从化学的角度告诉你烟花炮竹绽放的原理

炮竹的成分

炮竹的主要成分是黑火药，即硫磺、木炭粉、硝酸钾，有的还含有氯酸钾。制作闪光雷、电光炮、烟花炮、彩色焰火时，还要加入镁粉、铁粉、铝粉、锑粉及无机盐。这些金属都有焰色反应，锶盐火焰呈红色、钡盐火焰呈绿色、钠盐火焰呈黄色。

由此可见大多数的的烟花颜色是由于焰色反应而形成的，而爆炸的原理又是什么呢？

黑火药着火时，发生如下化学反应：

2KNO3+ S + 3C = K2S + N2 ↑+ 3CO2 ↑ 

硝酸钾分解放出的氧气，使木炭和硫磺剧烈燃烧，瞬间产生大量的热和氮气、二氧化碳等气体。

由于体积急剧膨胀，压力猛烈增大，于是发生了爆炸，据测，大约每4克黑火药着火燃烧时，可以产生280升气体，体积可膨胀近万倍。在有限的空间里，气体受热迅速膨胀引起爆炸。

在爆炸时，固体生成物的微粒分散在气体里，所以产生大量的烟。由于爆炸时有K2S固体产生,往往有很多浓烟冒出，因此得名黑火药。黑火药属民用爆炸物品,爆燃瞬间温度可达1000C以上，破坏力极强。

黑火药敏感性强,易燃烧,火星即可点燃。黑火药的燃烧的产物大部分是二氧化碳和水,还有氮氧化物,还有少量CO、K2CO3、K2SO4和K2S2等,生成物中有许多固体物质残渣。

然而除了主要的黑火药燃烧的方程，我们还会在这之后闻到刺激性的味道，这是因为烟花爆竹中的硫燃烧生成二氧化硫，反应的化学方程式为：

S+O2=SO2

SO2是酸雨的重要组成，SO2是一种无色具有强烈刺激性气味的气体，易溶解于人体的血液和其他黏性液。大气中的SO2会导致呼吸道炎症、支气管炎、肺气肿、眼结膜炎症等。同时还会使青少年的免疫力降低，抗病能力变弱。SO2在氧化剂、光的作用下，能生成硫酸盐气溶胶，硫酸盐气溶胶能使人致病，增加病人死亡率。根据经济合作发展组织（OECD）的研究 ，当硫酸盐年浓度在10μg/m3 左右时，每减少10%的浓度能使死亡率降低0.5%； 

SO2还能与大气中的飘尘黏附，当人体呼吸时吸入带有SO2的飘尘，会使SO2的毒性增强。研究表明，在高浓度的SO2的影响下，植物产生急性危害，叶片表面产生坏死斑，或直接使植物叶片枯萎脱落；在低浓度SO2的影响下，植物的生长机能受到影响，造成产量下降，品质变坏。SO2对金属，特别是对钢结构的腐蚀。每年给国民经济带来很大的损失。据估计，工业发达国家每年因为金属腐蚀而带来的直接经济损失占国民经济总产值的2%～4%。 

二、五彩缤纷的烟花

过春节时，家家户户都喜欢烟花。烟花是由筒壳体（纸、塑料、薄金属片等材料制成），烟火剂，封口物质，附件（如尾翼底座、横担、轴、杆），点火装置（如引线、擦火板、电点火头等）组成。它利用烟火剂燃烧或爆炸时产生的光、色、音响、气动、发烟等效 应，使烟花成为一种供观赏品。

烟花是在火药（主要成分为硫黄、炭粉、硝酸钾等）中按一定配比加入镁、铝、锑等金属粉末和锶、钡、钠等金属化合物制成的。由于不同的金属和金属离子在燃烧时会呈现出不同的颜色（即“焰色反应”），所以烟花在空中爆炸时，便会绽放出五彩缤纷的火花。例如，铝镁 合金燃烧时会发出耀眼的白色光；硝酸锶和锂燃烧时会发出红色光；硝酸钠燃烧时会发出黄色光；硝酸钡燃烧时则会发出绿色光。

除了金属和金属化合物外，人们还会在烟花里加入不同剂量的氧化剂、助光剂和黏合剂。

氧化剂在燃烧时会产生大量氧气，起到助燃和使烟花颜色更加鲜艳的作用；

助光剂能大大提高烟花的亮度；

黏合剂则用来将粉末状的化合物组成大小不一的光剂颗粒。

如果把这些颗粒按一定的规则排列，就可以制成不同图案的烟花。如“向阳花”中间一圈放上发黄色光的颗粒，周围放上发绿色光的颗粒，到天空爆炸后，就会形成一朵绿叶扶衬的向日葵，美丽极了。

