煙花響子化學成分的深度分析
所謂響珠，就是在煙花產品中將煙火藥滾制成藥珠，點燃后產生像爆竹一樣的噼啪爆炸聲，同時發出耀眼的白色閃光煙火效果。因其體積小、制作工藝比爆炸簡單得多，所以在煙花產品制作過程中一直倍受青睞。
我們都知道，在煙花產品中要產生爆炸效果，必須將煙火藥裝填在一個密封的且比較結實的容器中，引燃煙火藥后，通過煙火藥的急速反應產生高溫高壓氣體，當這個高溫高壓氣體在瞬間突破容器的束縛時，就會有巨大的能量急劇釋放，振動空氣，發出聲響，產生爆炸效果。
我們也知道，響珠在反應過程中藥珠是完全裸露的，根本就沒有容器包裹煙火藥；另外響珠的效果藥主要是以紅丹粉（Pb3O4），氧化銅粉（CuO），鎂鋁合金粉（Mg4Al3），加上適量的黏合劑通過一定的比例均勻混合后制成顆粒狀藥粒，而這幾種藥物在點燃后雖然能發生鋁熱式反應，放出大量的熱，但在這個反應中根本就不會有氣體產物生成，也就不可能產生高溫高壓氣體了。也就是說，在響珠效果藥的反應過程中，形成爆炸的兩個基本條件在這當中一個都沒有，而它卻實實在在的能夠產生爆炸的效果，是不是我們的爆炸理論是錯誤的呢？下面我就這個矛盾的現象從理論上進行分析解釋。以期起到拋磚引玉的作用，供業界同仁共同參考。
首先我們來分析一下響珠效果藥的反應本質，當活潑金屬粉和不活潑金屬的氧化物粉末充分混合后，在一定條件下它們能發生激烈的鋁熱式反應，同時釋放出大量的熱能。
紅丹粉跟鎂鋁合金粉的反應過程可表述如下：
Pb3O4+Mg4Al3—→Pb + MgO + Al2 O3 + 熱量
氧化銅粉跟鎂鋁合金粉的反應過程可表述如下：
CuO+ Mg4Al3—→Cu+ MgO + Al2O3 + 熱量
從這兩個反應式我們不難看出，我們上面的分析是對的，反應過程中不可能有氣體產物生成。
下面我們從另一角度熱效應來詳細分析一下以上兩個反應分別能放出多少熱量。
1、紅丹粉跟鎂鋁合金粉反應
17Pb3O4+8Mg4Al3＝ 51Pb +32 MgO +12 Al2O3+ 熱量
9962 1424 8874 1288 1224
在這個反應中的各種物質的標準生成熱分別為：Pb3O4:715kj/mol， Mg O: 611kj/mol， Al2 O3 : 1675.7kj/mol，金屬單質均為0，通過計算我們得知在這個反應中每克煙火藥劑反應后可以放出2.42kj的熱量。
2、氧化銅粉跟鎂鋁合金粉反應
17CuO+2 Mg4Al3 ＝ 17Cu +8 MgO + 3Al2 O3 + 熱量
1351.5 356 1079.5 322 308
在這個反應中的各種物質的標準生成熱分別為：
CuO：157kj/mol，MgO: 611kj/mol， Al2O3: 1675.7kj/mol，金屬單質均為0，通過計算我們得知在這個反應中每克煙火藥劑反應后可以放出4.24kj的熱量。
跟其他的煙火藥相比較，這兩個反應中的放熱量是很大的，特別是氧化銅跟合金粉的反應，所產生的熱效應幾乎可以跟梯恩梯相媲美。因此它們放出的熱量可使反應產物的溫度急劇升高，經查閱，各種與之相關物質的熔沸點分別如下：
物質名稱 熔點（℃） 沸點（℃）
鉛（Pb） 327.4 1740
銅（Cu） 1083 2595
鎂（Mg） 651 1107
鋁（Al） 660.37 2494
氧化鎂（MgO） 2800 3600
氧化鋁（Al2O3） 2050 2980
從上表我們可以看出氧化鎂和氧化鋁是很難熔化和汽化的非金屬物質狀態，它們的導熱性能遠遠低于金屬。所以反應放出的熱量主要是被金屬銅和鉛所吸收，因此產物中的銅和鉛的溫度上升速度要比氧化鎂和氧化鋁快得多，最終銅和鉛的溫度也就會急劇升高。
銅的比熱容是0.386 j/g﹒℃，鉛的比熱容是0.128 j/g﹒℃
假設反應所放出的熱量全部被生成的銅或者鉛吸收的話，我們可以計算得出以下結論：
