臺灣的節慶與化學:臺北101跨年煙火(下)/張元宇、楊水平

星期日 , 20, 七月 2014 Leave a comment

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
*yangsp@cc.ncue.edu.tw

é  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。

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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。

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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。

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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:

KNO3(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%。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是使用這個原理來發光。通常,煙火的紅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)。

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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 TX10YouTubehttps://www.youtube.com/watch?v=WDWVBn9tHaQ。)

2.        橙光(Orange Light

藉由提供能量給鹽,激發原子外層電子而放射的光,屬於螢光,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。

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21氯化鈣硫酸鈣可產生橙光

(圖片來源:sakaki9122012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HDYouTubehttps://www.youtube.com/watch?v=LPeFnv48rC4。)

3.        黃光(Yellow Light

藉由提供能量給鹽,激發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。

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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。單獨使用於焰火可創造蘋果綠的顏色。

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23鋇鹽與氯化物質混合可產生明亮的綠光

(圖片來源:sakaki9122012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HDYouTubehttps://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。

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24氯化亞銅燃燒可放射藍光

(圖片來源:sakaki9122012 台北101跨年煙火秀 1080p Full HDYouTubehttps://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)以及銅乙醯亞砷酸銅(藍色)的混合物燃燒而產生如圖25所示。

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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,YouTubehttps://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。

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26鎂或鋁粉末燃燒可產生白光

(圖片來源:Arthur Chang2011-101跨年煙火,YouTubehttps://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。

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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。

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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 Chang2011-101跨年煙火.MP4YouTubehttps://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.

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