火药

火药，又名黑火药，是一种早期的炸药，直到17世纪中叶都是唯一的化学爆炸物。火药一般由硫磺、木炭和硝石（硝酸钾）混合而成，其木炭是作为燃料，而硫磺和硝石作为氧化剂。由于火药的燃烧特性和能大量产生气体和热量，火药被广泛用作枪械中的发射药和烟火中的烟火药（英语：pyrotechnic composition）。学术界一般认为火药发明于7世纪的中国，是中国术士为炼制长生不老药（英语：Elixir of life）而得到的副产品。早在唐代的《太上圣祖金丹秘诀》里，就有了早期火药配方的书面记载。火药的发现导致了烟花的发明和早期火药武器在中国出现。随后火药武器也陆续在阿拉伯、欧洲和印度出现。一般认为欧洲的火药技术是由阿拉伯人传播过去的。西方最早的有关火药的书面记录是由英国哲学家罗吉尔·培根于13世纪记录。黑火药被归类于低爆炸性炸药，因为其较低的分解率导致了低爆炸威力。现在虽然已经被无烟火药等低速的发射药及三硝基甲苯等高爆炸力炸药取代，但是现在还有生产以作为导爆的火工品用，另一方面烟火、鞭炮、模型火箭以及仿古滑膛枪的发射药使用。黑火药是用硫磺粉和木炭粉（供碳）以及硝酸钾（供氧）按照化学计量“一硝二磺三木炭”的比例（质量硝酸钾75%、硫磺10%、木炭15%）混合制成。 最佳比例应为硝酸钾74.64%，硫磺11.85%，木炭13.51%（质量比）。不过上述的75:10:15比例仍是现在的工业生产标准比例。黑火药反应式：2KNO3 + S + 3C = K2S + N2 + 3CO2产生大量的白色气体，在封闭空间中可推进要发射的物体。此外从实验中亦有观察到该反应： 4KNO3 + S +7C = K2S + K2CO3 + 2N2 + 3CO2 + 3CO黑火药无论在封闭或是开放空间内只要丝毫的引燃均会爆炸。现代枪弹内的无烟火药不具爆炸性，在开放的空间内引燃不会爆炸仅只快速燃烧，无烟火药不属于炸药。虽然黑火药的威力不及现代的炸药，仍然属于爆炸性物品，美国交通局则因为其易燃性而列为A级高爆炸品。爆竹的制造工厂发生大爆炸的几率并不少，尤其在亚洲地区，由于具有习俗方面的需求而导致违法或非法的爆竹工厂产生。含有黑火药的完成品如烟火及模型火箭等，则被列作C级危险度，因为爆竹进入成品包装之下，黑火药需要更强大的热源才会起火爆炸。东晋葛洪在《抱朴子》中记载用硝石、武当山雄黄、松脂和猪大肠脂肪混合制成白如冰的丹药，“服之皆令长生，百病除”。唐初医学家孙思邈（581—682）在《丹经内伏硫磺法》中记载硝石、硫磺和炭化皂角子混合后用火点燃后能猛烈燃烧。8世纪时中国炼丹家发明以硝石硫黄木炭为主要原料的“伏火硫黄法”：硫黄硝石各二两，研末，放在沙罐中，再将沙罐放在地坑中，四面填土，与地平，将三个皂角子，燃烧存性，用钳子逐个放入沙罐中，等到火灭之后，在罐口加木炭三斤，煅烧，到炭消三分之一，去余火，冷收之。用伏火法煅烧出来的物质，虽然还不是火药，但已经开始将硝石，硫黄，和木炭一同煅烧了。唐元和三年（808年）炼丹家清虚撰的《太上圣祖金丹秘诀》记载了“伏火矾法”：以硫黄二两硝石二两，马兜铃三两半，研末，拌匀，入罐，放入地坑中与地平，将弹子大小的烧红的木炭，放入罐内，烟起，用湿纸四五重复盖，再用两块砖压上，用土掩埋”。伏火矾法比伏火硫黄法前进了一大步，伏火硫黄法的硝石硫黄混合物，因没有碳素，燃烧过程容易被融化的硫黄中断，为了补救，放入皂角子，使燃烧继续进行。