从炼金到化学：火药引领人类前进？

　　【能量改变战争系列②】

　　无论是旁敲侧击催生“希腊火”的炼金学，还是无意间炮制出火药的炼丹学，它们在那个年代都确确实实改变了战争的形态，甚至改变了半个世界——但它们说到底仍旧带着“碰运气”般的神秘学色彩，算不上是真正的“科学”。

　　但向为之探索的收益之大，已经令勇敢者们为之跃跃欲试。火药蜕变的过程，也正是现代化学真正诞生的起源之一，说是火药引领人类向前迈步，或许是一点都不过分。

　　图为描绘早期火药制作过程中意外爆炸事故的绘画作品。（图源：daviddarling）

　　造粒：火药在西方的工艺革命

　　“一硝二磺三木炭”，这句口诀凭借着经典抗战电影《地雷战》广为人知。但当13-14世的的欧洲人在战场前线把装着火药的大木桶启封时，他们却惊讶地发现，本该是三种原料混合的火药再度“离散”，变成了上层木炭、下层硫磺和硝石的“鸡尾酒”。

　　这一现象出现的原因很简单。由于木炭、硫磺和硝石的颗粒大小和重量都有显著区别，硝石（硝酸钾）还有吸水凝结的特性，所以木桶搬运中的每一次晃动，都相当于是在给原本混合均匀的火药粉末“分层”。

　　而在前线士兵晾晒火药，尝试重新混合粉末的过程中，粉末和空气充分混合，往往会带来灾难性的后果——粉尘爆炸。这种事故在那个时代的火药工坊中同样普遍，所以工匠们开始尝试在火药制造过程中添加水、酒、甚至是尿液等“液体偏方”。

　　奇迹就此发生。浸润干结后的火药不仅形成了结构和配比都很稳定的颗粒，颗粒内部干裂形成的缝隙更让火药的燃烧速度有了质的飞跃，几乎可以称之为“爆燃”。

　　也正是从这里开始，西方各国陆续将火药从“造粉”改为“造粒”。不同颗粒大小、材料配比的火药被分开制造和包装，分别用于口径、倍径各异的枪炮武器；再辅以对枪炮弹丸重量、形状、乃至炮膛容量，药室体积排布的“试错”，热兵器时代的曙光这才真正展开。

　　硝石，硝石！交换反应与化学巨头杜邦的崛起

　　图为杜邦公司的火药运输马车。（图源：mentalfloss）

　　自训练后的平民端着火枪，把全幅武装身着重甲的骑士老爷们吊打一通之后，火药便于一夜之间“上位”，成了大国之间争相夺取的战略资源。

　　木炭自不必说。英国人甚至要指定使用柳木炭来制造火药，真正关键的还是硝酸钾。当时印度孟加拉有着全球最大，也是最重要的硝石矿，而这个矿区被英国人牢牢地掌控在手掌心，法国、德国、乃至新建立的美国要么乖乖掏钱，要么就只能像法国人那样颁发特许令，到厕所里去想办法提纯硝石。

　　而到了南北战争时，分裂为南北两方的美国更是被“硝石荒”弄得头晕脑胀。北军手中剩余的印度硝石只能制作最多六个月量的火药，而英国转手便对美禁运印度硝石。怎么办？

　　此时，杜邦集团的创始人把目光放到了智利硝石上。不同于印度硝石，智利硝石的主要成分是硝酸钙。杜邦使用草木灰（碳酸钾）作为结合钙离子和提供钾离子的原料，这就是“交换反应”。

　　可以说，正是南北战争和交换反应制取火药原料夹杂在一起，成就了美国化学工业，以及巨头杜邦的崛起。顺带一提，虽然黑火药如今已不再流行，但制取硝酸钾的工业程序，从原理上仍旧和当初别无二致。

　　战场收割机的致命燃料：硝化纤维

　　图为和自己第一挺机枪合影的马克沁。（图源：《壕沟中的机枪》）

　　虽然如前文所说，平民端着火枪足以抗衡骑马披甲的贵族，但所谓“贵族传统”仍旧挥之不去：密集阵型冲锋、军装饰带、军乐队都是这些传统的具体体现。

　　但新技术已经在“叩门”。手摇机枪等自动武器在歼灭队列敌人时显现出了无与伦比的优势。同时，美国人马克沁也在醉心于利用后座力完成枪械自动射击，“马克沁机枪”由此诞生。它的射速几乎是当时所有自动武器的1.5-2倍。

　　具备高射速的同时，马克沁机枪也深受黑火药的特性所扰：黑火药枪弹发射时会产生大量烟雾，自动武器射速越快，烟雾越密集；此外，黑火药还会在枪膛中留下大量残余物，极易使得机枪发射故障，甚至炸膛。

　　最优解来得很快。法国科学家维耶里把醋酸纤维与硝化甘油混合，终于得到了燃烧速度稳定、发射后枪膛无残渣的理想发射药，硝化纤维（即无烟火药）。

　　而在硝化纤维的加成下，马克沁机枪才真正达到了它的设计目标。以第一次世界大战为分界线，战争终于展现出了它对平民和贵族“一视同仁”的那一面，科学技术同战争之间的关系也至此彻底改变，机枪和硝化纤维无疑在其中扮演了至关重要的角色。

　　划重点：对火药各方向的研究，不仅使得热兵器完全取代了冷兵器，更催生了现代化学等一系列学科门类，并最终取代了神秘学主导的炼金和炼丹，完善了人类对能量的认知——只可惜，这一切均是以无尽的杀戮为代价。

　　军事小词典

　　交换反应：在工业领域，交换反应至今仍是制取硝酸钾的重要渠道之一，不同之处在于杜邦使用草木灰提供碳酸钾，硝酸钙来自智利硝石矿，现代化学工业则使用硝酸直接溶解石灰，以及硫酸钾来进行交换反应。

　　杜邦：尽管经历了多次拆分和反垄断审查，杜邦仍旧是世界排行前三的化学工业企业，从1802年制造火药发家的杜邦之所以能够崛起至此，和火药制造搭上了战争的快车道脱不开关系。

　　马克沁机枪：作为人类历史上第一件真正实用的自动速射武器，马克沁机枪成功的关键就在于利用了火药枪械的后座力，这一点至今仍是大部分自动武器的共同基础。

　　出品：科普中国军事科技前沿

　　策划：赵清建

　　制作：旋钮工作室

　　监制：光明网科普事业部