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从炼金到化学:火药引领人类前进?

添加时间:2020-07-29 作者: 来源:科普中国 点击:383 收藏 打印 字体:
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能量改变战争系列



图为描述十二世纪拜占庭帝国海战中运用“希腊火”攻击敌船的壁画。(图源:马德里国家图书馆)


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。


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