七十八、关于火药

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    火药，中国四大发明之一。人类文明史上的一项杰出的成就。火药又被称为黑火药。是在适当的外界能量作用下，自身能进行迅速而有规律的燃烧，同时生成大量高温燃气的物质。在军事上主要用作枪弹、炮弹的发射药和火箭、导弹的推进剂及其他驱动装置的能源，是弹药的重要组成部分。

    一、炼丹术与火药的发明

    火药的研究开始于古代炼丹术，古人为求长生不老而炼制丹药，炼丹术的目的和动机都是荒谬和可笑的，但它的实验方法还是有可取之处，最后导致了火药的发明。恩格斯高度评价了中国在火药发明中的首创作用：“现在已经毫无疑义地证实了，火药是从中国经过印度传给阿拉伯人，又由阿拉伯人和火药武器一道经过西班牙传入欧洲。”

    1、硫磺、硝石、木炭性质的探索

    火药由硫磺、硝石、木炭混合而成。很早以前，我们的先人对这三种物质就有了一定认识。早在新石器时代人们在烧制陶器时就认识了木炭，把它当做燃料。商周时期，人们在冶金中广泛使用木炭。木炭灰分比木柴少，强度高，是比木柴更好的燃料。硫磺天然存在，很早人们就开采它。在生活和生产中经常接触到硫磺，如温泉会释放出硫磺的气味，冶炼金属时，逸出的二氧化硫刺鼻难闻，这些都会给人留下印象。古人掌握最早的硝，可能是墙角和屋根下的土硝，硝的化学性质很活泼,能与很多物质发生反应，它的颜色和其他一些盐类区别不大，在使用中容易搞错，在实践中人们掌握了一些识别硝石的方法。南北朝时的陶弘景“草木经集注”中就说过：“以火烧之，紫青烟起，云是硝石也。”这和近代用火焰反应鉴别钾盐的方法相似（硝石的主要成分是硝酸钾）。硝石和硫磺一度被作为重要的药材，在汉代的《神农本草经》中，硝石被列为上品中的第六位，认为它能治20多种病。硫磺被列为中品药的第三位，也能治10多种病。这样人们对硝石和硫磺的研究就更为重视。虽然人们对硝石、硫磺、木炭的性质有了一定的认识，但是硝石、硫磺、木炭按一定比例放在一起制成火药还是炼丹家的功劳。

    2、炼丹术中的化学方法

    炼丹术起源很早，《战国策》中已有方士向荆王献不死之药的记载。汉武帝也妄想“长生久视”，向民间广求丹药，招纳方士，并亲自炼丹。从此，炼丹成为风气，开始盛行。历代都出现炼丹方士，也就是所谓的炼丹家。炼丹家的目的是寻找长生不老之药，这样的目的是不可能达到的。炼丹术流行了一千多年，最后还是一无所获。但是，炼丹术所采用的一些具体方法还是有可取之处的，它显示了化学的原始形态。

    炼丹术中很重要的一种方法就是“火法炼丹”。它直接与火药的发明有关系。所谓“火法炼丹”大约是一种无水的加热方法，晋代葛洪在“抱朴子”中对火法有所记载，火法大致包括：煅（长时间高温加热）、炼（干燥物质的加热）、灸（局部烘烤）、熔（熔化）、抽（蒸馏）、飞（又叫升，就是升华）、优（加热使物质变性）。这些方法都是最基本的化学方法，这也是炼丹术这种愚昧的职业能够产生发明的基础。炼丹家的虔诚和寻找长生不老之药的挫折，使得炼丹家不得不反复实验和寻找新的方法。这样就为火药的发明创造了条件。在发明火药之前，炼丹术已经得到了一些人造的化学药品，如硫化汞等。这可能是人类最早用化学合成法制成的产品之一。

    炼丹起火，启示人们认识并发明火药。

    3、火药的发明

    炼丹家虽然掌握了一定的化学方法，但是他们的方向是求长生不老之药，因此火药的发明具有一定的偶然性。

    炼丹家对于硫磺、砒霜等具有猛毒的金石药，在使用之前，常用烧灼的办法“伏”　一下，“伏”是降伏的意思。使毒性失去或减低，这种手续称为“伏火”。唐初的名医兼炼丹家孙思邈在“丹经内伏硫磺法”中记有：硫磺、硝石各二两，研成粉末，放在销银锅或砂罐子里。掘一地坑，放锅子在坑里和地平，四面都用土填实。把没有被虫蛀过的三个皂角逐一点着，然后夹入锅里，把硫磺和硝石起烧焰火。等到烧不起焰火了，再拿木炭来炒，炒到木碳消去三分之一，就退火，趁还没冷却，取入混合物，这就伏火了。