1、在紅丹跟鎂鋁合金的反應中，鉛的溫度可以急劇上升到2360℃，這個溫度遠遠高于鉛的沸點1740℃，減去氧化鎂和氧化鋁吸收的部分熱量以及鉛在熔化時消耗的熔解熱，鉛的溫度仍然足以上升到它的沸點以上。也就是說，鉛雖然達到了沸點，但所反應放出的熱量仍有多余。我們知道如果物質在達到沸點時仍有大量熱量供給的話，那它將會急劇沸騰，變成氣體狀態。這樣我們就解釋了在這個反應中其實同樣可以產生氣體產物，只是這個氣體產物并不是直接產生的而已。
我們可以這樣認為，在反應初期只有藥珠表面的藥物進行了反應，生成的產物氧化鎂和氧化鋁因為熔點很高，所以一直只能以固體形態存在，包裹在藥珠的表面，隨著反應的逐層深入，這個包裹層不斷加厚加固，最終形成了一個類似密封容器的外殼。而藥珠內部隨著反應的加深，熱量不斷積聚，使包裹在里面的鉛的溫度急劇上升到沸點，而仍然有大量的熱量不斷放出，迫使里面的熔融鉛急劇沸騰產生大量的鉛蒸汽，由于被外面的固體包裹層包裹著，致使里面的氣壓急劇上升產生高壓，當這個高壓氣體瞬間突破外面的包裹層時，能量急速釋放，產生與爆竹類似的爆炸效果。
2、同樣我們通過計算，在氧化銅跟鎂鋁合金反應的過程中產生的熱量足以使生成的銅溫度急速升高到1750℃以上，而這個溫度是達不到銅的沸點2595℃的，這就可以解釋為什么無鉛響珠很難做的原因了。
通過以上分析，似乎氧化銅跟鎂鋁合金的反應在這里面是多余的，而且氧化銅的價格非常昂貴，為什么我們做響珠時卻非用它不可呢？原來我們上面的分析只是把銅和鉛的兩個反應單獨進行計算推理的，而事實上這兩個反應是同時進行的。也就是說產物中同時有金屬銅和鉛的產生，通過上面的計算，我們知道不管哪個反應，產生的熱量都足以使反應產物中生成的金屬熔化成液體狀態，由于藥劑本身混合是非常均勻的，那么生成的金屬銅和鉛也將會非常均勻的混合在一起，這樣就形成了銅—鉛合金了。有理論表明，合金的熔點和沸點都會比組成該合金的任何一種金屬的熔沸點都低，這樣在實際應用的響珠藥劑反應時，產物的沸點比鉛的沸點還要低，也就更容易沸騰汽化了，更加容易產生爆炸效果。另外鎂鋁合金與氧化銅的反應所放出的熱量比它跟紅丹反應放出的熱量要大得多，這樣就能使產物溫度上升更快，更容易沸騰汽化，產生的氣壓更高，也就更加促進了爆炸效果的形成。所以在做響珠時氧化銅雖然價格昂貴，但它卻能起到很好的起爆助爆作用，這正是響珠效果問世初期為什么業界同仁把氧化銅稱作是助爆劑的根本原因所在了。
可能所有做過響珠的技術人員都注意到，以紅丹為主的響珠藥劑基本上是隨便怎么搭配都能發出聲響，特別是配方中的鎂鋁合金粉一般都是明顯超過了理論計算的用量，也就是負氧配方，這一點又跟爆炸藥劑的零氧配方理論相違背，這又是為何呢？
如果我們將上面所闡述的合金熔沸點理論用到這，那么一切問題都解決了。當鎂鋁合金在藥劑配方中超量時，一者金屬含量高時，導熱性能強，使反應速度加快；二者它在跟紅丹和氧化銅充分反應后仍有多余，在高溫環境下它同樣會熔化成液體狀態，并且會跟銅—鉛合金合并成銅—鉛—鎂—鋁多元合金，雖然鎂鋁合金在熔化時要吸收掉一部分熱量，但在它熔化后，所形成的銅—鉛—鎂—鋁多元合金的熔沸點比銅—鉛合金的熔沸點更低，更加容易沸騰汽化，所以在它吸收掉部分熱量以后不但不會降低響珠爆炸效果，反而會使效果更加理想。也就是說響珠配方的設計原理應該按照負氧平衡的思路設計效果更佳，做起來也更輕松。
綜上所述，響珠的反應原理可以概括如下：當響珠藥劑被引燃后，發生鋁熱式反應，放出大量的熱。生成物中的氧化鎂和氧化鋁包裹藥粒表面形成一個密封的“容器”，產物中的金屬銅、鉛跟多余的鎂鋁合金熔合在一起形成銅—鉛—鎂—鋁合金，由于這個反應的放熱量非常大，并且反應速度快，足以使生成的銅—鉛—鎂—鋁合金在很短的時間內完全沸騰汽化，產生高溫高壓氣體，并且在瞬間突破氧化鎂和氧化鋁組成的包裹“容器”，大量的能量急劇釋放，振動空氣產生爆炸效果，因為爆炸時溫度在1000多攝氏度以上，所以同時會伴隨著耀眼的白色閃光產生。
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