爆竹聲中“秘方”藏：“75%的硝”改寫火藥發(fā)明史

春節(jié)臨近，總讓人想起王安石那首名垂青史的《元日》：爆竹聲中一歲除，春風(fēng)送暖入屠蘇。千門萬戶瞳瞳日，總把新桃換舊符。其實(shí)，爆竹聲中還隱藏著我國古代勞動(dòng)人民智慧結(jié)晶的化學(xué)“秘方”。

春節(jié)放鞭炮（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

01爆竹演變小史

我國古代一年到頭都是工作日，沒有西方的禮拜之說。所以唐宋時(shí)有很多民間節(jié)日，這是勞動(dòng)人民用來休息放松的主要時(shí)間。西方文化以神為本，一到周日，拒絕勞作，強(qiáng)調(diào)神人共休；東方文化以人為本，節(jié)假日的目的是為了休人不休神。鞭炮的發(fā)明，大概就是人們用來鬧神的一種工具了。人們除了辭舊迎新在春節(jié)燃放爆竹外，每逢重大節(jié)日及喜事慶典，諸如元宵節(jié)、端午節(jié)、中秋節(jié)及婚嫁、建房、開業(yè)等，亦要燃放爆竹以示慶祝和吉祥之意。

南北朝時(shí)期的《荊楚歲時(shí)記》載：正月一日，雞鳴而起，先于庭前爆竹，以避山臊惡鬼。據(jù)漢代《神異經(jīng)》說，古時(shí)候，人們途經(jīng)深山露宿，晚上要點(diǎn)篝火，一為煮食取暖，二為防止野獸侵襲。然山中有一種動(dòng)物既不怕人又不怕火，經(jīng)常趁人不備偷食東西。人們?yōu)榱藢?duì)付這種動(dòng)物，就想起在火中燃爆竹，用竹子的爆裂聲使其遠(yuǎn)遁的辦法。這里所說的動(dòng)物，名叫“山臊”。古人說其可令人寒熱，是使人得寒熱病的鬼魅，嚇跑山臊，即驅(qū)逐瘟邪，才可得吉利平安。

《神異經(jīng)》對(duì)山臊的描述（圖片來源：bilibili視頻截圖）

到了唐初，瘟疫四起，湖南醴陵縣人李畋，把硝石裝在竹筒里，點(diǎn)燃后使其發(fā)出更大的聲響和更濃烈的煙霧，結(jié)果驅(qū)散了山嵐瘴氣，制止了疫病流行。這便是裝硝爆竹的最早雛形。以后火藥出現(xiàn)，人們將硝石、硫黃和木炭等填充在竹筒內(nèi)燃燒，產(chǎn)生了“爆仗”。到了宋代，民間開始普遍用紙筒和麻莖裹火藥編成串做成“編炮”（即鞭炮）。

關(guān)于爆竹的演變過程，清代《通俗編·排優(yōu)》記載道：“古時(shí)爆竹。皆以真竹著火爆之，故唐人詩亦稱爆竿。后人卷紙為之。稱曰“爆竹”。爆竹聲響是辭舊迎新的標(biāo)志、喜慶心情的流露。春節(jié)的爆竹聲也烘托出過年的喜慶氣氛。

02 火藥：制作爆竹的“靈魂”

自從李約瑟提出中國的四大發(fā)明之后，火藥作為四大發(fā)明之一而名揚(yáng)海內(nèi)外。爆竹的主要成分是黑火藥，含有硫磺、木炭粉、硝酸鉀，有的還含有氯酸鉀，外部用強(qiáng)力紙包裹。爆竹的燃放效果，主要取決于各種成分的比例和外面包裹材料的結(jié)實(shí)程度。從火災(zāi)科學(xué)的觀點(diǎn)來看，火藥是一種自帶氧化劑的燃料，可以不需要氧氣而從固體燃料直接反應(yīng)生成氣體的產(chǎn)物，避免了普通燃料必須先釋放氣相燃料，再點(diǎn)火燃燒的過程，因此比較迅速，幾乎是在瞬間內(nèi)體積膨脹一千倍左右。不過，如果包裹材料不結(jié)實(shí)，就會(huì)拉長反應(yīng)時(shí)間，降低發(fā)出的爆破聲音。