伏火矾法则将硝石，硫黄，含碳的马兜铃一同混合，成为原始火药。成书于9世纪中叶至五代的《真元妙道要略》（一说郑思远所著）记载：“有以硫磺、雄黄合硝石并蜜烧之，焰起，烧手面及烬屋舍者。”魏晋南北朝《三十六水法》记载32个包含硝石的丹方。魏伯阳的《周易参同契》记载硫黄和水银的化合实验。陶弘景《本草经集注》首创用火焰的颜色辨别硝石的方法：“强烧之，紫青烟起，云是真消石也”。火药是中国古代四大发明之一。英国传教士麦都思指出：“中国人的发明天才，很早就表现在多方面。中国人的四大发明（造纸术、指南针、火药、印刷术），对欧洲文明的发展，提供异乎寻常的推动力”。恩格斯在1857年发表的《炮兵》中写道：“在中国，还在很早的时期就用硝石和其他引火剂混合制成了烟火药，并把它使用在军事上和盛大典礼中”。硝石是火药的关键构成之一，火药配方最早在公元9世纪晚唐时期的炼丹书籍中就有记载。公元904年，杨行密军围攻豫章（今江西南昌），部将郑璠命所部“发机飞火，烧龙沙门，率壮士突火先登入城，焦灼被体”，这是火药最早使用于军事记载，最早的火药武器则出现在五代时期的敦煌壁画。北宋《太平玉览》引《范子叶然》的记载，春秋时代有一位范子然说“硝石出陇道”。南朝梁陶弘景《名医别录》记载“扑硝生益州，……色青白者佳”，“硝石生益州及武都，陇西，西羌”，“硝石，味辛，大寒无毒，主治十二经中百二十疾。天地至神之物”。唐苏敬等编《新修本草》记载“朴硝今出益州北部汶山郡，生山崖上，色青白，亦杂黑斑”。东汉《神农本草经》记载“消石，味苦寒，主五脏积热，胃涨闭，涤去蓄结饮食，推陈致新，除邪气”。 北宋《武经总要》的三种火药方含硝量50%、48.5%、38.5%，均低于基本的黑火药含硝量（75%）。此外，在金人统治下的西安附近曾出土了火药石，据研究含硝量为60%，比北宋《武经总要》要高。1044年《武经总要》中作者曾公亮、丁度和杨惟德已经记载三种复杂的火药配方，和利用火药制造霹雳火球、铁嘴火鹞等炸弹。“蒺藜火球……火药法：用硫黄一斤四两，焰硝二斤半，粗炭末五两，沥青二两半，干漆二两半，捣为末；竹茹一两一分，麻茹一两一分，剪碎，用桐油、小油各二两半，蜡二两半，熔汁和之。外傅用纸十二两半，麻一十两，黄丹一两一分，炭末半斤，以沥青二两半，黄蜡二两半，熔汁和合，周涂之……”。此火药方含硝石，硫黄，含碳物的比例为50%：25%：25%”。“火球……火药法：晋州硫黄十四两，窝黄七两，焰硝二斤半，麻茹一两，干漆一两，砒黄一两，定粉一两，竹茹一两，黄丹一两，黄蜡半两，清油一分，桐油半两，松脂一十四两，浓油一分……”。其中硝石，硫黄，含碳物的比例为50.6%：26.6%：22.8%”。毒烟球“火药法”：“球重五斤。用硫磺十五两、焰硝一斤十四两、草乌头五两、芭豆五两、狼毒五两、桐油二两半、小油二两半、木炭末五两、沥青二两半、砒霜二两、黄蜡一两、竹茹一两一分、麻茹一两二分，捣合为球，贯之以麻绳一条长一丈二尺，重半斤为弦子。更以故纸一十二两半，麻皮十，沥青二两半，黄蜡二两半，黄丹一两一分，炭末半斤，捣合涂傅于外。若其气熏人，则口鼻血出。"其中硝石，硫黄，含碳物的比例为49.06%：24.8%：26.6%”。武经总要中还记述，使用火药为兵器，以火箭和投石机搭载的炸弹形式出现。