春节期间，各种烟花汇演上演（图1）。 五颜六色的烟花在夜空中绽放，点燃了我们记忆中新年的真实味道。 夜空充满了灿烂的烟花，我们似乎很难将其与地下“矿井”联系起来。 然而，如果没有各种各样的矿物，就不会有各种颜色的烟花。
图1 五颜六色的烟花。
早在隋唐时期，我们的祖先就已经想出了烟花的配方：将一定比例的硝石、碳和硫磺装进竹筒中，发射到天空中，由于猛烈，可以产生声音和火焰。 然而，古代的烟花却是单调的，因为与今天的烟花配方相比，它也缺少了盲目地让自己变得五颜六色、绚丽的“添加剂”——含有特殊金属阳离子的盐化合物。
烟花五颜六色的原理是火焰颜色反应：当不同的金属离子在火焰中燃烧时，会发生特定波段的电子跃迁，使火焰呈现出不同的颜色（图2）。 例如，当厨房里的燃气灶完全燃烧时，火焰会呈现蓝色，但当浸入少许盐（氯化钠、NaCl）中时，它会变成亮黄色。 我们也可以根据这个原理猜测原始烟花的颜色：古代没有额外的添加剂，但硝石的成分是硝酸钾（kno），所以古代的烟花是紫红色的！ 对不起，错误的答案——因为钾和钠在化学上相似，钾化合物往往不可避免地与一些钠混合。 钾燃烧产生的紫色很容易被钠产生的黄光所掩盖，因此古代烟花很可能与我们今天最常看到的烟花一样是黄色的。
图2 不同金属的火焰颜色反应。
要看到今天五颜六色的烟花，我们需要添加不同种类的金属元素; 为了获得不同类型的金属元素，我们需要了解，开采不同类型的金属矿物——钙（Ca）可以使烟花变成橙红色，而硫酸钙矿物石膏（硫酸钙二水合物，Caso·2ho）是其最常见的工业原料。 在自然界中，石膏通常以棱柱形或纤维状的形式产生，无色透明（图3），硬度非常低，用指甲划伤时会留下划痕。 在沙漠地区，石膏可以以片状骨料生产，形成观赏石，称为“沙漠玫瑰”（图4）。 石膏的用途太广，无论是化肥、建材，还是医药，随处可见。 当然，对于钙来说，还有很多其他的**，比如：石灰石（碳酸钙）、白云石（碳酸钙镁）等，就不一一介绍。
图3 石膏。
图4 “沙漠玫瑰”观赏石。
锶 （SR） 使烟花呈鲜艳的红色。 它位于元素周期表的下一行，具有与钙相似的性质。 生产锶化合物的常见原料也来自其硫酸盐，天青石（硫酸锶，SRSO）。 与锶盐燃烧时发出的红光完全不同，青金石因其颇具吸引力的蓝色天蓝色而得名（图5）。 “雨后是蔚蓝**，这颜色将是未来”，蔚蓝原本用来形容雨后晴天开始时天空略显阴沉的色调; 后来用它来形容具有这种美感的汝窑（图6）; 近年来，它因在“天青等烟雨”中被误用而广为人知（周杰伦的《青花瓷》）。
图5 青金石晶体簇。
图6 汝窑青色釉（**来自“故宫博物院”）。
同样在元素周期表（主组）的同一列中，钡元素 （ba） 使烟花呈绿色。 不难推测，自然界中生产钡盐的原料也是其硫酸盐矿物重晶石（硫酸钡，baso）。 重晶石之所以得名，是因为它的比重远远超过其他常见矿物：普通岩石的密度通常比水大 2-3 倍; 另一方面，重晶石的效力是水的 4-5 倍。 重晶石在自然界中通常以菱形晶体的形式产生，根据混合的杂质而具有不同的颜色（图7）。 由于钡和钙的相似性质，重晶石也可以形成“沙漠玫瑰”的“钡”版本（图8）。
图7 金色重晶石。
图8 重晶石“沙漠玫瑰”。
铜 （Cu） 的存在使烟花呈蓝绿色，这种颜色类似于自然界中发现的铜的（碱性）碳酸盐：蓝铜矿（图 9）和孔雀石（图 10）。 这两种矿物因其鲜艳的色彩而在中国古代被用作珍贵的矿物颜料。 《丹青》中的“绿色”是蓝铜矿的别称，“石蓝”。 青花瓷的“蓝”也应该是这石蓝，而不是上面青石的蔚蓝。 除了颜料的使用外，蓝铜矿和孔雀石这两种矿物远不能满足人类对铜这种重要金属的需求。 我们目前使用的大部分铜来自铜的各种硫化物，如黄铜矿（CUFES）、斑铜矿（CUFES）、辉铜矿（CUS）、辉铜矿（CUS）、辉铜矿（CUS）、蓝铜矿（CUS）等。
图9 蓝铜矿。
图10 孔雀石。
除上述元素外，锰（紫）、镉（黄光）、钴（蓝光）等越来越多的元素逐渐被开发出来，并被列入烟花爆竹的材料清单。 为了达到更好的视觉效果，兼顾环保的需要，如今的高端烟花技术还会在配方中加入少量的“工业维生素”——稀土元素。 添加不同的稀土元素可以显着改变烟花的光学特性：它们可以改变火花的颜色或使其持续很长时间（图11）。 在2008年北京奥运会上，正是这项新技术产生的烟花给海内外宾客留下了深刻的印象（图12）。
图11 铜+稀土元素镱的火更亮、更持久（根据Memmel等人）。, 2022）
图12 2008年北京奥运会开幕式上的烟花汇演。
当然，这种稀土烟花的生产也需要使用相应的稀土矿物，如独居石、巴齐石、磷酸钇（图13）等。
图 13 显示了独居石、巴龙石、磷酸钇和新报道的新矿物 Nipeiite。
没有各种矿物，就没有璀璨的烟花正是大自然丰富多样的生产资料，让人类在物质追求之外，向往和践行“美”。 另一方面，我们也应该承担起保护生态自然的责任：在大地为我们点燃绚丽夜空的同时，我们应该用人类的智慧来保护地球的碧水蓝天。
编辑：徐洪喜.
校对：吴淑玉、江淑敏。
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*： 中国科学院地质与地球科学研究所.
编辑：岳岳。