【コラム】花火の化学
2021/06/28
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花火は約2000年前の古代中国で誕生し、現在では世界各地の文化的な祝祭で用いられ、あらゆる世代に親しまれています。化学が生み出す娯楽の中でも花火は特に魅力的で、視覚と聴覚に訴えかけ、色や大きさ、形、音など驚くほど多様な表現を見せてくれます。その華やかさと神秘性で私たちを魅了するからこそ、人々は花火に心を奪われるのです。
しかし、花火は楽しいだけのものではありません。花火産業（および火工品分野全般）にとって、できる限り安全で環境に配慮した製品づくりは非常に重要な課題です。花火以外にも、火工品はコンサートや映画といったエンターテインメント分野、さらには発煙筒や信号灯といった防衛・保安分野の安全対策など、さまざまな用途で使われています。
花火は何でできていますか?
初期の花火は非常に危険であり、祝賀行事のためというよりも護身のために使用されており、現在私たちがよく知っているものとはほとんど似ていませんでした。
すべては古代中国における火薬の発明に始まり、これは木炭、硫黄、硝石(硝酸カリウム)の混合物から作られていました。やがて、これらの初期の花火の使用における安全性と予測可能性を高めるための新たな開発が進むにつれて、色の実験が始まり、人々はより非暴力的な目的でそれらを使用するようになりました。現在では、消費者向けおよびプロフェッショナル向けを問わず、あらゆる種類の花火の開発に特化した業界全体が存在しています。
![Cross-sectional diagram of a firework capsule filled with star garnitures (72) and igniter (70). [1]](https://s7e5a.scene7.com/is/image/metrohm/Fireworks-capsule-patent-1200px?qlt=85&wid=800&ts=1784249467286&dpr=off "「星」の装薬(72)と点火装置(70)が詰められた花火カプセルの断面図。[1]")
花火(打ち上げ花火とも呼ばれる)は、外装を除くと基本的に3つの主要な部分から成ります。ロケットを爆発させるための火薬と点火装置、そして上部に搭載されたカプセルの内部には、通常「星(スター)」と呼ばれる小さな装薬ペレット(球形または円柱形をしていますが、図1、[1]より)があり、これには狙った効果を生み出すためのさまざまな化学物質が含まれています。星は、発色剤、燃料、酸化剤(酸素供給物質、例えば塩素酸塩や硝酸塩)、そして材料の混合物をコンパクトなブリケットとしてまとめるための結合剤から構成されます。
花火業界は、星条旗やハート型、さらにはアニメキャラクターや、タイミングを合わせれば文字や数字といった、より複雑な形に花火を爆発させるための開発に多大な時間を費やしてきました。
虹色を生み出す
花火の鮮やかな色は、成分の最大20%を占める金属イオンの燃焼によって生まれます。金属は、現代の花火が発明される以前から炎に色を付けるために使用されてきました(例:ベンガル花火)。化学的に言えば、これらの金属イオンは加熱(エネルギーの付加)によって電子状態を変化させ、その後より低いエネルギー状態に戻る際に特定の色の光を放出します。
表1.花火に使用される金属とその発色一覧[2]。
| 色 | 金属 | 化合物の例 |
|---|---|---|
| 赤 | ストロンチウム（鮮赤色） | SrCO₃（炭酸ストロンチウム） |
| 赤 | リチウム（中程度の赤色） | Li₂CO₃（炭酸リチウム） LiCl（塩化リチウム） |
| オレンジ | カルシウム | CaCl₂（塩化カルシウム） |
| 黄色 | ナトリウム | NaNO₃（硝酸ナトリウム） |
| 緑 | バリウム | BaCl₂（塩化バリウム） B₃N₃（窒化ホウ素） |
| 青 | 銅ハロゲン化物 | CuCl₂（塩化銅）、低温時 |
| 藍色 | セシウム | CsNO₃（硝酸セシウム） |
| 紫 | カリウム | KNO₃（硝酸カリウム） |
| 紫 | ルビジウム（赤紫色） | RbNO₃（硝酸ルビジウム） |
| 金色 | 木炭、鉄、またはカーボンブラック | |
| 白色 | チタン、アルミニウム、ベリリウム、またはマグネシウムの粉末 |
ここで特に目立つのがナトリウムによる黄色で、これは一部の国のかつての街灯にも見られたものです。残念ながら、最も鮮やかな色を生み出す成分は、環境にとって最も有害なものでもあります。例えば、ストロンチウム(赤)やバリウム(緑)です。これらの汚染物質は大気中や水中、さらには土壌中でも測定することができますが、その点については後述します。
