中国古代火药配方的演变

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    火药，顾名思义就是能着火的药，触火即燃是它的主要特性。那又为什么叫它做“药”呢？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

    火药是由练丹家明的。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”的过程中明了火药。

    先，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，人们还现，硫着火容易飞升，性质活泼，很难擒制。怎样才能使它药性缓和变成比较容易控制呢？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，会生异常激烈的燃烧。

    唐代练丹家们于公元682年（唐高宗永淳元年）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、炭混合点火会生剧烈反应的特点，因而采取措施控制反应度，防止爆炸。

    公元8o8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＋3net2↑＋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），中国明的黑色火药便正式出现了。当时明的火药，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，就会生爆炸。这就是黑火药燃烧爆炸的原理。

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

    火药应用于军事以后，在制造技术上和性能上逐渐有所展和提高。北宋仁宗时（公元1o4o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5o.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5o%、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.o6%、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1o%、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，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6o%，硫磺和炭各占2o%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。

    到了明代，火药的展取得很大的进步，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》已有较大的展。戚继光于公元156o年（嘉靖三十九年）写成的《纪效新书布城诸器图说》中，对铳用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1o.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；“砒黄气臭而毒”，可以配制致毒药剂。又如《武备志制火器法》中说，“柳枝灰、茄秕灰最轻而易引火”，能配制容易引燃的火药；“飘灰、蜂窝灰则又轻”，能配制极易引燃的火药；用葫芦灰能配制燃烧猛烈的火药，用箬叶灰能配制爆裂的火药。

    在火药中加入其他原料组成的火药配方更多，仅在《兵录火攻药性》中就记载了5o多个。例如，加入金针、硇沙、制铁子、磁锋等物，配制成使人肌肉腐烂的“烂火药”；加入草乌头、芭豆、雷藤、水马等物，配制成使人说不出话来的“见血封喉药”；加入江子常山、半夏、川黄等物，配制成使人昏迷不醒的“喷火药”；加入桐油、豆粉、松香等物，配制成烧夷敌军粮草和营寨的“飞火药”；加入头、铁汁、巴油等物，配制成焚烧敌军革车、皮帐的强烧剂；加入猛火油等物，配制成得水愈炽能燃烧湿物的水战用火药；加入九尾鱼脂等物，配制成因风蔓延的燃烧剂；加入狼粪等物，配制成昼烟、夜光的报警焰火；加入江豚骨、江豚油、狼粪、艾肭等配制的“逆风火药”；分别加入青黛、铅粉、紫粉、木煤后，配制成能出青烟、白烟、紫烟、黑烟等报警火药。

    在《武备志》稍后，公元1637年出版的《天工开物》中的《佳兵篇》所载的《火药料》中，把其区分为直击的火药和横击的火药，相当于射和爆炸的概念。说直击的火药是硝九、磺一的比率，横击的火药是硝七、磺三的比率。这说明，这时的火药成份已较单纯，人们对射用火药和爆炸用的火药的组配规律，已经确实地掌握了。

    明代火药的配制工艺也有了极大的进步，其主要包括对原料的精选、提炼及配制、检验等方面。

    硝是配制火药的主要原料，它的纯度对火药威力的影响很大。明代制硝的工艺流程分为三步。第一步是将天然硝石放在没有杂质的淡水中溶解，把其中的泥沙等颗粒性杂质沉淀并剔除。第二步是用一定数量的鸡蛋清、红箩卜等吸附物放入硝溶液中多次煮沸，吸附其中的渣滓及盐碱等成份，然后用笊篱将吸附物捞出。第三步是将水胶放入硝液中再次煮沸，尔后将硝液倒入瓷瓮中冷却凝固，使废水浮在瓮上，泥末沉于瓮底，纯硝居于中央，最后去水除渣，取出纯硝晒干。经过上述工艺流程，每百斤天然硝大致只能提炼出3o斤纯硝。这种纯硝呈白色结晶，。

