小时候最爱过年，不仅可以收到压岁钱，不用上学还能睡到自然醒，更重要的是可以和小伙伴一起放烟花、放鞭炮。拿到压岁钱的男孩子们，在村口小卖部买上几盒摔炮和擦炮，一把窜天猴，一盒火柴，就可以玩一个下午，变着花样的“作妖”。尤其是擦炮，玩法非常多，用手掐着炮的“屁股”，或是扔到水塘里，或是扔在冰面上，其中最令人激动、最难以描述的莫过于炸新鲜牛粪，点燃后要迅速离开，玩的就是心跳……（注：以上为危险动作，请勿模仿）

擦炮。图片来源于网络

烟花爆竹在中国历史悠久，源远流长。相传最开始的爆竹是烧竹子，过程中就会发出劈里啪啦的声音，“爆竹”也因此得名。自唐朝前后出现火药后，人们将硝石、硫磺和木炭等填充在竹筒内燃烧，气势非凡，更增添了节日气氛。明朝瞿佑《烟火戏》有诗云“天花无数月中开，五色祥云绕绛台。堕地忽惊星彩散，飞空频作雨声来。”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。

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烟花中的“火药”成分复杂，一般由推进剂、爆炸物、氧化剂、发色剂和粘合剂等组成，有时还添加发声剂或发烟剂，其中包含着一系列复杂的化学过程，而且大多数都是固相反应，蕴含着许多有趣的知识和科学。烟花的颜色也涉及到焰色反应，如果没有这些金属离子做发色剂，烟花就只能呈现橙色、黄色和白色了。

2014年APEC烟花表演片段。图片来源于网络

Chemistry of Pyrotechnics（《烟花化学》）图书封面。图片来源于网络

传统的黑火药，包括硫磺、木炭和硝石，是组成推进剂、爆炸物和氧化剂的主要成分。点燃后迅速产生气体，将焰火射向空中，发出爆鸣声响，同时为发色剂提供能量。其中导火线也非常重要，从推进剂一直延伸到弹药的中部，决定了分布在四周的烟花弹丸在空中绽放的时间。

一枚“礼花弹”剖面图。图片来源于网络

理论上，黑火药按照“一硫二硝三木炭”的配比，燃烧生成硫化钾、氮气和二氧化碳。不过，真实的反应远比这个复杂得多。现代黑火药的硝石、木炭和硫磺的重量比为75:15:10；这一比例自1781年左右以来一直保持不变。有研究者计算过，现代黑火药的燃烧反应可用如下方程式近似表示 ^[1]。

可燃物：硫磺、木炭和硝石。图片来源于网络

除了硝酸盐外，氧化剂还经常使用氯酸盐或高氯酸盐，重铬酸钾和碱土过氧化物（SrO₂、BaO₂）等偶尔也会使用。它们分解产生氧气，可以使爆炸的温度迅速达到2000摄氏度，这样既可以使产生的气体以更快的速度膨胀，焰火铺展得更大，又可以让发色剂获得更多的能量，颜色更加明亮。粘合剂使火药能够密封在弹丸中，增加了烟花的耐水性和机械稳定性，防止制备、运输和储存过程中出现危险。

焰火有时也会添加金属粉末，比如Mg粉及其合金，Zr合金、Ni–Fe合金等等，使其更加明亮。前两年网红“仙女棒”，就是采用镁粉等金属材料加工而成的无烟焰火。由于烟火反应大多是固态反应，因此，金属的粒度和均匀性至关重要。有研究提出，采用纳米金属颗粒作为燃料，不过目前还主要应用于军事领域。

“仙女棒”。图片来源于网络

发色剂多采用金属离子，当它们获得爆炸产生的能量后，被激发至激发态，随后在跃迁回基态时，部分能量以光子形式发射，产生五颜六色的焰火。一般来说，锂发出红光，钠发出黄光，锶发出红光，钡和铜发出绿光，钙和钾分别产生砖红光和紫光，不过二者发光强度较低。另外两种碱金属，铷和铯，也能产生蓝紫色火焰，不过它们还能发射红外光，因此更多应用于军事烟火。

焰色反应。图片来源：高中化学教材人教版《必修一》

放烟花的过程像极了打开一个个盲盒，给愉快的新年带来了更多的未知和惊喜。尽管所有的焰火都是燃烧与爆炸，但通过不同的连接和组合方式，以及调节每个弹丸的燃烧时间，可以造就出各式各样的图案，比如菊花、垂柳和笑脸。

不同的排列方式。图片来源：explainthatstuff ^[2]

烟花的内部结构。图片来源：howstuffworks ^[3]

不过，放烟花正在慢慢变成一代人的回忆。近年来，随着各地“禁放令”的出台，越来越多的城市不能在燃放烟花爆竹了。一方面，燃放过程会产生大量有害气体和颗粒物，造成严重的空气污染；另一方面，烟花制备、运输和燃放过程中，也存在着火灾和人员伤亡的安全隐患。

烟花的组成和颜色。图片来源：compoundchem ^[4]

爆竹声声，扫尽去年的心中阴霾；春风送暖，带来新年的吉祥安康。如果你所在的地方不允许放烟花爆竹，我们至少可以在微信里一起放烟花放鞭炮呀

参考文献：

1. G. Steinhauser, T. M. Klapötke, “Green” Pyrotechnics: A Chemists' Challenge. Angew. Chem. Int. Ed., 2008 47, 3330-3347.

https://doi.org/10.1002/anie.200704510

2. Firework science

https://www.explainthatstuff.com/howfireworkswork.html

3. How Do Fireworks Explode in Specific Shapes?

https://science.howstuffworks.com/innovation/everyday-innovations/firework-shapes.htm

4. The Chemistry of Fireworks

http://www.compoundchem.com/2013/12/30/the-chemistry-of-fireworks/

（本文由小希供稿）