    唐朝中期有个名叫清虚子的，在“伏火矾法”中提出了一个伏火的方子：“硫二两，硝二两，马兜铃三钱半。右为末，拌匀。掘坑，入药于罐内与地平。将熟火一块，弹子大，下放里内，烟渐起。”他用马兜铃代替了孙思邈方子中的皂角，这两种物质代替碳起燃烧作用的。

    伏火的方子都含有碳素，而且伏硫磺要加硝石，伏硝石要加硫磺。这说明炼丹家有意要使药物引起燃烧，以去掉它们的猛毒。

    虽然炼丹家知道硫、硝、碳混合点火会发生激烈的反应，并采取措施控制反应速度，但是因药物伏火而引起丹房失火的事故时有发生。《太平广记》中有一个故事，说的是隋朝初年，有一个叫杜春子的人去拜访一位炼丹老人。当晚住在那里。半夜杜春子梦中惊醒，看见炼丹炉内有“紫烟穿屋上”，顿时屋子燃烧起来。这可能是炼丹家配置易燃药物时疏忽而引起火灾。还有一本名叫《真元妙道要略》的炼丹书也谈到用硫磺、硝石、雄黄和蜜一起炼丹失火的事，火把人的脸和手烧坏了，还直冲屋顶，把房子也烧了。书中告戒炼丹者要防止这类事故发生。这说明唐代的炼丹者已经掌握了一个很重要的经验，就是硫、硝、碳三种物质可以构成一种极易燃烧的药，这种药被称为“着火的药”，即火药。由于火药的发明来自制丹配药的过程中，在火药发明之后，曾被当做药类。《本草纲目》中就提到火药能治疮癣、杀虫，辟湿气、瘟疫。

    火药不能解决长生不老的问题，又容易着火，炼丹家对他并不感兴趣。火药的配方由炼丹家转到军事家手里，就成为中国古代四大发明之一的黑色火药。

    二、中国古代火药配方的演变

    火药，顾名思义就是能着火的药，触火即燃是它的主要特性。叫它做“药”，是因为制造火药的两种主要成份－硝和硫磺都是药品，所以叫做火药。与依靠空气中氧气才能进行燃烧的物质不同，火药是由硝石释放氧气完成燃烧过程的自供氧燃烧体系，因而可以在密闭的容器中燃烧。由此可见，硝石在火药中扮演着氧化剂的角色。而硫磺在火药燃烧中扮演着还原剂的角色，是火药能够爆炸的重要因素。

    在春秋晚期(公元前六世纪)，有一个叫计然的人就说过：“石流黄出汉中”，“消石出陇道”。石流黄就是硫磺；消石就是硝石，古时还称焰硝、火硝、苦硝、地霜等。可见早在春秋战国时期，木炭、硫磺、硝石已经为人们所熟知。在我国第一部药材典籍汉代的《神农本草经》里，硝石、硫磺都被列为重要的药材。即使在火药发明之后，火药本身仍被引入药类。明代著名医药学家李时珍所著的《本草纲目》中，说火药能治疮癣、杀虫、辟湿气和瘟疫。

    1、对火药成分的认识

    火药是由练丹家发明的。由汉代到唐代，练丹家经过长期的探索和大胆的试验，虽然没有达到练出“仙丹”的目的，但在练制“仙丹”的过程中发明了火药。

    人们对组成火药的三种成分的性质有了一定认识。早在商周时期，人们在冶金中已经广泛使用木炭。在实践中，已经了解到木炭是比木柴更好的燃料。硫磺有天然存在，人们很早就开采它。同时在冶炼中，逸出的刺鼻的二氧化硫和温泉中四溢的硫磺气直接地刺激着人们的感官。就在这些接触中，人们逐渐认识到硫的一些性能。除了获知它对某些皮肤病有特别的疗效外，还有某些奇特的性质。如《神农本草经》里说：“石硫磺……能化金银铜铁，奇物。”就是说硫能和铜铁等金属化合。我国最早一本炼丹著作东汉的《周易参同契》里，记载硫和水银化合生成红色硫化汞的反应。硫的这些性能在从事炼丹的方士眼里很受器重。硫不仅能和铜铁等金属化合，还能把那神奇的水银制服。于是练丹家们在妄图用水银炼制所谓的“金液”、“还丹”中，常常使用硫。在实验中，人们还发现，硫着火容易飞升，性质活泼，很难擒制。要使它药性缓和变成比较容易控制，练丹家们采用了一种名叫“伏火法”的办法，就是经过和其他某些易燃物质混合加热或进行某种程度的燃烧，使它变性。