    硫磺是一种快燃爆物，它纯度对火药爆力的影响很大。明代硫磺的提炼工艺流程分为四步。第一步是将硫块捣碎，拣去沙粒、杂物。第二步是将捣碎的硫磺放入锅中加淡水煮沸，去除杂质，倒入瓮盆内沉淀一天后，将沉淀物剔除，取得粗硫。第三步是按1o斤硫磺倒入2.5斤牛油和1斤麻油的比例，进行煎煮，使油不粘糊硫磺，再用柏叶加入锅中与硫磺同煮，吸去锅中成黑色的渣滓。第四步是将去渣的粗硫放入沸油中煎煮，待油面泛起黄沫后，放入盆中冷却，最后除去面上的黄沫和杂质，取出无渣滓、去油性的纯净硫磺，这种硫磺呈柠檬色块状结晶。

    木炭粉是火药中的助燃物，其质量优劣能影响火药的燃烧度。焙制木炭时，最好选用清明前后的柳条，因为此时的柳条叶芽将萌未萌，养分集中在柳条上。如果将这种枝直条匀的柳条取下，去皮除节，自然封干，尔后再焙制成炭，碾成粉末。用这种木炭粉配制的火药，因木炭的去皮而无烟，去节而无树脂，从而提高了燃烧度和的各向均匀性，增强了瞬时爆力。

    配制火药的工艺流程共四步。第一步是将精选和提炼过的硝、硫、炭，按配制火药的要求，秤准份量，按配方比例，分别放入石臼或木槽中，反复捣碾多次，使之成为细末。第二步是将碾细的硝、硫、炭三种粉末，按比例混合放入木臼中，再加入量的纯水或烧酒，将混合物拌合成湿泥形态，并用木杵捣碾成千上万次。在捣碾过程中，严禁沙石杂入臼中，以免磕碰后生火成灾。当混合物将干时，加水再捣，使混合物充分匀和细腻，尔后取出日晒。第三步是对成品进行质量检查。选取一部分晒干的火药样品，放在纸上燃烧，如果迅燃尽而纸张完好无损，则是合格制品。或者将样品放在手心中燃烧，火药燃毕而手心不觉热者，说明成品燃快，是合格制品。反之，如果火药燃毕后在纸上留有黑心白，或手心感到烧灼者，则为不合格制品，需要反工再次捣碾，直到合格为止。其四是筛选合格药粒，赵士祯在写成于公元1598年（明神宗万历二十六年）的《神器谱》中说：火药的颗粒，“粗大者不用，下细者不用，止取如粟米一般者入铳”，说明当时对火药颗粒大小与火药燃烧度的关系，已经有了深刻的认识。将经过检验合格的药块破碎成粒，用粗细不同的箩筛，分别筛出大铳（炮）、佛郎机和鸟铳所用的大中小各种火药粒，不成粒状的可以用作火门引火药，剩下的细粉末全部剔除。这种按枪炮口径和药室大小，选用相应档次的粒状火药的目的，既是为了提高射威力，也是为了保证射时的安全。

    中国古代火器的展自18世纪初叶逐渐衰萎，清代在第一次鸦片战争前所用的火药，大体仍按明代火药配制理论和技术，采用人工操作的办法配制而成。而同期西方工业革命，极大地促进了火药和火器技术的展。

    清军在第一次鸦片战争中战败后，清朝一些统兵将领导和火药研制人员，现了旧制火药的不足。为了改良火药性能，进行了大量改进配制工艺的试验，将提炼硝的次数从一次增加到三次，尔后按硝8斤，硫磺粉1斤2两、炭粉1斤6两的配比份量，放在石臼中，用槐榆木制的坚木杵捣拌成千上万次，制成组配比率为硝76%、硫1o.7%、炭13.3%的射火药。经对比试验，和英军射药的性能基本相当。

    中国古代火药明后，在军事使用中在不断地改进和提高。其展规律是：配制上由没有严格比例到有一定比例；成份上庞杂到简单、纯净；形状上由粉末到颗粒。火药的燃烧、爆炸和射三种性能，也逐渐被应用到火器中去。