由煙火看化學 設計者:陳藝菁.

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1 由煙火看化學 設計者:陳藝菁

2 煙火的歷史記載 《本草經集注》 「先時有得一種物，其色理與朴消大同小異，月出月出如握不冰，強燒之，紫青煙起，雲是真消石也」。 南北朝 陶弘景
註：朴消指的是硫酸鈉，消石指的是硝酸鉀

3 煙火的發展 (1)十九世紀以前，煙火主要用於製造沖天炮和爆竹，人們在煙火中加入碳和鐵的添加物，使煙火產生橘色和黃色的色彩。
(2)十九世紀時，新的化合物開始用於製造煙火，例如銅、鍶和鋇的鹽類會使煙火添加了光燦奪目的色彩；鎂和鋁粉的加入會產生令人眩目的白光。從那時起，煙火就沒有太大的改變和進展。

4 煙火的原理 煙火中含有氧化劑和燃料，當氧化劑以很快的速度氧化燃料，因反應放出大量的熱量，使得燃料因燃燒而產生白色閃光；聲響是由於反應產生大量的氣體而與空氣摩擦造成的；顏色的效應，則起因於放射光譜。

5 煙火的構造與反應 煙火分頂部和底部：底部為火藥，一般用的是硫磺(S)、木炭(C) 與硝酸鉀(KNO3)的混合物；頂部有火藥、助燃劑、發光劑和發色劑。由外導火線把火藥點著後，煙火就直衝天上，之後，煙花的頂部就會達燃點，頂部火藥爆破後，發光劑及發色劑就飛向四面八方。

6 煙火的化學成分 發光劑 燃燒劑 花火劑 其他助劑

7 發光劑 主成分:照明劑、閃光劑、發色劑。 (1)照明劑:發光效率與其中含鎂粉比例有關， 常用鎂粉55% 、硝酸鈉40% 、合成 樹脂5% 。
(2)閃光劑:主要兩型，一種含鋁鎂合金，另一 種額外再加過氯酸鉀。 (3)發色劑:金屬鹽類。

8 燃燒劑 主成分： 燃料與助燃的氧化劑。 (1)燃料： 除了使用黑火藥，還有金屬燃燒 劑、石油燃燒劑…等。常用的燃
料有木炭、澱粉、有機化合物， 以及一些容易在空氣中氧化的合 金和金屬粉末。 (2)氧化劑： 常用含氧量大的無機鹽類，如含硝 酸根、 氯酸根、 過錳酸根…等。

9 花火劑 主成分： 可燃物、聲響劑與聲響閃光劑。 (1)可燃物： 一般採用鋁粉、鐵粉、硫和木 炭粉…等。
　　　　　炭粉…等。 (2)聲響劑： 常含過氯酸鉀和苯甲酸鉀。

10 其他助劑 (1)催化劑與抑制劑： 催化劑降低煙火燃燒所需的溫度，常用過渡元素氧化物為催化劑，以氧化鈷、氧化鉻及二氧化錳效果最強。抑制劑多為惰性物質，不直接參與燃燒，如硫酸鹽、磷酸鹽、碳酸鹽等。 (2)膠黏劑： 　使各原料粉緊密結合，常用樹脂和糊精等。 (3)發煙劑： 　分遮蔽發煙劑和有色發煙劑，遮蔽發煙劑經燃燒產生氣溶膠，吸收與散射光線；有色發煙劑主要原料有黃磷、紅磷、鋁粉、氧化鋅及染料等。

11 煙火的化學原理 (1)煙火的產生實為氧化還原作用，燃燒過程相當複雜，有熔化、氣化及晶體結構的改變。
(2)煙火燃燒過程中所釋出的化學能需大量轉成光能，才能有炫目的光彩，經計算需達3000K以上才能達成，因此需以燃燒後能產生高熔點的固體生成物之無機鹽作為燃料，並加以適當比例混合氧化物做助燃劑。 (3)煙火的顏色源於每種金屬鹽在高溫下都會發出獨特的焰色。

12 與煙火相關的化學常識 溫度與煙火的關係 與焰色相關的化學常識 與能階相關的化學常識

13 高溫煙火的計算原理 (1)化學能轉成光能的過程與溫度有關，黑體所放出的光能與黑體溫度四次方成正比。 E=σT4(σ為常數)
(2)黑體放射光的最強波長與溫度成反比。 　λ=C/T (C為常數)

14 顏色與黑體溫度關係 顏色 溫度 黑 ＜770K 稍微可見紅色 ~770K 暗紅 ~1000K 鮮紅 ~1200K 橘 ~1500K 黃
白 2800~9300K 藍白 ~10000K (資料取自余岳川，生活與化學2，眾光文化有限公司，台北市，民91年)

