Thuốc nổ đen


Thuốc nổ đen là một loại thuốc nổ. Nó là thuốc nổ đầu tiên do con người chế tạo ra, thuốc nổ đen được dùng làm thuốc nổ, thuốc súng, nhiên liệu cho tên lửa (rocket) và thuốc cháy chủ yếu cho đến tận giữa thế kỷ 19.
Thời trung cổ, thuốc nổ đen ở Trung Quốc có tên hỏa dược (火藥, nghĩa là "thuốc cháy"), ở châu Âu nhiều người gọi là black powder(thuốc nổ đen), meal powder (thuốc bột) cũng có người gọi là gunpowder (thuốc súng). Nhiều cách gọi như thế vì trước đây chỉ có mỗi thuốc nổ đen vừa làm thuốc nổ vừa làm thuốc súng và vừa làm thuốc cháy. Từ gunpowder ngày nay vẫn dùng mặc dù thuốc súng đã đổi khác nhiều.
Trong các ngôn ngữ phương Đông cổ, hay dùng từ "thuốc" (Hán-Việt là "dược", 藥) để chỉ các hỗn hợp có chức năng nào đó được sử dụng gần như hóa tính ngày nay. Thuốc nổ đen ban đầu dùng làm thuốc cháy và tiếng Trung vẫn còn tên thủa ấy.
Đặc điểm chính
Lý-Hóa tính
Thuốc nổ đen dạng bột mịn, màu đen xám của bột than, có thể có ánh kim của bột nhôm, mùi khó ngửi của lưu huỳnh. Ngoài ra, còn một số phụ gia khác như hồng hoàng để bắt cháy chẳng hạn.
Thuốc nổ đen dễ hút ẩm do đặc điểm của nitrat kali giã mịn. Thuốc nổ đen có thành phần bột nhôm rất nhanh chóng biến chất khi tiếp xúc với không khí.
Đặc tính cháy nổ
So với các thuốc nổ khác, thuốc nổ đen dễ bắt cháy, tốc độ nổ không cao nhưng không thể kiểm soát được, năng lượng nổ yếu, sản phẩm cháy nhiều phần rắn gây hỏng thiết bị (như nòng). Nhiệt độ bắt cháy của thuốc nổ đen chỉ hơn 200°C, thời cổ, những loại thuốc cháy chứa muối thủy ngân và nhiều lưu huỳnh có nhiệt độ bắt cháy thấp hơn, chỉ 160°C, nhiệt độ bắt cháy cũng giảm khi sử dụng nguyên liệu tồi như phân dơi. Nhiệt độ bắt cháy không ổn định khi thành phần thuốc không chính xác. Các súng dùng thuốc nổ đen làm thuốc súng thường ngắn, nặng, yếu. Loại súng mạnh nhất được thiết kế để dùng thuốc nổ đen là hải pháo.
Thành phần hóa học
Thuốc nổ đen là hỗn hợp nitrat kali (KNO3), bột than củi giã mịn. Một số loại thuốc nổ đen có thêm lưu huỳnh (dùng cho các vũ khímạnh), bột nhôm (phát sáng cho pháo, tăng năng lượng cháy cho bom), hồng hoàng (muối thủy ngân, kích nổ).




KNO3(nitrat kali) dạng bột kết tinh




Lưu huỳnh (S) và than củi (C) dạng bột




Thuốc nổ đen đã pha trộn (KNO3:S:C = 75:10:15)
Nitrat kali, thời cổ gọi là "diêm tiêu", được lấy trong các mỏ tự nhiên. Diêm tiêu cũng được lấy bằng cách hòa đất lẫn phân dơi trong hang với nước, lọc, cô đặc, sấy khô. Các thành phần hỗn hợp được để riêng, giã mịn, rồi mới trộn với nhau. Cacbon của bột than củi là chất khử, diêm tiêu là chất ôxi hóa. Các súng phun lửa hay hỗn hợp cháy trộn dư chất khử, để chúng tiếp tục cháy lâu. Thuốc có thể trộn thêm các thành phần khác, như chất độc, chất tạo khói, chất gây cay, mảnh sát thương... Các thành phần có thể để riêng rồi rắc lẫn lên vật gây cháy (rơm củi dầu), không cần trộn, ngay trước khi sử dụng, để dẫn lửa[1][2].
Phản ứng cháy của hỗn hợp rất phức tạp, đơn giản có thể viết:
2 KNO3 + S + 3 C → K2S + N2 + 3 CO2
Một cách viết phức tạp hơn, nhưng vẫn chưa mô tả được hết phản ứng[3]:
10 KNO3 + 3 S + 8 C → 2 K2CO3 + 3 K2SO4 + 6 CO2 + 5 N2
Chính xác, hỗn hợp có thành phần khối lượng như sau: 74,64% nitrat kali, 13,51% bột carbon, 11,85% lưu huỳnh. Trước đây, các thành phần hỗn hợp thành phần rất tồi, nên tỷ lệ khó chính xác, ảnh hưởng nhiều đến khả năng bắt cháy, tốc dộ cháy, năng lượng cháy. Giữa thế kỷ 18 ởchâu Âu trộn hỗn hợp theo tỷ lệ 75% diêm sinh, 15% bột than củi, 10% lưu huỳnh[1].
Trong Binh Thư Yếu Lược có quy định rõ thành phần, loại cây lấy than, cách giã, số lượng chầy giã...
Lịch sử
Người phương Tây thường cho rằng, các đạo sĩ ở Trung Quốc thế kỷ 9[4], trong khi luyện đan, đã tình cờ phát hiện ra phản ứng cháy của hỗn hợp có diêm tiêu[5