硝酸鉀（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

一般火災(zāi)的發(fā)生，需要傳熱到固體燃料表面，釋放氣相燃料，氣相燃料點(diǎn)火，反饋回燃料表面，直到穩(wěn)定的燃燒反應(yīng)建立為止。而燃燒速度的大小，取決于氧氣滲透到氣相燃料位置的速率。滲透快，則反應(yīng)快，如高壓氧艙內(nèi)失火是非常危險(xiǎn)的，因?yàn)檠鯕獗ＷC燃燒的加速進(jìn)行?；鹚幍陌l(fā)現(xiàn)，就是把氧化劑和燃料放在一起，取消了化學(xué)反應(yīng)的速度制約，所以能夠產(chǎn)生瞬時(shí)的壓力，用來推動(dòng)彈藥（如槍械）或爆炸（如爆竹）。

要讓爆竹達(dá)到預(yù)期的效果，首先是燃料氧化劑比例合適，沒有多余的材料。如果氧化劑或燃料過量，那么過量的部分就吸收熱量而沒有貢獻(xiàn)，所以能量釋放減低。其次，要包裹嚴(yán)實(shí)，才能產(chǎn)生預(yù)期的爆炸力。沒有包裝（規(guī)矩），爆竹不過是快速燃燒，就沒有驚人的爆發(fā)效果了。最后，要保持干燥。水是最方便的阻燃劑，火藥遇水就熄滅或根本點(diǎn)不著了。

03 火藥配方中的證據(jù)挖掘

李約瑟博士通過對(duì)整個(gè)火藥史的研究，得出結(jié)論：火藥中硝的成分是逐漸增加的，很可能最初硝、硫、炭的比例相等，或硝的比例還少一些，越到后來，火藥的威力越強(qiáng)，燃燒速度越來越快，最后硝的成分逐漸上升到75%或80%。這是理論上的最佳數(shù)量。

為了論證這一點(diǎn)，他與他的合作者說服英國皇家軍備研制局專門配制了一些火藥，含硝量在20%~90%之間。然后，他們?nèi)パ兄凭炙诘乜咸乜さ暮Ｋ即鞯卤ぃ‵ort Healthstead of Kent），把這些火藥逐個(gè)點(diǎn)燃來觀察爆炸效果，驗(yàn)證古書上的演化趨勢(shì)。

李約瑟設(shè)法把歷史文獻(xiàn)記載中的火藥不同成分整理出來，用圖表進(jìn)行比較觀察。從宋代《武經(jīng)總要》、明代《火龍經(jīng)》及十四、十五世紀(jì)以前中國更早的古籍記載中發(fā)現(xiàn)，硝、硫、炭的成分平衡點(diǎn)散在表上各處，表明當(dāng)時(shí)還在進(jìn)行各種不同配方的試驗(yàn)，后來的配方也圍繞在硝（氧化劑）的成分為75%左右。

從早期阿拉伯及歐洲記載中，發(fā)現(xiàn)這種平衡點(diǎn)一律集中在硝的成分為75%的中心附近，似乎阿拉伯人和歐洲人一開始就知道該怎樣配制最佳的火藥了。這說明，火藥是由中國傳入西方的，在火藥知識(shí)傳入歐洲的同時(shí)，基本配方的知識(shí)也同時(shí)傳入了歐洲。西方人在十三世紀(jì)以前還不知道硝石為何物，而中國早在850年出版的《真元妙道要略》就記載以硝石、硫黃和木炭制成火藥混合物，1044年的《武經(jīng)總要》更給出最早的軍用火藥配方。李約瑟博士用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)證明了中國古人對(duì)火藥的原創(chuàng)和發(fā)展過程，值得后人學(xué)習(xí)和借鑒。

中國國家博物館藏元代青銅火銃（圖庫版權(quán)圖片，轉(zhuǎn)載使用可能引發(fā)版權(quán)糾紛）

有道是，爆竹聲中一歲除，歡樂處處防回祿；氧化燃料多危險(xiǎn)，慶祝不忘大安全。春節(jié)臨近，全國各地的煙花爆竹管控政策陸續(xù)出臺(tái)，大家一定要嚴(yán)格遵守當(dāng)?shù)氐墓芸卣?，度過一個(gè)安全、喜樂的春節(jié)。最后，祝大家龍年大吉、萬事如意。

作者：麻庭光 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院 副教授

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