科学的な噂の打破 |花火と爆竹の化学

習近平総書記は「科学技術革新と科学の普及は革新的な発展を実現するための両翼である。科学の普及を科学技術革新と同等に位置づけなければならない。国民全体の科学リテラシーが全般的に向上しなければ、質の高いイノベーターの大軍を築き、科学技術の成果を急速に変革することは難しいだろう」と指摘した。 「中華人民共和国科学技術普及法」（以下、科学普及法）第1章第4条には、「科学普及は公共の福祉事業であり、社会主義の物質的・精神的文明建設の重要な構成部分である。科学普及事業の発展は国家の長期的任務である」と規定されている。第 1 章第 8 条には、「一般科学研究は科学精神を遵守し、疑似科学に反対し、抵抗すべきである」と記載されています。

国務院は「国家科学リテラシー行動計画要綱（2021～2035年）」（以下、「要綱」という）を公布し、「第14次5カ年計画」期間中に若者、農民、工業労働者、高齢者、指導幹部、公務員を対象に5つの科学リテラシー向上行動を実施することを計画した。 2025年までに科学リテラシーを持つ国民の割合は15％を超え、2035年までに科学リテラシーを持つ国民の割合は25％に達するでしょう。

今日は、私たちが日常生活でよく遭遇したり耳にしたりする花火や爆竹に関する化学的な「噂」についてお話します！

噂1: 花火がカラフルなのは、有色の物質が含まれているからだ。

噂2：「ネットセレブ花火」は最も安全な花火

まずは花火の起源から始めましょう。

花火は花火から生まれ、花火は火薬から生まれ、我が国は火薬の故郷であり、火薬は古代中国文明の証拠です。 1,300年以上も昔、有名な医学者孫思邊は『丹経』の中で、当時の火薬の成分と性質を詳しく記録しました。火薬がインドやアラビアからヨーロッパに伝わったのは14世紀になってからで、西洋人が初めて火薬の存在を知ったのもこの頃でした。歴史記録や関連文学書によれば、隋と唐の時代に火薬は娯楽用の花火へと発展した。花火は、花火や花火とも呼ばれます。

北宋宣和年間（119-1125）には、我が国の火薬を原料とする花火が成熟し、「架台花火」や「盆栽花火」などの大型の架台花火が登場しました。明朝と清朝の時代になると、爆竹と花火は中国の人々の間で非常に人気がありました。人々は結婚式、葬式、祝賀会、祭りなどで爆竹や花火を打ち上げ、お祝いの気持ちを表したり、家族全員の成功や願いが叶うように神や先祖に祈ったりしました。

ちなみに、花火や爆竹を打ち上げて「年獣」を追い払うという俗説は、現代人が作り上げた伝説に過ぎません。ぜひ聞いてみてください！

花火はなぜカラフルなのでしょうか？

花火や爆竹はなぜ緑色なのでしょうか？顔料が加えられているからという説もありますが？それとも、何らかの化学反応で色が生まれたのでしょうか？…花火の色についてはさまざまな説がありますが、どれを信じればよいのでしょうか？

調べてみると、花火や爆竹の化学組成は大きく分けて4つに分類できることがわかりました。

最初のカテゴリーは、硝酸塩、塩素酸塩などの酸化剤です。

2番目のカテゴリーは、硫黄、木炭、マグネシウム粉末、赤リンなどの可燃性物質です。爆竹の火薬は、1硫黄、2硝石、3炭素の黒炎をベースに開発されています。点火後の爆発反応は主に次のようになります。

3 番目のカテゴリは、バリウム塩、ストロンチウム塩、ナトリウム塩、銅塩などの炎着色剤です。

4番目のカテゴリーは、その他の特殊効果薬です。

花火の構成から、花火の色を決定するのは炎の色であることがわかります。炎を着色する物質は主に金属化合物を指します。

有名な化学者傅瑩氏はかつてこう言いました。「化学は実験科学であり、実験だけが最高裁判所である。」そこで、金属化合物の燃焼実験を行い、炎の色を観察しました。

実験研究により、炎の着色剤（金属化合物）自体の色は、燃焼時の炎の色とは何の関係もないことが分かりました。したがって、花火の色は、着色物質の添加によるものではなく、金属化合物が燃焼した際の炎の特徴的な色です。化学では、このプロセスは炎色反応（または炎色テスト）と呼ばれます。

金属の炎色試験

このプロセスは化学反応ですか?

