初探烟花爆竹中的化学知识*

张小波

（张掖市第二中学 甘肃 张掖 734000）

中国北宋时期的政治家、文学家、思想家、改革家王安石（公元1021年—公元1086年）的《元日》诗：“爆竹声中一岁除，春风送暖入屠苏。千门万户曈曈日，总把新桃换旧符。”作者选择了过年时最典型的喜庆场景，展现了一幅富有浓厚生活气息的中国民间风俗画卷。在中国，烟花爆竹是逢年过节必不可少的元素，燃放烟花爆竹是为了营造欢快、喜庆的气氛，点燃人们激动的心情，表达了人们的祝福，展现了幸福美好的生活。对孩子及年轻人来说，这也是一种娱乐活动。

烟花爆竹是指以“烟火药”为主要原料，引燃后通过燃烧或爆炸产生光、声、色、形、烟等效果，用于观赏的具有易燃、易爆性质的特殊物品。烟花和爆竹有区别，从出现的年代来说，爆竹早于烟花。从侧重的效果来说，烟花以冲击人们的视觉为主，同时能形成各种各样的色彩和图案，并能发出一定的音响效果；而爆竹则以刺激人们的听觉为主，辅以闪光等效果。烟花爆竹燃放的过程涉及了许多复杂的化学反应，爆竹声声除旧岁，烟花朵朵学化学。

一、烟花爆竹的起源、发展

在火药发明之前，人们就是靠烧竹子制造爆炸声的，所以被称为“爆竹”。放爆竹是一种传统的民间习俗，在中国已有两千多年的历史。春秋末年，政治家范蠡（公元前536 年—公元前448 年）在《陶朱公致富奇书》中记载：“除夜烧盆爆竹与照田蚕看火色，同是夜取安静为吉”。西汉文学家东方朔（约公元前161年—公元前93年）的《神异经·西荒经》有记载：“西方深山中有人焉，身长尺余……名曰山臊，其音自叫。人尝以竹著火中，爆烞（竹爆裂声）而出，臊皆惊惮。犯之令人寒热。此虽人形而变化，然亦鬼魅之类，今所在山中皆有之。”南北朝梁时，宗懔（约公元501年～公元565年）所撰的《荆楚岁时记》是保存到现在的我国最早的一部关于岁时节令习俗的著作，其中有这样的记载：“正月一日，是三元之日也，《春秋》谓之端月。鸡鸣而起，先于庭前爆竹，以辟山臊、恶鬼。”唐朝人李畋（公元621 年—公元691 年）将硝石装在竹筒里，点燃后发出了更大的声响，放出了更浓烈的烟，最终驱散了山岚瘴气，遏制了疫病流行。从此以后，爆竹很快被推广开，李畋也被人们奉为“花炮祖师”。可见，燃放爆竹的习俗从一开始就被披上了浓厚的迷信色彩，这完全是由于古人的误解所致。

隋唐时期，我国古代四大发明之一的火药被发明出来，晚唐（9 世纪末）出现了黑火药。火药成为供娱乐用的焰火，焰火也叫烟火、烟花。可见，爆竹的发明早于烟花。火药是由一群炼丹的道士在炼制所谓长生不老药时得到的“副产品”。由于炼丹的过程需要使用猛火进行高温烧灼，炼丹者通常会将硫黄、硝石等物质混合，使其发生剧烈的燃烧反应，所以经常有炼丹失火甚至爆炸的事故发生。早在一千三百多年前，我国著名医学家孙思邈（约公元581年—公元682年）也研究过炼丹术，在《丹经内伏硫黄法》中详细记载了当时所用的火药成分和性质。

北宋宣和（公元1119 年—公元1125 年）年间，我国以火药为原料的烟花已发展成熟了［1］，出现了大规模的成架烟火，如“架子烟火”“盆景烟花”。到了明清时期，烟花爆竹在我国民间已经很盛行了，凡是碰到重大节日、重大事件等人们都要燃放爆竹来表示庆贺或祈求神灵、祖先保佑全家顺利、万事如意。后来，人们又不断的进行各种化学试验，发明了炸药。将炸药放在竹筒里燃放，可以产生更大的声音，也可以将炸药卷在纸里制成类似现在的鞭炮。近几个世纪，人们又向其中加入了产生颜色的发色剂，开发出五彩斑斓的烟花和丰富多彩的图案，比如菊花、垂柳和笑脸等，增加了烟花的观赏性。

二、烟花爆竹的化学成分

烟花爆竹中的成分在一定条件下（吸湿受潮、接触明火、撞击、摩擦、受热等）因发生化学反应而引起燃烧、爆炸。它的成分因燃放要求、效果的不同而有所变化，不管是在物质的种类，还是在物质的用量配比方面都有着复杂的不同，但总的来说，它的成分一般主要包括以下四大类：