    火药的发明就和这类硫磺伏火的实验有密切联系。硝的引入是制取火药的关键。硝的化学性质很活泼，撒在赤炭上立即就产生焰火，能和许多物质发生作用，所以在炼丹中，常用硝来改变其他药品的性质。同时又有很多伏火硝石的方法。又因为硝石的颜色和其他一些盐类如朴硝(硫酸钠)等差别不大，在使用中容易搞错，因此人们还掌握了识别硝石的方法。南北朝时期的医药家陶弘景在《本草经集注》中指出：“以火烧之，紫青烟起，云是硝石也。”这和近代用焰色反应来鉴别硝酸钾是相似的。这为后来大量地采用硝石做了技术上的准备。

    对炭、硫、硝三种物质性能的认识，为火药的发明准备了条件。在我国封建社会的上升阶段，由于医药学和炼丹活动的发展，特别是通过长期的实践，人们在伏火硫磺、伏火硝石的多次实验中观察到，点燃硝石、硫磺、木炭的混合物，会发生异常激烈的燃烧。

    2、唐代火药配方

    唐代练丹家们于公元682年（唐高宗永淳元年）首创硫磺伏火法，在《诸家神品丹法》卷五中载有“孙真人丹经内伏硫磺法”：取硫磺、硝石各二两，研成粉末，放在销银锅或砂罐里。掘一地坑，放锅子在坑里和地平，四面都用土填实。把没有被虫蛀过的三个皂角子逐一点着，然后夹入锅里，把硫磺和硝石烧起焰火。等到烧不起焰火了，再拿木炭来炒，炒到木炭消去三分之一，就退火，趁还没有冷却，取出混合物，这就伏火了。从这一记载可见，当时已经掌握了硝、硫、炭混合点火会发生剧烈反应的特点，因而采取措施控制反应速度，防止爆炸。

    公元808年（唐宪宗元和三年），又创“伏火矾法”。同类的实验在唐中期的《铅汞甲庚至宝集成》卷二中也出现。有个名叫清虚子的，在讲“伏火矾法”时说道：“硫二两，硝二两，马兜铃三钱半。右为末，拌匀。掘坑，入药于罐内与地平。将熟火一块，弹子大，下放里面，烟渐起，以湿纸四五重盖，用方砖片捺以土冢之，候冷取出，其硫磺伏住。”在这个实验里，野生植物马兜铃和上面实验中的皂角子一样，都是代替炭起燃烧作用的。同样也注意防止混合物的激烈燃烧。这样的操作方法是经过反覆实践的经验总结。

    以上两种配方，把三种药料混合起来，已经初步具备火药所含的成分，在理论上近似2KNo2＋s＋3c＝K2s＋3co2↑＋N2↑＋Q方程式。不过所用的药料是天然品，没有经过提炼，质地既不纯净，份量也不标准，所以火药的力量还是微弱。

    关于失败的教训也有记载。成书约在五代时期(公元十世纪)一本名叫《真元妙道要略》的炼丹书就告诫说，拿硫磺、硝石、雄磺(As2s2)和蜜合起来一块烧，会发生焰火，把人的脸和手烧坏，还能直冲屋上，把房子也烧了。由此可见人们已经熟知这类混合物燃烧爆炸的性能，在炼丹中加以防止。人们有意识地利用这类混合物的这一性能，火药就被掌握了。

    经过炼丹家们不断的改进，大约到晚唐时期（九世纪末叶），中国发明的黑色火药便正式出现了。当时发明的火药，现在叫黑火药；因为它呈褐色，又有人叫它褐色火药。它是硝酸钾、硫磺、木炭三种粉末的混合物。这种混合物极容易燃烧，而且燃烧起来相当激烈。这是因为硝酸钾是氧化剂，加热的时候释放出氧气。硫和炭容易被氧化，是常见的还原剂。把它们混合燃烧，氧化还原反应迅猛进行，反应中放出高热和产生大量气体。假若混合物是包裹在纸、布、皮中或充塞在陶罐、石孔里的，燃烧的时候由于体积突然膨胀，增加到几千倍，就会发生爆炸。这就是黑火药燃烧爆炸的原理。