花火の発色の仕組みについて詳しくは、以下のリンクをご覧ください:
安全第一
花火について語る際、その製造、使用、または保管のいずれに関するものであれ、安全性は常に重要な課題です。花火に関連する重大な事故は、これまで数多く発生してきました。
ヨーロッパで記録された最大級の花火事故の一つが、2000年のエンスヘデ(オランダ)で発生しました。この爆発は、都市の拡大とともに周囲に住宅が建てられ続け、住宅地の中心に位置することとなったS.E. Fireworks工場の倉庫で発生しました。近隣一帯は壊滅し、最大の爆発は30Km先でも感じられました。
この事故を受けて、ほとんどのヨーロッパ諸国では、大型花火の販売は屋外でのみ許可されています。祝賀行事に備えて自宅に花火を大量に保管することは、少なくとも地下室やアパートのような閉鎖的な環境では避けるべきです。火災の際の問題を避けるため、換気された物置や駐車場に保管する方が良いでしょう。また、花火を長期間保管することも避けてください。ほとんどの市販花火は、製造から3~6か月以内に使用されることを前提としています。紙製の部分が湿気を帯びたり、イオン性物質が溶解・再結晶したりすることで、不発の可能性が高まるためです。
花火が不発だった場合:決してすぐに近づいて確認しないでください!適切な距離を保って少なくとも15分待ち、その後は道具を使って処理してください―特に爆発する花火やロケット花火を扱う際は、決して素手で触れないでください。
とはいえ、花火はここ数年でより適切かつ確実に機能するよう、いくつかの安全機能を取り入れてきました。例えば、推進剤は黒色火薬を含むものから、打ち上げ時の燃焼性能を高める可塑剤などのロケット技術を用いたものへと改良され、地上での煙や粉塵の発生も抑えられています。専用の反応連鎖に従わなければ、花火は無害な形で燃焼するだけになります。
知識は力なり:適切な分析試験で事故を防ぐ
エンスヘデの事故やその他数多くの事故のような花火事故を防ぐためには、紙製花火の水分含有量、金属粒子の粒径、発色剤の純度や組成など、さまざまな品質パラメータを綿密に監視することが不可欠です。適切な品質管理により、正しい手順が守られていれば、一般の人々の手にあっても、楽しくかつ安全な花火体験を提供することができます。
Metrohmは、この研究分野向けにいくつかの分析技術と関連アプリケーションを提供しています。分析は、湿式化学分析法(例:カールフィッシャー滴定、イオンクロマトグラフィー、ボルタンメトリー)または分光技術(例:近赤外分光法(NIRS)やラマン分光法)のいずれかにより、実験室、路上、そして大気中で、幅広い物質や品質パラメータ、さらには微量物質を対象に実施することができます。
前述の通り、水分は爆発性物質の安全性を語る上で重要な品質パラメータです。Metrohmは、さまざまなマトリックス中の水分含有量を精密に分析するための2つの異なる技術を提供しており、これらは以下のブログ記事で紹介されています。
主要成分の個々の濃度を決定する際には、いくつかの湿式化学分析技術が特に優れた力を発揮します。サプレッション方式の陰イオンクロマトグラフィーは、例えば爆竹用火薬や他の爆発性物質、さらには法医学目的での爆発残渣中のイオン成分の測定に理想的です。イオンクロマトグラフを質量分析計(IC-MS)と組み合わせることで、さらに多くの分析の可能性が広がります。これらの研究(その他多数)について詳しくは、無料アプリケーションノートをダウンロードしてお読みください。
ICによる法医学的検査分析―爆発物および爆発残渣中の主要アニオンに加え、塩素酸、チオ硫酸、チオシアン酸、および過塩素酸の低濃度測定
花火の鮮やかな色を生み出すために使用されるさまざまな金属塩は、美しい一方で、私たちの健康や環境に有害となる場合もあります。ボルタンメトリー(VA)は、重金属や他の電気化学的に活性な物質の微量・超微量濃度の測定に適した電気化学的手法です。VAは実験室内でのこれらの物質の測定に優れているだけでなく、花火大会や不測の事態の影響を測定するといった、現場での測定にも優れています。以下より、VA装置およびアプリケーションの一覧をご覧ください。
ラマンなどの分光技術は、各種装置アタッチメントを使用することで、安全な距離を保ちながらでも危険な爆発性物質の存在を検出するのに役立ちます。Metrohm RamanのMIRA DSを安全な爆発物識別のために使用する方法について、以下の無料ホワイトペーパーをお読みください。
環境に優しい花火―矛盾しているのか?