烟花的颜色是由于不同金属灼烧，发生焰色反应颜色不同造成的。烟花是利用各种金属粉末在高热中燃烧而构成各种夺目的色彩的。使用不同金属就能产生不同效果，发出不同颜色的光芒。

焰色反应：

钠（Na）：黄 

锂（Li）：紫红 

钾（K）：浅紫

铷（Rb）：紫

铯（Cs）：紫红 

钙（Ca）：砖红色 

锶（Sr）：洋红

铜（Cu）：绿

钡（Ba）：黄绿

烟花的原理

一、发光效应

发光效应是烟花药剂的一种主要效应。无论是能起照明作用的照明剂，还是能产生亮星的药剂，能产生一闪一熄的效果药剂，它们所产生的烟花效果都离不开发光效应。

利用烟花药品剂燃烧后产生的发光效应，在药剂中如增加金属粉（如铝粉、镁铝合金粉等）在药剂燃烧时即可生成固体和液体生成物，则离解出大量的光能和热辐射，发光强度有数十万国际烛光，温度可达数千度。烟花药剂就是利用这种发光效应而起到照明作用的。再利用这种发光作用，可制造出大小不一和形状不同的各种照明灯（弹）。

有的药剂被点燃后除了能产生一定光色外，还能在光截体中喷出许多金黄色或钢色，或是白色的亮星，把这种现象称为“喷波”（或拉波）。这种现象的产生也是利用发光效应。当将硬木炭粉或铝粉、铁粉加入药剂中，燃烧后有一些颗粒在光截体中没有完全燃尽被喷出，这些被喷出的颗粒再遇见空气中的氧，就会发生第二次燃烧反应，从而产生不同颜色和一定亮度。硬木炭粉可产生金黄色小星；铁粉可产生钢兰小星；铝粉可产生白色小亮星，利用喷波的作用，即可制造出各种烟花形象，如可制成金黄色、白色、钢兰色的各种喷花；或能产生乱窜的蝌蚪游水般的零部件（称为曲率）以及翻跟头的部件（称为绣球）等等。

有的药剂被点燃后能强烈地燃烧产生一定亮变和光色，并产生一亮一熄的脉冲现象。这种效果我们称为闪烁，也是利用发光效应的一种。在药剂中除了加入金属粉外，还要加入易产生大量的固体和液体生成物的材料。这样即可使药剂燃烧后，由于有金属粉存在则会产生较高的温度和较大的亮度，当固体和液体的残渣覆盖下一层等待燃烧的药剂时，即会出现低温辐射给人一种熄灭的感觉。当下一层药剂被点燃后，又会产生高温和较大的亮度。紧接着又用固体和液体残渣覆盖再下一层的药剂，以此推类，则会出现一亮一灭的现象。我们利用这种一亮一熄的脉动现象，可制造出有如雪花飘飘、红星闪耀等烟花成品和各种零部件。

大型烟花和空中礼花产生烟花效果时，同观众的眼睛直线距离一般都不少于数十米，甚至数百米，如果它们产生的光色暗淡，则不会收到较好的效果。这就要求这二类烟花除了光色正确外，还要有一定的亮度。这也即是说除了要求获得色纯度比较高的火焰外，同时也要利用药剂的发光效应使火焰具有鲜艳的效果，要想获得美丽鲜艳的火焰，也必须加入一定量的金属粉。

二、焰色效应

烟花药剂燃烧时除了能发光外，还要产生不同颜色的火焰。火焰颜色是由于烟花药品剂燃烧时，它的各组成成分间起了某种化学反应生成了某些原子或分子，这些分子或原子以一定的频率振动，在可见光谱范围内呈现一定波长的谱带或谱线，从而使火焰着色成为有色火焰，这种现象称为“焰色效应”。

根据产生焰色效应的原理，可以制成各种颜色的火焰，其办法即是在烟花药品剂中，加入一些能使药剂燃烧时火焰能染成需要颜色的物质。例如：红色火焰是利用氯化锶的分子辐射光谱；绿色火焰是利用氯化钡、氧化钡的分子辐射光谱；兰色火焰是利用氯化铜分子辐射光谱。橙色和紫色火焰则是利用光谱色混合规律而创造出来的，用红色光和黄色光可配成橙色光；用红色光和兰色光可配制成紫色光。采用这些燃烧后能产生有火焰的药剂，可制成各种色彩鲜艳的发光体（如药柱、药球、药粒），可制成一面旋转一面喷花的转花；可制成被点燃后连续射出各种色彩球的魔术棍；可制成在空中构成非常鲜艳无比、变化无穷的各式各样的花形图案等等。