1.第一类是氧化剂

硝酸盐（硝酸钠、硝酸钾、硝酸钡、硝酸锶、硝酸铵）、高氯酸盐（高氯酸铵、高氯酸钾）、硫酸盐（硫酸镁、硫酸钡、硫酸钙）、重铬酸盐（重铬酸钾）、氧化物（四氧化三铅）、碱土过氧化物（过氧化钡、过氧化锶）等都是常见的氧化剂。烟花爆竹药剂的燃烧过程中涉及的化学反应以氧化还原反应为主，即主要物质是氧化剂和还原剂（可燃剂）。氧化剂的主要作用是使燃料更加容易且剧烈地燃烧，从而产生绚丽夺目的效果。

烟花爆竹中的火药就是在黑火药的基础上发展起来的，成分主要是硝酸钾、硫黄、炭粉、蔗糖和镁粉。点燃后的反应主要是（1）S（s）+2KNO3（s）+3C（s）====

K2S（s）+N2（g）+3CO2（g）；ΔH= -707 kJ/mol，（2）2Mg+O2====2MgO。从氧化还原的角度来说，硝酸钾和氧气都是氧化剂，促使硫黄、炭粉和镁粉剧烈燃烧，短时间在狭小的空间内生成大量气体（N2和CO2），放出大量热量，从而引发了烟花爆竹的爆炸。烟花爆竹中的药剂燃烧后产生大量的气体，将纸制品旋转、升空，喷彩星和烟花部件，最终将壳体炸开，可制成能产生不同效果的烟花和各种花形图案的空中礼花。

另外，随着烟花爆竹生产工艺的提高，国家对环保的要求以及从安全角度的考虑，原料的种类也在不断地进行更新换代。比如说氯酸钾，它的熔点是356 ℃，分解温度约为360 ℃，即熔化后就会分解放出氧气：2KClO3====2KCl+3O2↑，在分解过程中每摩尔氯酸钾能放出106千卡的热量。如果在生产、储存及运输的过程中一旦遇上明火、剧烈的摩擦或碰撞都有可能发生爆炸，所以，国家已禁止在爆竹生产中使用氯酸钾［2］，只允许用于烟雾类、摩擦类和擦火药头。但是，由于氯酸钾价格较低，而且可以直接产生氧气，有些不良生产厂家为了利益最大化还在违规使用，给人民的生命财产安全造成了极大的潜在威胁，所以，我们应该通过正规渠道购买大厂家生产的爆竹。

2.第二类是可燃剂

金属粉末（镁、铝、镁铝合金、铁、钛、锌、锑）、非金属单质（硫黄、木炭、赤磷、硅）、无机物（硫化锑）和有机物（乳酸、邻苯二甲酸氢钾、没食子酸）等是常见的可燃剂。可燃物为火药的燃烧、爆炸提供热量，可燃物活性和蕴含热量的多少决定了火药燃烧速度的快慢。黑火药中的硫黄、炭粉和镁粉就是可燃物。

铝粉、镁粉燃烧剧烈，最高温度可达3 000 ℃，并发出耀眼的白光。若镁粉、铝粉等金属粉末发生火灾时，不可用水施救，可使用砂土、干粉进行扑救。因为镁粉、铝粉等金属粉末在高温条件下与水会发生反应生成可燃气体——氢气，同时放出大量热量，使燃烧更加剧烈，所以不能用水进行灭火。而使用砂土、干粉可以隔离金属粉末与空气，避免它们直接接触，从而达到灭火的目的。

需要说明的是，很多化学药剂在烟花爆竹中的作用是多重的，而不是单一的。比如说镁，镁和氧气反应特别剧烈，放出大量的热量，发出耀眼的白光。可见，镁一方面是可燃物，另一方面是发光剂，放出的热量不仅直接可以引起爆炸，而且还可以引发其他反应，因为有些反应需要加热才能发生。硫黄、酚醛树脂、虫胶、淀粉等在烟花爆竹中既可作可燃物，又可作粘合剂。所以，我们对各成分的性质和用途应有全面的了解。

3.第三类是火焰发色剂

发色剂能产生五彩缤纷的光芒，发色剂大多是一些金属盐类（如锂盐、钠盐、钾盐、铷盐、钙盐、锶盐、钡盐和铜盐）。锂产生紫红色、钠产生黄色、钾产生紫色、铷产生紫色、钙产生砖红色、锶产生洋红色、钡产生黄绿色、铜产生绿色。在这些基本色的基础上，研究人员可以搭配出五颜六色，从而在节日的夜空绽放出绚丽的色彩。另外，铷和铯除了能产生蓝紫色火焰外，它们还能发射红外光，因此更多应用于军事烟火。

发色剂能为烟花提供各种各样的色彩，可以利用丹麦物理学家玻尔提出的玻尔理论中的电子跃迁规则来解释。当碱金属盐、碱土金属盐、铜盐等灼烧时，电子由于吸收了光子就会从能量较低的基态跃迁到能量较高的激发态。反过来，激发态的电子会放出光子而返回基态或能量较低的激发态，光子的能量为跃迁前后两个能级的能量之差［3］。放出的光的波长在可见光范围内，所以能使火焰呈现不同颜色，这就是焰色试验。焰色试验是原子内部电子能级的改变，不涉及物质结构和化学性质的改变，并未生成新物质，所以，焰色反应是物理变化，是元素的性质。

