中国科学报

“这种提硝法更为简单方便,便于批量生产,或许是当时北方边军的惯例。”郑诚说。

中古术士的炼丹炉

据唐宋间文献记载,用作医药或丹药的硝石,是通过煎炼硝土水溶液,再结晶而获得的。万历二十六年,赵士桢在《神器谱》中较为详细地记载了火药用硝提纯法,可用现代化学知识解释:萝卜与硝水同煮,可清除吸潮性很强的镁盐,防止火药变质;加入鸡卵清,可使硝水中的泥沙类杂质凝聚沉降;煮沸后冷却再结晶,可将硝石与氯化钠分离。此外,用草木灰水提纯硝石也是常见的方法。草木灰水可与硝水中的各种钙盐、镁盐、铁盐反应,形成碳酸盐或氢氧化物,沉淀析出。煮沸后静置冷却结晶。

最终,在19世纪中后期,经过两次鸦片战争及太平天国战争,清末转向全面引进西方近代军事技术。19世纪末,随着近代化学工业的发展,古老的黑火药也被各类无烟火药取代,逐渐退出了军事领域。

“18世纪至19世纪初,中国的火器技术大体上没有什么改进,仍采用传统工艺生产16-17样式的枪炮。”郑诚介绍说,“到第一次鸦片战争时期,清军的火器已与欧洲产品存在代差。工业革命推动军火工业快速发展,到第二次鸦片战争时期,双方的差距进一步加大。”

近日,有媒体报道称,重庆市黔江区石家镇石家社区居民在贺家洞寻找地下水抗旱救灾时,在洞中发现了一处大型“火药工坊遗址群”,其炼硝场所、设施均未受损。考古专家表示,该“火药工坊遗址群”从形态看始于清朝,因为在溶洞内,保存比较完好,属国内少见,对研究明清时期的矿冶开采具有较高价值。

“由于史料极为有限,且形成年代难以确考,目前仅可大致推测,唐代炼丹术士利用硝与草木药合烧硫磺,改造硫磺药性,获得不易挥发的‘伏火硫磺’;又以硝与草木药合烧,获得丧失助燃性的‘伏火硝石’,可见当时对于硝硫炭质混合物易燃易爆,已有了明确的认识。”郑诚说,“当某些术士开始尝试利用这类混合物的破坏力时,火药的发明也就不远了。”

中国科学报:追寻古代火药发展的足迹

降及清代,官方火药产量巨大,但在工艺技术层面却缺乏革新。“总体而言,直到19世纪中期,军用黑火药生产工艺,包括制硝工艺,较之17世纪初并没有特别改进。”郑诚说,“原材料方面,硝土分布广泛,各省大体能自给自足,而硫磺产地相对较少,往往需要从他省采买。官造火药大体分中央制造与地方制造两部分,供应军需之用。”

硝石与火药

火药在发明之初便被用作武器。10世纪末至11世纪初,宋朝开始量产军用火药,主要是含硝量较低的火药膏,用于制造弓弩发射的燃烧箭与投石机抛掷的燃烧弹。12世纪至13世纪,在宋金元三朝的长期战争中,出现了利用高硝火药冲击波的硬壳爆炸弹以及原始的管形火器。最迟13世纪末,元朝军队已开始装备管形金属火器,此后火药主要用作发射药。

“到了14世纪中叶,元末群雄混战,火铳已非罕见之物。”郑诚介绍说,“至14世纪后期,明朝军队装备了大量金属火器,如铜手铳、碗口铳等。15世纪初,以永乐天字铜手铳为代表的传统火器达到了技术高峰。”

贺家洞是重庆市黔江区石家镇石家社区附近的一处溶洞,洞长约2公里,洞内宽二三十米,高数十米。报道中所说的“火药工坊遗址群”距洞口约五六百米,有灶台、硝池20多个。灶台和硝池均呈圆形,块石砌成,跟土家族煮饭的灶台一样,灶台口径在60厘米至150厘米之间,硝池口径在30厘米至50厘米之间。整个洞内都有采挖硝土的痕迹。

永利皇宫,从硝土中有效分离杂质进而获得高纯度的硝酸钾,是决定火药品质的关键。于是,在漫长的历史发展过程中,也形成了各种提纯硝石的方法。

硝石,即硝酸钾,是火药中最重要的成分。郑诚介绍说,天然硝石受风土气候影响,在世界范围内分布极不平衡。古代中国,硝石产地相对广泛,西南地区尚有不少天然硝洞。

同时,中国火器技术也在向外扩散。13世纪前后,中国火器技术向周边扩散,间接催生了欧洲的火药武器。16世纪前叶,欧洲火器又经海路传入东亚。17世纪末,清廷掌握的火炮技术接近欧洲水平,但此后便长期停滞。

清朝在重庆开设了火药局,生产军用火药,主要由附近若干硝洞供应原料。按嘉庆《大清会典事例》卷六八六,乾隆二十年奏准:“川省需硝,向在重庆设局,於川东所属南川、彭水、酉阳三场采办,但南、彭二厂,洞老土淡,酉阳所产甚微。江油县有硝洞八,无碍田庐,请行开采。”可见在18世纪中期之前,四川东部的南川、彭水、酉阳是省内军需硝石的主要产地。2014年,彭水县的红岩洞也曾发现大型硝洞遗迹。乾隆年间,彭水县、黔江县均属酉阳直隶州。至于贺家洞的具体开采年代,尚需探索。结合传世文献与遗址考察,对于认识古代开采、加工硝石的实态与军需供应链均有帮助。

自汉代以来,硝石和硫磺即为医家与丹师常用之物。中土炼丹术的药物配伍原则遵循阴阳学说,硝石、硫磺分别被视作阴药与阳药,同时烧炼的机会较多。东晋年间,即4世纪时,或许就已经有炼丹术士发现了含硝混合物的爆炸现象。唐代流行的伏火法与火药的发明关系密切。

与武器发展相伴

火药的发明要追溯到中古术士的炼丹实践。一般认为,术士在炼丹过程中发现了含有硝石、硫磺和木炭成分的混合物会发生燃烧、爆炸的现象,时间不迟于唐代。

“从报道来看,重庆发现的遗址并非‘火药工坊’,而是大型‘硝洞’,是开采、加工硝石的场所,为火药工场提供原料。”中国科学院自然科学史研究所助理研究员郑诚告诉《中国科学报》记者,“在西南地区,云贵川多地曾发现此类硝洞。”

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