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2023 年 01 月 19 日 星期 放大 缩小 默认 
科普中国

浪漫的烟花?不过是焰色反应罢了!

成澄

  说起烟花,大部分人的第一反应会是“浪漫”“绚丽”“光彩夺目”……然而,根据《中国烟花爆竹标准——安全与质量》对烟花爆竹的定义,则是:以烟火药为原料,用于产生声光色的娱乐用品。一经定义,烟花瞬间便失去了几分浪漫的味道,但仍有不少人充满求知欲:到底是通过怎样的变化过程,才能绽放出如此美丽的烟花呢?

  焰色反应是一种定性分析法

  焰色反应是一种定性分析法,也称作焰色测试及焰色试验,是某些金属或它们的化合物在无色火焰中灼烧时使火焰呈现特殊颜色的反应,通常用于检测金属离子,判断物质中是否含有这些金属或金属化合物。

  最古老的定性分析法源自中国南北朝时期,著名的炼丹家和医药大师陶弘景在他的《本草经集注》中记载:“以火烧之,紫青烟起,云是真硝石(硝酸钾)也。”

  18世纪中叶,德国著名定性分析化学家马格拉夫在对比植物碱(草木灰,即碳酸钾)与矿物碱(苏打,即碳酸钠)转化生成的各种钾盐与钠盐的晶形、潮解性和溶解度时,发现了钠盐和钾盐可以分别使火焰着上各自特殊的焰色。自此,利用焰色反应鉴别钾盐和钠盐就成为了常用的定性分析手段。

  19世纪中叶,本生灯的出现又给焰色反应增加了一层神奇的色彩。本生灯能使煤气和空气在灯内充分混合,从而使煤气完全燃烧,产生几乎无色的高温火焰。利用这种灯,德国著名化学家本生展开了对焰色反应的详细研究,并在物理学家基尔霍夫的建议下,通过观察光谱,实现了对元素的定性检验,开创了分析化学的一个重要分支——光谱分析。

  由于每种元素都拥有自己的特殊“身份证”——特征谱线,所以,利用物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的光谱分析法就显得格外灵敏、迅速。历史上曾通过这种方法发现了许多新元素,如铷、铯、氦等。因为钠、锶等元素的光谱中有某些谱线占据了主导地位,所以它的焰色反应会非常明显,烟花制作者便是利用了这些特点,制作出了颜色亮丽的烟花。

  烟花绽放中的变化

  我们常见的烟花会在漆黑的夜幕中凌空而起,绽放出宛若流星陨落般的花火。

  其实,烟花与鞭炮的结构非常相似,它们都是用烟火药作为药引,药剂爆炸时会瞬间将烟花送上高空,而火药在高空中燃烧,就会形成烟花。

  在烟花制作过程中,制作人员会加入定量的金属发光剂(主要为铝粉和镁粉)和发色剂(主要是金属化合物)。当金属发光剂在氧气中充分燃烧,就会发出耀眼的白光;而发色剂中的金属和氧离子结合时,则会发生剧烈的焰色反应。此时,烟花就会产生出不同颜色的光芒。

  常见的发色剂,例如钠元素燃烧时产生黄色焰色,铜元素燃烧时产生绿色焰色,钾元素燃烧时则产生浅紫色焰色。烟花制作者会将这些物质进行巧妙的排序,来决定燃烧的先后次序。这就是我们能够在一发烟花弹中看见丰富多彩、变幻莫测的烟花的原因。

  看到这里,相信不少人都会觉得焰色反应是一种化学变化。其实不然,事实的真相是:焰色反应属于物理变化。因为在焰色反应中并没有新的物质生成,主要是物质内部的电子能级改变所产生的变化,并不涉及化学性质和其本身物质结构的改变。

  那烟花绽放存在化学变化吗?答案是存在的。当烟花升空,我们会听见花开的声音——砰!这是燃烧的火药在空中爆炸的声音,也是化学变化的开始。根据不同的药剂,烟花爆炸的声音也不尽相同。有的能产生出悦耳的哨声或笛声,有的则能产生出类似鸟鸣的“嗡嗡”声。

  既美观又环保的电子烟花

  “爆竹声中一岁除……”曾经,只要听到噼里啪啦的鞭炮声,看见一簇簇绚丽夺目的烟花,人们便知道,翘首以盼的春节即将来临。然而,近几年,越来越多的城市开始实施《禁止燃放烟花爆竹管理规定》,许多城市的天空不再有烟花,耳畔也不再有扰人清梦的鞭炮声。部分人对此举赞不绝口,部分人却认为失去了节日氛围,不免显得有些冷清。

  那么,你知道这些美丽的烟花与响亮的鞭炮,是无形的大气“杀手”吗?

  从古至今,我们都知道烟花爆竹具有易燃易爆的特点,每年春节因此造成的伤亡数不胜数。并且,烟花爆炸会产生大量二氧化硫、二氧化氮和PM2.5,这些刺鼻的气体不仅会对大气造成危害,更会影响人体的呼吸系统和心血管系统。

  随着时代的发展和科技的进步,越来越多的人开始关心环保问题,于是电子烟花由此诞生。

  电子烟花不采用烟火药和药引,单纯利用内部的电子元器件,通过灯光反射带、彩屑来产生传统烟花爆炸后的绚烂。例如2018年,河北就举办了一场美轮美奂的电子烟花展,展览结束后,既没有产生过多的刺鼻气味,也没有产生传统烟花燃放后会有的垃圾,甚至还能回收利用,非常环保。

  所以,并非只有传统烟花能为我们带来浓厚的节日氛围。你不妨转念一想,还有什么会比加入了人类科技智慧的电子烟花更酷炫更浪漫的呢?

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