温度与烟火的关系与焰色相关的化学常识与能阶相关的化学常识.ppt

由煙火看化學 設計者:陳藝菁 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 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。 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。 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。 煙火的化學成分 發光劑 燃燒劑 花火劑 其他助劑 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。 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。 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。 (2)聲響劑： 常含過氯酸鉀和苯甲酸鉀。 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。 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。 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 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) 顏色與黑體溫度關係 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 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） 。 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。 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) 火焰溫度與光線