沒有各式各樣的礦物，就沒有絢麗繽紛的煙花

2024-02-12科學

春節期間，各式各樣的煙花表演在不斷上演（圖1）。五顏六色的煙花在夜空中相繼綻放，點燃我們記憶中地道的年味。夜空中絢爛的煙花流光溢彩，我們似乎很難將它和地下的「礦」聯系在一起。然而， 沒有各式各樣的礦物，就不會有煙花的五彩繽紛 。

圖1 五顏六色的煙花

早在隋唐時期，我們的祖先就已摸索出了煙花的配方：將特定比例的硝石、碳和硫裝至竹筒中向天空發射，便能因劇烈爆炸而產生聲響和火光。然而古代的煙花是單調的，因為相比於今天的煙花配方，它還缺乏一味使自己五光十色、華麗轉身的「添加劑」—— 含有特殊金屬陽離子的鹽類化合物 。

煙花呈現豐富多彩顏色的原理是 焰色反應 ：不同的金屬離子在火焰中灼燒時，會發生特定波段的電子躍遷，使火焰呈現出不同的顏色（圖2）。如：廚房中的燃氣竈充分燃燒時，火焰呈現藍色，但蘸上一點點食鹽（氯化鈉，NaCl）便會變為明黃色。我們也可以據此原理猜想原始煙花的顏色：古代沒有額外的添加劑，但硝石的成分是硝酸鉀（KNO），那古代的煙花就是紫紅色了！不好意思，回答錯誤——因為鉀和鈉的化學性質相似，鉀的化合物常常不可避免的混雜了一些鈉。而鉀燃燒產生的紫色又極易被鈉產生的黃光所掩蓋，所以古代的煙花很可能和我們今天最常見到的煙花一樣，是黃色的。

圖2 不同金屬的焰色反應

要想看到今天五顏六色的煙花，我們便需要添加不同種類的金屬元素；而要獲得不同種類的金屬元素，我們便需要認識開采 不同類別的金屬礦產 —— 鈣元素（Ca） 能使煙花呈現橙紅色，鈣的硫酸鹽礦物石膏（二水合硫酸鈣，CaSO·2HO）是它最常見的工業原料。自然界中石膏常以棱柱狀或纖維狀產出，自身無色透明（圖3），且硬度很低，用指甲刻劃都能留下劃痕。在沙漠地區，石膏能以片狀集合體產出，形成被譽為「沙漠玫瑰」的觀賞石（圖4）。石膏的用途實在太為廣泛，無論是肥料、建材、還是醫用、藥用，隨處可見它的身影。當然，鈣還有許多其他來源，如：石灰石（碳酸鈣）、白雲石（碳酸鎂鈣）等等，不再展開介紹。

圖3 石膏

圖4 「沙漠玫瑰」觀賞石

鍶元素（Sr） 能使煙花呈現艷麗的紅色。它在元素周期表中處於鈣的下一行，和鈣元素有類似的性質。生產鍶化合物的常見原料也來自於它的硫酸鹽， 天青石 （硫酸鍶，SrSO ）。完全不同於鍶鹽燃燒時發出的紅光，天青石得名於它頗具韻味的藍——天青色（圖5）。「雨過天青雲破處，這般顏色做將來」，天青這種顏色最初用於形容雨過天晴之初，天空還略顯陰郁的色調；後用於形容具有這種唯美顏色的汝窯（圖6）；近年由於被誤用在「天青色等煙雨」（周杰倫【青花瓷】）中得以被廣為人知。

圖5 天青石晶簇

圖6 汝窯天青釉（圖片自「故宮博物院「）

同樣身處元素周期表的同一列（ⅡA主族）， 鋇元素（Ba） 能使煙花呈現綠色。不難猜到，自然界中生產鋇鹽的原材料也是它的硫酸鹽礦物， 重晶石 （硫酸鋇，BaSO）。重晶石得名於它遠超其他常見礦物的比重：常見巖石的密度常是水的2-3倍；而重晶石卻是水的4-5倍。重晶石在自然界常以菱形的晶體產出，因混入的雜質而帶有不同的顏色（圖7）。由於鋇和鈣元素的性質類似，重晶石也可以形成「鋇」版本的「沙漠玫瑰」（圖8）。

圖7 金色的重晶石

圖8 重晶石「沙漠玫瑰」

銅（Cu）元素 的存在能使煙花產生藍綠色，這一顏色恰與自然界中銅的（堿式）碳酸鹽類似： 藍銅礦 （圖9）和 孔雀石 （圖10）。這兩種礦物以其鮮艷的顏色在中國古代被用作珍貴的礦物顏料。「丹青」中的「青」即是藍銅礦的別名「石青」。青花瓷的「青」也應是這種石青色，而非前文天青石的天青色。在顏料的用途外，藍銅礦和孔雀石兩種礦物還遠遠滿足不了人類對銅這一重要金屬的需要。目前我們利用的大部份銅，來自於銅的各類硫化物，如：黃銅礦（CuFeS）、斑銅礦（Cu FeS ）、輝銅礦( Cu S )、靛銅礦(CuS)、藍輝銅礦（ CuS ）等等。

圖9 藍銅礦
圖10 孔雀石

在上述元素之外，如：錳（紫光）、鎘（黃光）、鈷（藍光）等越來越多的元素也被逐漸開發，添加到了煙花的材料單上。而為了獲得更好的視覺效果並兼顧環保的需求，現在的高端煙花技術還會在配方中 添加少量的「工業維生素」——稀土元素 。不同稀土元素的加入能顯著改變焰火的光學效能：使火花顏色改變或是經久不衰（圖11）。2008年北京奧運會，正是采用了這種新技術生產的煙花，給國內外來賓留下了深刻印象（圖12）。