臺灣的節慶與化學:鹽水蜂炮/許紘齊、楊水平

星期六 , 19, 七月 2014 Leave a comment

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
*yangsp@cc.ncue.edu.tw

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。

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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。

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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108120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。

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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。

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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。

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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。

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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:

KNO3(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1532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101.112.0132.07 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 mol1.2 mol0.31 mol = 23.30.88

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 mol1.40 mol0.39 mol = 24.01.1

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][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。

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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

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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。

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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][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.

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