一炮沖天—迷你哨子如何解析沖天炮火藥的組成
109年02月05日
【本報導由化學系 林震煌教授研究團隊提供】 以往過年時節，晚上總是會有放沖天泡的熱鬧景象，但我們可能不知道，沖天炮在「飛」的過程，和最後「爆炸」的聲響，炮裡面裝填的火藥成分是不一樣的。一般認為黑色火藥是按照「一硫二硝三木炭」的比例混合製成的，用比例來表示的話，大約是硝酸鉀75%、硫磺粉10%、木炭粉15%。但是實際分析結果，本實驗使用的沖天炮裡面，推進劑的比例佔全長的3/4（約4.8克），火藥中含木炭粉的比重為20.0 %。爆炸劑的比例約1/4（約2.9克），火藥中含木炭粉的比重僅為3.4 %，而硫磺粉的比重則高達24.8 %。因此推論黑色火藥中，增加木炭粉的含量有助於沖天炮的飛行，增加硫的含量則容易產生巨大的爆炸聲。 小時候，過年的時候最開心的事莫過於放鞭炮了！過年期間，小孩拿壓歲錢去買鞭炮，大人們則聚在一起打牌，街頭巷尾熱鬧極了！劃過夜空的笛音沖天炮，「砰」一聲戛然而止，好似年節期間必備環節，然而，近年因政策因素禁止放鞭炮，「年」的味道就淡了許多。 沖天炮在「飛」的過程，和最後「爆炸」的聲響，炮裡面裝填的火藥成分是不一樣的。一般認為黑色火藥是按照「一硫二硝三木炭」的比例混合製成的，用比例來表示的話，就是硝酸鉀75%、硫磺粉10%、木炭粉15%。早在1044年《武經總要》一書當中，就已經記載三種複雜的火藥配方，利用火藥製造霹靂火球、鐵嘴火鷂等炸彈。可想而知，黑色火藥的成份複雜，即使用現代化的儀器也不見得容易分析得很清楚。 黑色火藥化學反應的通式可以寫成：2KNO3 + S + 3C → K2S + N2 + 3CO2。換言之，爆炸是因為在紙筒密閉空間內，發生化學反應造成瞬間產生大量氮氣與二氧化碳而引燃火藥的。只要能知道產生多少氮氣與二氧化碳，就能反推回去知道黑色火藥中各成份的比例。 本校林震煌教授發明了新的氣體偵測方法，有別於傳統的氣體偵測方式，利用哨音的頻率變化，檢測氣體並將其定量。 如圖2所示，氣體樣品經過注射針注入分離管柱之後，由氣體鋼瓶中的氣體載送，經過氣體分離管柱吹往偵測端。這方法稱為氣相層析分離法，經常用來檢驗氣體。一般會使用質譜儀或其他種類的偵測器，用來偵測不同種類的氣體。但是本研究以一支迷你哨子，用物理的方式來偵測氣體。當不同氣體經過哨子時，會發出不同頻率的聲音，利用麥克風接收，將訊號送到電腦分析處理。由頻率的變化，可以計算出氣體經過哨子時的量。我們將沖天炮的火藥取出後，放在透明玻璃瓶中，為避免火藥瞬間燃燒時發生爆炸，玻璃瓶的上方接有洩壓閥，實驗結果發現，當雷射照射玻璃瓶中少量的推進劑火藥時，溫度會瞬間上升（1265度/秒），待氣體冷卻以後，以注射針抽取10 µL燃燒過的氣體，注射到分離管柱進行分析。 圖3是沖天炮的外觀、剖面以及實驗結果。在沖天炮內部，推進劑約佔3/4的長度，重量為4.81克；爆炸劑約佔1/4，重量為2.9克。經過迷你哨子測量頻率的變化及電腦程式(LabVIEW)的分析結果得知，推進劑火藥燃燒的成份主要是二氧化碳和氮氣（如圖3之右下圖）。此次測量中氣體鋼瓶填裝的是氮氣，沒有看到屬於氮氣本身的譜峰，因此標註此譜峰屬氮氣與燃燒剩下的氧氣。當氣體鋼瓶中的氣體更換成為氧氣時，會觀測到氮氣與二氧化碳的譜峰。經計算結果，推進劑的火藥中含木炭粉的比重為20.0 %。前述理想黑色火藥的比例為硝酸鉀75%、硫磺粉10%、木炭粉15%，因此推論增加碳的含量有助於沖天炮的推進力。相對於此，爆炸劑火藥燃燒的成份除了二氧化碳和氮氣以外，還有大量的二氧化硫（如圖3之左下圖）。同樣，當氣體鋼瓶中的氣體更換成為氧氣時，會觀測到氮氣、二氧化碳和的二氧化硫譜峰。經計算結果，爆炸劑的火藥中，木炭粉的比重僅3.4 %，而硫磺粉則高達24.8 %。因此推論增加硫的含量對產生爆炸巨響很有幫助。在本實驗裡，因燃燒速度太快，故沒有觀測到一氧化碳以及氧化氮的存在。 藉由實驗，我們可以推論，古人所謂的「一硫二硝三木炭」僅是大致比例，各種不同的鞭炮、煙火的火藥成份都不盡相同，其火藥配方及比例應該都是企業機密。本研究以簡單的方法，可以很快的將主成份定量出來，也讓我們更容易了解沖天炮、煙火內的火藥成份，及不同比例配置會帶來的差異。 本研究結果已發表於Journal of Chromatography A (2013, 1305, 230-233)，標題為Screening of inorganic gases released from firework-rockets by a gas chromatography/whistle-accelerometer method。實驗的詳細條件可參閱該論文。本研究受科技部補助，編號為 No. 101-2811-M-003-023。 原文出處： Journal of Chromatography A (2013, 1305, 230-233)