[閒聊] 文藝復興時期是如何制造火藥

如何生產硝石
硝石的重要性不只是用於制造火藥；把肉加工要硝石、皮革需要硝化、硝石可利尿、解毒與消腫；如果你想來一杯冰啤酒，也需要用到硝石來制冰。

關於硝石生產的最清晰描述可追溯到 1561 年，作者是傑勒德-洪裡克（Gerard Honrick）；將黑土（即堆肥，主要是糞便）、尿液（尤其是飲酒者的尿液）、糞便（最好是用燕麥喂養的馬）、巴黎灰泥和牡蠣殼放置在一個鋪有磚塊的干燥區域；每兩周翻動一次，至少持續一年。牆壁和地板上都要清掃粗硝石，它們 "會像雪一樣掛在上面"。

這種看似簡陋的方法，就像隨後的淨化系統一樣，有著驚人的復雜性，對那個時代的人來說，其化學機制是個謎。其化學變化如下:尿液提供了銨離子（NH），隨後銨離子升高，鈉離子（Na）降低，銨被亞硝酸單胞菌和亞硝酸桿菌轉化為硝酸根離子（NO3）；這些細菌的生長需要碳酸鈣（CaCO3）、營養生長介質（黑土和馬糞）、通氣（每兩周翻動一次）以及調節 pH 值范圍。

PH 值范圍由氫氧化鈣（Ca(OH)2）提供，氫氧化鈣由石膏中的氧化鈣（CaO）形成，值得注意的是，喂食燕麥的馬產生的糞便中鉀（K）含量相對較高，而鈉（Na）含量較低，因此，粗硝石主要含有正離子K、Na、Ca 和負離子NO、CO、OH和 CL（後者是氯化物，主要來自尿液）。

當然，問題在於如何淨化 K 離子和 NO3離子，去除氯化物相對簡單；將粗硝石（"浸出液"）煮沸，使所有鹽類溶解，然後冷卻至室溫。在室溫下，氯化物比硝酸鹽或氫氧化物更易溶解，因此 NO3會從溶液中析出，而其他陽離子則大部分溶解。這樣，冷卻容器底部的鹽就得到了部分淨化。

早期的火藥是粉狀的，其實就是把火藥的三種成分，即硝石、木炭和硫磺磨成粉，以干燥的狀態混合在一起，所以，黑火藥是一種混合物，而不是化合物。粉狀火藥有幾個大缺點，其一是制作過程中粉塵四處飄散，許多火藥制造商在工作中都遇到過粉塵爆炸事故。其二是粉狀火藥的威力難以預測，粉狀火藥在槍中壓得太緊，裝藥可能會爆炸，也可能會產生裂縫並爆炸，從而毀壞槍支。其三是制作粉狀火藥時，是把硝石、木炭、硫磺先磨碎後再混合，當他們裝在火藥桶後，在長途運送時，因為路途的顛簸，震動會導致顆粒最小的火藥沉淀在桶底，而顆粒較大的火藥則會移動到桶頂，這樣會造成火藥的威力不均，所以要使用時，還要再均勻混合過一遍；這是一個危險的過程，會產生爆炸性粉塵雲，而且在戰場上也不方便進行。其四就是粉狀火藥容易受潮。

為何火藥容易受潮?原因是產生硝石時會使硝石(硝酸鉀)（KNO3）受到 Ca(NO3)2 (硝酸鈣水合物)和 NaNO3(硝酸鈉)的污染，硝酸鈣水合物與硝酸鈉具有吸濕性，即它們會吸收空氣中的水分，除非硝石或火藥除非保存在密封的容器中，否則很快就會變得異常潮濕。

所以有人想出一個辦法，把火藥制成面疙瘩或餅狀，這樣外層濕潤，內層干燥，然後在使用前將這些火藥揉碎或磨碎，降低潮濕帶來的影響。

火藥的顆粒影響燃速與爆炸的威力
粉狀火藥在威力上也不如顆粒火藥，很多人會覺得懷疑，如果成分比例相同的火藥，不是一樣的東西嗎?為何形狀不同，威力會產生不一樣的變化呢?原因是因為火藥的爆炸是由兩個不同的過程組成，那就是點火與傳播。