そんな疑問を抱きながら、人民教育出版社の『高校化学選書2』や大学の教科書を参考にして、花火や爆竹のカラフルさを実感しました！

炎の色の生成は金属原子またはイオンの電子エネルギーの変化に関係しており、物質の構造や組成の変化は伴いません。したがって、炎の色の反応は単なる物理的な変化です。

これを見たら、花火を打ち上げて色とりどりの花火を見たいという衝動を抑えきれない人も多いのではないでしょうか？焦らずに、まずは以下を読んでください！

なぜ多くの場所で花火や爆竹の使用を禁止する明確な告知が出ているのでしょうか?

大気汚染の観点から見ると、花火や爆竹を打ち上げると、大量の粉塵や大気汚染物質（二酸化硫黄、二酸化窒素、一酸化窒素など）が放出され、程度の差はあれ大気汚染を引き起こします。騒音公害の観点から見ると、爆竹が爆発したときに発生する騒音は平均で約100デシベルですが、120デシベルを超えることもあります。調査と分析によると、花火や爆竹を打ち上げたときに発生する音は、人間が耐えられる理想的な音（15〜40デシベル）をはるかに超えています。

花火を打ち上げる過程

化学式の物質量を用いて、花火を打ち上げた際に発生する二酸化硫黄を定量的に計算しました。計算結果から、扇形植木鉢を例にとると、4人1人が毎年このタイプの花火を20発打ち上げると仮定すると、江蘇省だけで1年間に発生する二酸化硫黄の質量は約1,030トンにもなり、全国に広げると約17,100トンにもなることがわかります。 （数字は驚異的です!!!）

でも、ご存知ですか？

2017年10月27日、世界保健機関の国際がん研究機関は参考として発がん性物質の暫定リストを公表し、二酸化硫黄はクラス3の発がん性物質のリストに含まれていました。さらに、酸性雨の形成は、人間が大気中に大量の酸性物質（二酸化硫黄や二酸化窒素など）を排出することによって引き起こされます。

さて、我が国の多くの場所で花火や爆竹の使用を禁止する明確な通知が出されているのはなぜかご存じですか?

「ネットセレブ花火」の台頭

最近、一部の悪徳商人が花火や爆竹による汚染を減らすという名目で、スチールウール花火や仙人の杖などの「ネットセレブ花火」を「最も安全な花火」だと主張して販売する機会を捉えている。皆さんはこのような「花火」を買って、打ち上げたことがありますか？

こんなに美しい「花火」は本当に業者が言うように「最も安全な花火」なのでしょうか？あなたはこれらの「ネットセレブの花火」についてどれくらい知っていますか？

スチールウール花火とは何ですか？

情報によると、スチールウールはスチールファイバーやスチールウールとも呼ばれています。低炭素鋼から0.125～0.189mmのフィラメントに作られています。低炭素鋼と還元鉄粉の現在の国家規格を比較すると、両者の鉄含有量は非常に近く、約98〜99.135％であることがわかります。

スチールウールの成分を検証するために、スチールウールの主成分が鉄であることを証明する実験計画も設計しました（スチールウールと希塩酸の反応、スチールウールと硫酸銅溶液の反応、スチールウールの空気中での燃焼など）。

実験現象は次のように要約されます。

スチールウールは希塩酸と反応して泡を発生させます

スチールウールと水蒸気は高温で可燃性ガス（水素）を発生する

スチールウールは硫酸銅溶液と反応し、青色は徐々に薄れ、赤い物質がスチールウールの表面に沈殿します。

スチールウールは空中で燃え、火花が飛び散る

上記の結果から、スチールウールの主成分は鉄であることが証明されます。

したがって、「スチールウール花火」には発火剤は一切含まれておらず、花火ではありませんが、これを発射することは非常に危険です。国家花火・爆竹標準化技術委員会の黄薩祥委員長は、「スチールウール花火」の火花温度は非常に高く、2000℃以上に達すると紹介した。

