没有各式各样的矿物，就没有绚丽缤纷的烟花

2024-02-12科学

春节期间，各式各样的烟花表演在不断上演（图1）。五颜六色的烟花在夜空中相继绽放，点燃我们记忆中地道的年味。夜空中绚烂的烟花流光溢彩，我们似乎很难将它和地下的「矿」联系在一起。然而， 没有各式各样的矿物，就不会有烟花的五彩缤纷 。

图1 五颜六色的烟花

早在隋唐时期，我们的祖先就已摸索出了烟花的配方：将特定比例的硝石、碳和硫装至竹筒中向天空发射，便能因剧烈爆炸而产生声响和火光。然而古代的烟花是单调的，因为相比于今天的烟花配方，它还缺乏一味使自己五光十色、华丽转身的「添加剂」—— 含有特殊金属阳离子的盐类化合物 。

烟花呈现丰富多彩颜色的原理是 焰色反应 ：不同的金属离子在火焰中灼烧时，会发生特定波段的电子跃迁，使火焰呈现出不同的颜色（图2）。如：厨房中的燃气灶充分燃烧时，火焰呈现蓝色，但蘸上一点点食盐（氯化钠，NaCl）便会变为明黄色。我们也可以据此原理猜想原始烟花的颜色：古代没有额外的添加剂，但硝石的成分是硝酸钾（KNO），那古代的烟花就是紫红色了！不好意思，回答错误——因为钾和钠的化学性质相似，钾的化合物常常不可避免的混杂了一些钠。而钾燃烧产生的紫色又极易被钠产生的黄光所掩盖，所以古代的烟花很可能和我们今天最常见到的烟花一样，是黄色的。

图2 不同金属的焰色反应

要想看到今天五颜六色的烟花，我们便需要添加不同种类的金属元素；而要获得不同种类的金属元素，我们便需要认识开采 不同类型的金属矿产 —— 钙元素（Ca） 能使烟花呈现橙红色，钙的硫酸盐矿物石膏（二水合硫酸钙，CaSO·2HO）是它最常见的工业原料。自然界中石膏常以棱柱状或纤维状产出，自身无色透明（图3），且硬度很低，用指甲刻划都能留下划痕。在沙漠地区，石膏能以片状集合体产出，形成被誉为「沙漠玫瑰」的观赏石（图4）。石膏的用途实在太为广泛，无论是肥料、建材、还是医用、药用，随处可见它的身影。当然，钙还有许多其他来源，如：石灰石（碳酸钙）、白云石（碳酸镁钙）等等，不再展开介绍。

图3 石膏

图4 「沙漠玫瑰」观赏石

锶元素（Sr） 能使烟花呈现艳丽的红色。它在元素周期表中处于钙的下一行，和钙元素有类似的性质。生产锶化合物的常见原料也来自于它的硫酸盐， 天青石 （硫酸锶，SrSO ）。完全不同于锶盐燃烧时发出的红光，天青石得名于它颇具韵味的蓝——天青色（图5）。「雨过天青云破处，这般颜色做将来」，天青这种颜色最初用于形容雨过天晴之初，天空还略显阴郁的色调；后用于形容具有这种唯美颜色的汝窑（图6）；近年由于被误用在「天青色等烟雨」（周杰伦【青花瓷】）中得以被广为人知。

图5 天青石晶簇

图6 汝窑天青釉（图片自「故宫博物院「）

同样身处元素周期表的同一列（ⅡA主族）， 钡元素（Ba） 能使烟花呈现绿色。不难猜到，自然界中生产钡盐的原材料也是它的硫酸盐矿物， 重晶石 （硫酸钡，BaSO）。重晶石得名于它远超其他常见矿物的比重：常见岩石的密度常是水的2-3倍；而重晶石却是水的4-5倍。重晶石在自然界常以菱形的晶体产出，因混入的杂质而带有不同的颜色（图7）。由于钡和钙元素的性质类似，重晶石也可以形成「钡」版本的「沙漠玫瑰」（图8）。

图7 金色的重晶石

图8 重晶石「沙漠玫瑰」

铜（Cu）元素 的存在能使烟花产生蓝绿色，这一颜色恰与自然界中铜的（碱式）碳酸盐类似： 蓝铜矿 （图9）和 孔雀石 （图10）。这两种矿物以其鲜艳的颜色在中国古代被用作珍贵的矿物颜料。「丹青」中的「青」即是蓝铜矿的别名「石青」。青花瓷的「青」也应是这种石青色，而非前文天青石的天青色。在颜料的用途外，蓝铜矿和孔雀石两种矿物还远远满足不了人类对铜这一重要金属的需要。目前我们利用的大部分铜，来自于铜的各类硫化物，如：黄铜矿（CuFeS）、斑铜矿（Cu FeS ）、辉铜矿( Cu S )、靛铜矿(CuS)、蓝辉铜矿（ CuS ）等等。

图9 蓝铜矿
图10 孔雀石

在上述元素之外，如：锰（紫光）、镉（黄光）、钴（蓝光）等越来越多的元素也被逐渐开发，添加到了烟花的材料单上。而为了获得更好的视觉效果并兼顾环保的需求，现在的高端烟花技术还会在配方中 添加少量的「工业维生素」——稀土元素 。不同稀土元素的加入能显著改变焰火的光学性能：使火花颜色改变或是经久不衰（图11）。2008年北京奥运会，正是采用了这种新技术生产的烟花，给国内外来宾留下了深刻印象（图12）。