在一開始的點火狀態，火藥只在火藥粒表面燃燒，而不在火藥粒內部燃燒，燃燒速度恆定在 0.2 英尺/秒左右；火藥顆粒越小，燃燒速度(燃速)就越快（因為它的表面與體積之比高於大顆粒火藥顆粒）；問題是接下來的傳播，熱能以500 攝氏度的高溫下以約30 英尺/秒的速度在顆粒與顆粒之間發生的，傳播現象帶來更多的點火，產生更多的能量；因為粉狀火藥顆粒細，缺乏足夠的內部空間進行有效的傳播，所以傳播現象不明顯；這也是為何顆粒火藥燃燒得比粉狀火藥慢，但威力卻更大。

根據這兩種火藥的不同特性，所以能快速燃燒的粉狀火藥用於引火藥，顆粒火藥用於發射藥。

如何檢測火藥的品質
槍炮匠會先目測，優質黑火藥的顏色應該是均勻的深灰色（或板岩色）。如果顏色帶有藍色或非常黑，則表明粉末中含有過多的木炭或水分。紅炭制成的粉末（如可可粉）應呈棕黑色。

之後，他們會用眼睛或放大鏡檢查一個小樣本，正確混合的粉末即使被碾碎也不應該出現任何顏色差異，如果出現各種顏色，說明粉末沒有混合均勻，如果出現尖銳的顆粒，說明成分沒有被正確粉碎。粉末中出現亮點或藍白色斑點說明硝石在干燥過程中發生了滲出，這也會影響火藥的性能；然後讓粉末流過一張紙，再對紙張進行檢查。正確制作的粉末不應該把顏色轉移到紙上。如果出現這種情況，說明粉末中的水分或灰塵（粉末）太多。

火藥制造商還會檢查的是顆粒火藥的堅固性，質量好的顆粒火藥不容易被手指壓碎，它不應該立刻變成粉末，而應該碎成有棱有角的碎片。

到了19世紀的德國，他們會將 1.1 磅的粉末裝入皮袋，然後將皮袋放入離心機中，以每分鐘 15 轉的速度旋轉 15 分鐘，之後，他們會將其取出並再次稱重，重量損失不得超
過 1.55%。

在法國，他們會先把樣品進行除塵，然後把8公斤的樣品裝入一個可容納12公斤的桶中，這意味著桶內約有1/3的空間是空的。然後，准備兩個15度斜角，長5公尺的傾斜木板，排成V字形，從一邊木板滾下去，然後木桶再爬上另一個木板，這個過程重復 100 次，這樣木桶總共走了1000公尺。

然後拿出火藥樣品，除去粉末，對剩余的顆粒稱重，如果火藥的重量損失不超過 0.20%，則被視為質量良好。

還有一個辦法是測量火藥的密度；這個測量的工具在19世紀的歐洲許多國家都有使用；它由一個由黃銅或銅制成的測量容器組成，經過精確校准，可精確容納 1 公升的材料。

在其上方放置一個漏斗，漏斗具有圓錐形底部和正好14公分的孔；漏斗底部與測量容器上緣之間的高度剛好為 40 公分，漏斗底部放置一塊切斷板 ，以調節火藥的流量；當火藥被倒滿後，對容器進行稱重，並除去測量容器的重量，然後可得到火藥的重量；重復三次，以得到平均值；以平均值除以一公升，然後得到火藥的密度。

每一個國家，對火藥的密度有不同的標准；例如德國，步槍火藥必須在0.905到0.925之間，加農炮火藥必須在0.915到0.935之間，大顆粒火藥在0.960到0.980之間；在奧地利，大顆粒火藥的標准必須在0.907到0.951之間；瑞士則是步槍火藥火藥的密度在0.955到0.975之間，而火炮火藥的密度在0.960到0.970之間；法國的標准則是火槍火藥的密度在0.830到0.870。

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