4.第四类是其他特效药剂

（1）发光剂

烟花爆竹中发光剂种类很多。照明剂发光强度较高，照明时间较长。火焰温度一般高于2 000 ℃；由活泼性强的金属锆、钛、镁、铝等粉末组成的闪光剂被发射升空后能与氧化合，剧烈燃烧过程中放出大量的热，从而使温度高达3 000 ℃以上，同时还会放出耀眼的强光。

（2）发烟剂

烟花爆竹能发烟的基本原理是的发烟剂通过燃烧分散成比较稳定的气溶胶，气溶胶中的分散质（固体或液体微粒）通过吸收与散射光线以达到遮蔽目标和显色的作用。烟花爆竹中常用的发烟剂有黄磷、赤磷、HC 烟雾剂（六氯乙烷、铝粉和氧化锌）、有机染料（药剂燃烧放出的热量能使有机染料升华成蒸气，随后在大气中凝华成有色烟）等。

（3）粘合剂

松香和虫胶等天然树脂、聚氯乙烯树脂和酚醛树脂等合成树脂、糊精、聚乙烯醇、乳白胶、硝化纤维素、沥青等是常见的粘合剂。他们能将药剂中不同成分粘结在一起，以达到成型的目的，同时增加了烟花的耐水性和机械稳定性，防止生产、运输和储存过程中发生危险。粘合剂一般用酒精、香蕉水、甲苯、汽油等有机溶剂来溶解。

（4）其他添加剂

钝化剂和稳定剂能够防止烟花爆竹由于反应剧烈而变成炸弹。在研发、设计环节科研人员就要考虑药剂发生化学反应的速率问题，这一点非常重要，牵扯到安全问题。石蜡、硬脂酸等常作钝化剂，蓖麻油、亚麻籽油、凡士林、聚酯等常作稳定剂。为了加强烟花爆竹的稳定性，调节火药燃烧的速度，我们还可以加入加速或减速剂，如草酸钠、碳酸氢钠、硫酸钡、淀粉。

某些烟花药剂被点燃后会发出雷声、哨声、笛声、鸟叫或蚊子声音，利用这种现象我们可以制造许多种大小不同的烟花和空中礼花。当然，有些声音是药剂燃烧过程中伴随的，为了产生特定声音，科研人员需要专门加入发声剂，如：没食子酸、苯甲酸钾、邻苯二甲酸氢钾等。

此外，我们还可以在药剂中加入防腐剂、防潮剂（丙酮、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯、甲醇、硝化纤维素、赛璐珞、正丁醇、醇酸树脂的混合物）等添加剂。

三、烟花爆竹的危害

1.燃放烟花爆竹能释放烟尘和大气污染物

烟尘会使大气中的PM2.5浓度增加，大气污染物（二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮等）会刺激呼吸道黏膜，引发气管炎、支气管炎等呼吸系统疾病。大气污染物会损害人体肺部组织、神经和心血管系统、眼睛等器官，对人体健康造成严重危害。

2.燃放烟花爆竹能产生噪声污染

据环保部门对北京、上海、武汉等10 大城市春节期间的烟花爆竹污染情况进行监测，发现燃放烟花爆竹地区的噪声远远超过了人的听觉范围和耐受限度。高强度的噪音对患有心、脑血管等疾病的病人来说危害十分严重。

3.燃放烟花爆竹可能引发火灾

烟花爆竹属于易燃、易爆品，有巨大的火灾安全隐患，尤其是在人口相对密集的城区燃放高空烟花时非常危险，给人民的生命和财产安全带来巨大的威胁。

4.燃放烟花爆竹可能会对人体造成伤害

烟花爆竹的爆破力很强，因此而导致的炸伤事故屡见不鲜，轻则眼、口、手、鼻、面部形成创伤，经住院治疗后恢复健康，重则终生落下残疾，甚至当场危及生命。

5.燃放烟花爆竹能产生垃圾、造成水体污染

燃放烟花爆竹后垃圾量会成倍地增加，倘若没能及时清理，一阵风过后，满地都是烟花爆竹的残渣，增加了环卫工人的工作量。如果是在下雨或下雪时燃放烟花爆竹，残渣会和雨、雪混到一起，附着在地面，不容易清理，雨水或融化后的雪水还会将残渣冲入附近水域，造成污染。所以说结果很糟糕，后果很严重。

四、结语

燃放烟花爆竹虽然是我们中华民族的一种民俗文化，但是烟花爆竹属于易燃、易爆物品，在这里呼吁大家积极响应国家以及地方政府的要求，在规定的时间、区域燃放规定种类的烟花爆竹。不要在“禁燃区”燃放。容许燃放烟花爆竹的地方也要选择室外开阔地，远离房屋密集区，远离加油站、变电站、燃气站等危险场所，燃放爆竹时不可用手拿，放在地上时要小心附近有没有井盖，以防引燃沼气，发生爆炸，要燃放正规厂家生产的烟花爆竹，燃放前看好说明等等。