15 常見的焰色 Li：紅色 Na ：黃色 K ：紫色 Rb ：紅色 Cs ：藍色 Ca ：磚紅色 Sr ：血紅色 Ba ：綠色

16 焰色產生原理 當引進高溫火燄時， 化學物質氣化、原子化及激發電子，使金屬原子核外的電子吸收熱能而躍遷處於激發狀態。電子在激發態的壽命很短，立刻又躍遷回基態，將多餘的能量以光的形式放出。由不同能階轉移至另ㄧ能階所放射的光波長不同，因此肉眼可見不同焰色(原子能階差在可見光區：波長介於400~700 nm） 。

17 原子光譜與焰色 原子光譜為線光譜，不同原子之原子光譜各異，與其原子能階有關。當電子從高能階Ei躍遷到低能階Ej時可發射一個光子，其頻率為：
νij=(Ei-Ej)/h。

18 焰色之產生過程~以氯化鈉為例 NaCl (g) →Na (g) +Cl (g)
Na (g) →Na (g) ＊ ([Ne]3s1→ [Ne]3p1) 放光：Na (g) ＊ →Na (g) + hν(589nm：黃光)

19 火焰溫度與光線強度關係 S= = S：發射譜線強度 N1 ：已激發的原子個數，N0為未激發的原子個數 τ ：激發態原子的存在期
ΔE ：激發所需的能量 g1/g2 ：基態與激發態的比例 T ：火焰的絕對溫度 k ：波茲曼常數 N1ΔE N0ΔE g1 e-E/kT τ τ g2

20 焰色試驗化合物的特性 (1)具備揮發性。 (2)產生的光譜必須在可見光範圍(400~700nm) 。 (3)產生的光必須持續至足以鑑別。
(4)產生的光必須可與火焰的原來顏色做區別。 (5)當焰色互相干擾時，須能將干擾物質移去或用濾光片濾去干擾物質所發出的光波。

21 焰色試驗步驟 (一)將白金絲浸入濃鹽酸內，然後將白金絲放在本生燈上加熱至火焰不呈現特別的顏色。
(二)將乾淨的白金絲放入待測焰色化合物溶液中，沾取溶液後將白金絲由本生燈無色火焰較冷處由下而上移。

22 影響焰色的因素 (1)金屬離子在溶液中的濃度。 (2)原子在火燄中被激發的速度。 (3)溶液進入火焰的速率。 (4)火焰溫度。
(5)火焰成分。

23 焰色試驗改良方法 (1)將各式鹽類分別溶於酒精後裝於噴霧器，再以噴霧器噴向火焰，製造出各式焰色。
(2)北一女中周芳妃老師設計「毛細管煙火」實驗，以毛細管沾取少量鹽類固體粉末，以酒精燈焰加熱後可觀其焰色。

24 影響能階的因素 (1)核電荷。 (2)電子與原子核距離。 (3)遮蔽效應。 (4)穿透效應。

25 多電子原子的能階(1) 要考慮核對各電子的吸引力及電子間的互斥作用。 E=-2.179*10-18*(Z-σ)2/n2
E：毎ㄧ個電子的能量(j/個) Z：核電荷 σ：遮蔽常數 n：主量子數

26 多電子原子的能階(2) (1)隨主量子數n增大，主階能階變大，K＜L ＜M ＜N…，同一主層各副層能階順序隨l值增大而變大，所以產生能階分裂： Ens ＜Enp ＜End ＜Enf (2)因為屏蔽效應及穿透效應，所以產生能階交錯： Ens ＜E(n-2)f ＜E(n-1)d ＜Enp

27 屏蔽效應 (1)電子間的互斥而使核對外層電子的吸引被減弱的作用稱屏蔽效應。
(2)內層電子對外層電子的屏蔽作用較大，外層電子對內層電子可看做不產生屏蔽。 (3)離核愈近的主層上的電子被其他電子遮蔽的效應愈小，所以各電子層遮蔽作用大小為K ＞ L ＞ M ＞ N…

28 穿透效應 (1)外層電子的電子雲具有鑽到內部空間而更靠近核的現象較電子穿透，電子穿透降低了其他電子對他的屏蔽作用，而使軌域能量降低，這種效應稱為穿透效應。 (2)由電子雲徑向分佈圖發現：ns比np易穿透，np比nd易穿透。

29 能級交錯舉例說明 E4s＜E3d： 因為4s主量子數比3d大1，但l比3d小2，即穿透效應增大而使軌域能量降低的作用超過主量子數增加對軌域能量的升高作用。

30 煙火與化學 煙火巧妙的利用了化學品與溫度間的結合，再經由製作煙火的人美學的排列，決定燃燒的先後次序，當煙火引燃後，在漆黑的天空中即可綻放出繽紛的圖案。下回再看到煙火時，不妨也多想想煙火中有趣的化學原理。

31 煙火欣賞

32 The End