    和其他发明创造一样，火药的发明也经历了一个长时间的实践和认识过程，随着生产的发展、社会的进步而逐步完善。

    3、宋代火药配方

    火药应用于军事以后，在制造技术上和性能上逐渐有所发展和提高。北宋仁宗时（公元1040年左右），以熟悉法令典故而著称的宰相曾公亮等编写的军事著作《武经总要》前集卷12里，已经详细记载炮火药、蒺藜火药、毒烟火药的配制方法。

    火炮药用焰硝四十两，硫磺十四两，木炭十四两，外加竹茹、麻茹、清油、桐油、磺蜡、干漆、砒磺、磺丹、定粉、浓油等。其组配比例为硝50.6%、硫磺26.6%、木炭22.8%。

    蒺藜火药用焰硝四十两，硫磺二十两，木炭五两，外加竹茹、麻茹、小油、桐油、沥青、磺蜡、干漆等。其组配比例为硝50%、硫磺25%、木炭25%

    制毒药烟球用焰硝三十两，硫磺十五两，木炭五两，外加巴豆、砒霜、狼毒、草乌头、磺蜡、竹茹、麻茹、小油、桐油、沥青等，其组配比例为硝49.06%、硫磺24.8%、木炭25.6%；

    上述三个火药配方说明，用硝石、硫磺、木炭为基本原料，再掺杂一些其他物质，就可以配制成不同性能和用途的火药。这三个配方，既是经过宋军试用改造后优良的定型制品，又是各地配制火药的样本。其硝、硫、炭之间的组配比率，渐趋合理。

    但是，和现代黑色火药比较，这三种火药的组配率还有一定的差距（现代黑色火药的标准配方：硝75%、硫磺10%、木炭15%），由于氧化剂硝石的含量太低，供氧不足，低熔点可燃物硫磺的含量太多，又掺有很多其他成份，其性能只具有纵火、散毒、放烟的作用。《武经总要前集》所载“霹雳火球”就是按上述第一配方而制的，它也不是爆炸性火器，名为霹雳，是由于火药后竹竿爆裂，发出很大响声，又由于竹竿爆裂，球体内的炽热瓷片散飞附近，可以伤人，所以说它有爆炸性火器的萌芽。

    由此可见，北宋初期的火药，一方面已经有了相当的发展，另一方面配方成份也很复杂，还是一种低级火药。北宋末期所出现的“霹雳炮”、“铁火炮”，其中装药则肯定已经是具有爆炸性能的火药了。

    宋元两朝，战场上出现了各种火器，应用日益广泛。战争的需求促进了火药性能的不断改良。到了元代，火药配方中硝的含量已经明显增加，达到了60%，硫磺和炭各占20%左右。制造工艺也有所改良，减少了杂质，剔除了火药中的缓燃物质，成品多为颗粒状，具有了较大威力。

    4、明朝火药配方

    到了明代，火药的发展取得很大的进步，达到了更高的水平。成书于明代前期的《火龙神器阵法》，记载了多种火药配方，并提出“必要知药性之宜”才能“得火攻之妙”，较《武经总要》已有较大的发展。戚继光于公元1560年（嘉靖三十九年）写成的《纪效新书布城诸器图说》中，对铳用发射火药的配方和制造工艺，记载的更为详细。其配方为“硝一两，磺一钱四分，柳炭一钱八分”，这种组配率，是硝石75.75%，硫磺10.6%，木炭13.65%，和现代黑色火药的标准组配率已经基本一致。

    不同组配比率的传统火药配方，在《武备志·制火器法》中多有记载。其中，用作火箭流星及浸泡药线的火药配方是“磺居硝六分之一，炭居硝五分之一，折算的组配比率为硫磺硝73.2%、硫磺12.2%、木炭14.6%。爆炸药配方是“磺居硝三分之一或四分之一，炭居硝四分之一，折算的组配比率为硝66.6%、硫磺16.7%、木炭16.7%。火炮及鸟铳发射药的配方是“磺居硝十分之一，炭同之”，折算的组配比率为硝83.3%、硫磺8.35%、木炭8.35%。

    用硫或炭的同种异性原料组成的火药配方甚多，可以配制成不同的火药。如《兵录火攻药性》中说，“雄黄气高而火焰”，可以配制燃烧强烈的火药；“石黄气猛而火烈”，可以配制烈性火药；“砒黄气臭而... -->>
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