否則會增加燙傷的機會。

以民俗的角度觀之，廟宇的過火儀式係藉由宗教的信仰力量使信徒有勇氣踏越熱通通的炭火堆。透過過火的儀式，信徒原本對神明的信心，轉化成對自己的信心，運用意志自我控制，進而達到紓壓的效果。這樣具有勇於接受挑戰、撫慰自我心靈及重建自我信心等功能的過火儀式似乎可以用：（1）人的丘腦下部重新建立較高的設定點，和（2）生理學上的生物回饋機制並搭配實驗心理學的技術來詮釋。

n  參考資料

1.          Firewalking, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Firewalking.

2.          Firewalking Myth vs Physics, http://www.pitt.edu/~dwilley/Fire/FireTxt/fire.html.

3.          The Physics of Firewalking, http://io9.com/5928230/the-physics-of-firewalking.

4.          Why Fire Walking Doesn’t Burn: Science or Spirituality? http://news.nationalgeographic.com/news/2005/09/0901_050901_firewalking.html.

5.          Fire Walking Explained, http://www.skeptics.com.au/publications/articles/fire-walking-explained/.

6.           Firewalking: A Theory Based on Biofeedback and Variable Set Points, http://serendip.brynmawr.edu/bb/neuro/neuro00/web2/Shaw.html.

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.