霹雳火球制法霹雳火球图武经总要竹火鹞铁嘴火鹞武经总要火球图火龙经霹雳炮火龙经水雷1232年，南宋寿春县有人发明竹筒火枪，被使用来发射瓦土弹头。南宋陈规著《守城录》已记载有铜铁制成的火炮。现时找到最古早的金属制大炮约制作于1323年。但是元朝（1279年～1368年）之前的蒙古人有使用大炮来对抗当时的俄罗斯人，当时欧洲的罗吉尔·培根于1248年就有记载于其著作中。1240年前后，阿拉伯人从中国获得到火药的知识，称来自东方的硝石为“中国雪”，他们还知道烟花爆竹，称之为“中国花”，又称火箭为“中国箭”。在1304年阿拉伯人亦将黑火药应用在军事上，放在竹或铁制的管内，以射击箭枝。一直到19世纪为止，黑火药都是唯一知道存在的推进燃料以及炸药。欧洲方面，最早有大炮的纪录则为1313年于比利时根特市出口的大炮。而于14世纪中期，不论是中国还是欧洲的文献也有非常多的大炮使用纪录。其实火药中只有三种成分是有用的，亦是最先明白主要有效成分为硝酸钾。无论是欧洲还是中国，制作火药兵器的最大问题，还是难以生产能够承受火药爆炸力的炮管/枪管。所以欧洲亦有传说中国只使用火药来作烟火和炮仗。事实是13、14世纪以后，中国还是有大量使用大炮和火箭。例如北京的矮厚城墙，作用就是用来防御炮击的。而明朝（公元1368～1644年）的首都亦在1421年由南京移往北京，相传就是因为南京附近的山脉都是极佳的侵入者对南京炮击地点。值得注意的是当时的明朝军队已经会步、炮（枪）、骑配合，并在一些战争中使用过三线战法。根据日本的纪录表示，在葡萄牙人在1543年于种子岛登陆（或应说是撞船意外）前，日本并没有（或已失传）手持的火药兵器。而元朝大量使用火药似乎就是使火药兵器兴起的原因，不过之间仍偶有使用旧式攻城器械如投石机。而在欧洲，15～17世纪则是火药兵器获得大量发展的时代。因为冶金术的进步，使得手持火药兵器逐渐改良。而火炮的技术亦渐渐超越由中国传入的技术。这些火炮技术则在后来由耶稣会的传教士传回至中国，而这些传教士亦被当时（明末清初）的皇帝任命为制作大炮的负责人。例如，清朝初年三藩之乱时，康熙皇帝便命令当时任时于钦天监的耶稣会教士南怀仁，制造大量新式火炮，以对付自云南起乱的吴三桂，其中最为有名的火炮称作“武成永固大将军炮”，这是一种铜炮，重3公吨、炮长310公分、口径12.5公分、用药5斤、生铁炮子10斤。17世纪后期，欧洲的黑火药亦用在和平用途上，例如采矿，筑路等。于19世纪中后期，因为发明了无烟火药、硝酸甘油以及硝化纤维（硝酸绵）等炸药和发射药，而使得黑火药被这些炸药所取代。黑火药被用作和平用途，例如烟火、鞭炮等。黑火药具有优点是其成分广为人知，材料容易集齐并很廉价。虽然在十九世纪出现了更适合的爆炸物，但仍然要很久才代替其在应用上统治地位。另一优点是纯正黑火药的燃点较适中，用火花就会烧起来，远低于专用的高燃点安全炸药(即使温火烧也不会爆)，但又高于低燃点起爆药(只需要打击便会爆)，所以现代军事或爆破中，黑火药也被用在点火装药和导火索或引信装药中。缺点是作为炸药又威力不足，这是因为爆速偏慢所以需要在封密的容器内引爆而不方便。而作为发射子弹的用时又会产生过多的白烟和残渣，所以现代通常被专用的发射药和炸药代替。综合黑火药的优缺点，加上有时是需要多烟的特性，所以现在主要用来做烟火、定时引信、信号、爆竹、发烟剂、礼炮及军事演习时为了观察炸弹著点准确度的演习炸弹装药。还有便是供仿古的前膛上弹枪支的发射药使用。