三、声响效应

某些烟花药剂在某种容器中，被点燃后有的由燃烧转为爆燃而发出闪光的雷声；有的由于产生的气体从喷孔中能发出悦耳的哨声或笛声；有的能产生类似鸟叫或嗡子声音，我们管这种现象称之为“声响效应”。

利用烟花药剂燃烧时能产生声响效应，可制造和设计出许多种烟花零部件和成品。

如将黑火药系列的药剂装在纸筒中，两头压上泥塞的纸筒中，在药剂上边再扦上一根引线，引燃后会产生悦耳的哨子声或笛子声。

如将高氯酸钾和铝粉等混合后装在纸筒中并封闭严实或用几层纸条缠紧成包状，用导火索点燃会产生爆炸声和耀眼的闪光。

利用这些“声响效应”可制成如称为筒雷、包雷、嗡子、小鸟、哨子、笛子等部件，再采用这些部件又可以配成许多种大小烟花和空中礼花，如：小火箭的“响弹”，大型烟花的“百鸟齐鸣”，空中礼花的“雷鸣花开”等等。

四、气动效应

某些药剂燃烧后能产生大量的气体，能使纸制品旋转或升到空中，或连续喷出彩星，或连续射出烟花部件（如彩星、哨子等），或将壳体炸开，这些现象的产生，就是由某些烟花鞭炮药剂燃烧后产生的气动效应造成的。利用烟花药剂燃烧后能产生的“气动效应”在药剂中加入能燃烧反应剧烈和产生大量气体及有一定燃烧速度的成分，可制成能产生不同烟花效果的喷花、射珠、旋转、火箭、升空等类型的烟花，以及构成各种花形图案的空中礼花。

利用烟花药剂燃烧时产生的气体，由纸管孔中间向外喷射产生的反作用力，可使烟花围绕一个轴心旋转，并喷出彩色的火焰，可制成手持、悬吊、地面等类型的各种小型烟花，也可制成大型的悬挂烟花，可制成用于空中礼花的大小型旋转的部件，并以它们为主体可配制成如“钢花四射”，“彩轮飞舞”等品种的礼花。

利用属于黑火药系列的药剂作喷射药，将它们和许多小药粒混合均匀装入纸管中，药剂被点燃后会产生大量气体，点燃药粒将它们从纸管喷出。可配制成各种手持类、地面类小型烟花（如“春花怒放”、“凤尾花”等）也可配制成各种大型地面烟花。利用小粒黑火药或类似的粒状药作发射药，在药剂上边再放上药块或曲率等部件。当发射药被点燃后会产生大量气体，能将零部件引燃并抛到空中。有的连续射出单色或多色的彩星；有的一声哨子叫并在空中开一朵小花。在大小烟花和空中均可采用，例如应用在低空抛射式小型烟花中抛出烟火零部件和手持小型烟花的夜明珠中连续射出彩星。

利用黑火药系列药剂，压装在火箭纸管中，被点燃后会产生大量气体由喷孔中喷出，受空气摩擦产生声响，并使火箭的发射载体飞到空中。在火箭载体上边再装上药块和喷射药，会在空中呈现一朵小鲜花，如装入一些小炮，会在空中产生炮竹数响。

利用燃烧速度比较快又能喷出小亮星（称为“波”）的有光色的药剂，装在有喷孔的纸管中，被点燃后可喷出一定光色的火花和许多“波”，会在空中形成独特美丽的图案。应用在制造烟花零部件中可设计成“波曲率”、“绣球”。并可应用在大小型烟花和大型烟花“红太阳”中的喷花管和小型烟花“金盘玉盏”。

烟花制品有时需要用某些类似猛炸药的专用爆炸药（如稻壳炸药、谷糠炸药、棉籽炸药等）。这些类似猛爆药性质的专用炸药管，被点燃后能产生大量气体，会炸开制药的外壳，并将在制药中的零部件抛出或点燃，这也是利用烟花药剂燃烧产生气动效应的一种现象，这种烟花的专用炸药广泛应用在空中礼花中，也可用在大小型烟花中。

五、发烟效应

烟花药剂燃烧时能产生发光、焰色、声响和气动效应外，还能产生发烟效应。在含有氧化剂、可燃剂和有机染料的烟花药剂中，由于燃烧时氧化剂和可燃剂反应放出热量，使有机染料直接升华成蒸气，并在大气中冷凝成为有色烟，这种现象我们称为“发烟效应”。

根据上述产生有色烟的原理，可制成各种颜色的烟云。加入酞青兰可获得兰色烟；加入碱性嫩黄O可获得黄色烟；加入烟雾红可获得红色烟；加入槐黄和次甲兰可获得绿色烟。

为了获得有色烟，在药剂中只能应用有机染料，不能使用金属可燃物，否则会使染粉分解。