花火は非常に華やかな娯楽の形態ですが、大規模な文化行事や祝日の後には、それなりの環境影響が生じます。花火大会が行われた後の大気汚染は、粉塵や煙の増加として見られるだけでなく、現代の花火の多くが発色に金属を使用しているため、大気中の重金属含有量の増加としても見られます。
未燃焼の物質には、依然として相当量の重金属が含まれています。地面に落下した後、この物質は雨によって溶解し、地下水に浸入する可能性があります。安全のために花火を覆っていたプラスチック素材は、割れた殻の破片やマイクロプラスチックとして再び見つかります。花火内の化合物の燃焼は、エアロゾルという形での大気汚染の増加につながり、これは測定・評価が可能であり、大気中の重金属、微粒子、さらには私たちの肺に極めて有害なナノ粒子として現れます。
Metrohm Process Analyticsは、2060 MARGA(大気中エアロゾル・ガスモニター/Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air)を開発しており、これは世界中の公的機関や研究機関によって、大気質を完全に自律的にモニタリングするために使用されています。この装置はイオンクロマトグラフィーという分析技術を基にしており、数週間にわたり無人で稼働させ続けられる専用の連続大気モニタリング装置として、または大気質のモニタリングを行っていない時は他のプロジェクトに使用できる研究用装置として利用することができます。
2060 MARGAとその機能について詳しくは、以下のブログ記事をご覧ください。
Metrohm製装置を用いた大気質モニタリングについてさらに詳しく知りたい方は、以下の査読付き論文をご覧ください。
イオンクロマトグラフィーによる大気モニタリング:文献参照の概要
2013年から2017年にかけて中国のある巨大都市における春節期間中の花火規制が大気質と公衆衛生に与えた影響
重金属含有量を最小限に抑え、エアロゾル生成物質も削減しようとする、プロフェッショナル用途および屋内用途向けの新しい「グリーン」花火の世代が開発されつつあります。これにより、屋内での花火演出や映画製作により適したものとなっています。通常の屋外ショー(例:テーマパーク)では、カプセルを打ち上げるための火薬は、ほとんどが空気圧銃機構に置き換えられています。 重金属系の発色剤をより環境に優しい物質に置き換えるための研究も相当量行われており、ストロンチウムをリチウム誘導体に置き換えることで発光強度を高めたり、バリウムや塩素化合物の代わりにホウ素を使用したりする取り組みが進められています。
最後に、花火を覆うために一般的に使用されているプラスチック部品は、より優れた可塑化結合剤を用いた微結晶セルロース混合物に置き換えることが計画されています。これにより、現在のプラスチック素材と同程度の安定性が得られる一方で、セルロースベースの容器は完全に燃え尽き、有害な物質を地面に残すことがありません。
花火大会の未来
あらゆる安全対策は、行事の最中だけでなく、その後の花火の楽しみをも高めます―環境に優しく、そして安全であることによって。未来を予測するならば、こうした祝賀行事の一部では、振り付けされたダンスを披露する発光ドローンの一群が既に使用されているかもしれません。ドローンの価格が下がり、操作性やプログラミング能力が向上するにつれて、こうした動きはより着実に広がっています。しかしながら、花火はすでに数千年にわたり私たちと共にあり、今後もそう簡単には姿を消さないでしょう。