冷たい花火とは何ですか？

ステージ噴水花火、バースデー花火、妖精の杖花火などはすべて「冷たい花火」です。 「大きさが小さく、炎も小さく、煙も少ない」から花火ではなく、安全に打ち上げられると考えていませんか？

実際、コールド花火とは、煙や残留物が少なく、主な点火効果として明るい銀色の火花や火花を発生させる花火材料の一種を指します。その主成分は花火組成物です。冷花火は点火時に非常に明るい白色光を発し、人々に「冷たい」感覚を与えるため、蛍光発光機構に基づく「冷光源」（光る棒など）を想起させます。そのため、このタイプの花火を開発した初期の科学技術者は、比喩的に「冷光花火」または「冷花火」と呼び、海外では「氷火噴水」とも呼ばれています。

研究によると、現在中国で生産されている冷光花火の主な成分は、単塩基薬（主成分はニトロセルロース）と、チタン粉末、ジルコニウム粉末などの特定の特殊金属材料です。原則として、これらの花火は打ち上げられると、連続的に発熱化学反応を起こします。冷花火の噴射口の温度は1000℃以上と高く、火花の温度は一般的に100～200℃に達します。より大きな火花粒子は 500℃ を超えることもあります。これらの熱い火花は非常に高いエネルギーを運び、火災を引き起こす危険性があります。発光のメカニズムから見ると、冷光花火の発光は冷光発光ではなく、主に熱放射に基づく連続スペクトルであり、線状スペクトルや帯状スペクトルはごくわずかです。

そのため、冷たい花火は打ち上げ時に温度が低くなるわけではなく、特に花火の噴出口付近や大きな火花の粒子付近の温度は非常に高くなります。これらは可燃性、爆発性の危険物であり、大きな潜在的危険性を伴います。

関連ポリシー

2021年2月16日、国務院労働安全委員会弁公室は特別会議を開催し、冷光花火と「スチールウール花火」の製造、輸送、販売に関わる違法、不法行為に対する調査と取り締まりを展開し、要求事項を提示する通知を発行した。通知では、現在実店舗やオンラインプラットフォームで販売されているすべての「スチールウール花火」を棚から撤去し、適切に処分する必要があると強調した。

まとめると

噂1: 花火がカラフルなのは、有色物質が含まれているから

科学的知識：花火が打ち上がるときの色とりどりの炎は、着色材に含まれる金属元素の炎色反応によるもので、炎色反応は物理的変化です。

噂2：「ネットセレブ花火」は最も安全な花火

科学的理解：「ネットセレブ花火」には、スチールウール花火、冷花火などが含まれます。スチールウールは花火の一種ではありませんが、打ち上げると非常に危険です。冷やし花火は花火の一種であり、可燃性・爆発性の危険物としての基本的性質は変わっていません！

安全のヒント

花火の安全に関するヒント:

花火はすべて屋外で打ち上げられるべきである

法律や条例で禁止されている場所を避け、階段、路地、高圧線、草地、森林など、安全条件を満たさない場所で花火を打ち上げないでください。花火は一般的に煙や線香で点火します。点火後は直ちに安全な場所へ避難してください。異常事態が発生した場合は、直ちに製品に近づかないでください。通常、取り扱う前に 15 分間待ちます。

燃えやすい物や人に向けて花火を打ち上げないでください。

花火による怪我への対処方法:

負傷後は、手術部位の組織温度を速やかに下げ、冷水洗浄や氷湿布などの治療法を用いて腫れを抑え、さらなる負傷を防ぐ必要があります。冷湿布後は局所消毒を行う必要があります。損傷がある場合は、できるだけ早く通常の病院で治療を受ける必要があります。頭、耳、目、鼻、顔の怪我は軽視せず、治療が遅れないようにすべて病院で治療する必要があります。

著者: Ding Yi、Nan Feicheng、Li Zhurui、Yang Xuerou、Gu Mingzhe、Tang Yifan、Wo Jianqiang

注：丁毅は講師（南京師範大学）、他の著者は全員南京中華中学校の高校生です。