Thuốc nổ được phát minh như thế nào?

Thuốc nổ đen là loại thuốc nổ được con người sử dụng sớm nhất, do người Trung Quốc phát minh từ hơn 1000 năm trước. Tên gọi thuốc nổ đen có từ đâu? Nếu căn cứ vào tên gọi để suy nghĩ, thuốc nổ đen có lẽ là một loại nguyên liệu thuốc màu đen có thể nổ và phát ra lửa. Nhưng vì sao thuốc nổ lại liên quan đến nguyên liệu thuốc? Điều này phải bắt đầu từ những nhận thức ban đầu của con người đối với thuốc nổ.

Trong thời cổ đại, từ rất sớm con người đã dùng quặng nitrat kali, tức diêm tiêu, và lưu huỳnh làm những nguyên liệu thuốc quan trọng. Ví dụ, trong “Thần nông bản thảo kinh” thời Hán, quặng nitrat kali được xếp ở vị trí số sáu trong các loại thuốc thượng phẩm, nghe nói có thể chữa hơn 20 loại bệnh. Lưu huỳnh được xếp ở vị trí số ba trong số các loại thuốc trung phẩm, cũng được cho là có thể trị hơn 10 loại bệnh. Hai loại nguyên liệu thuốc này chính là những nguyên liệu chính để chế tạo thuốc nổ đen. Theo khảo chứng, loại thuốc nổ sớm nhất ra đời từ tay một nhà luyện đơn. Thời cổ đại, để thỏa mãn ham muốn trường thọ bất lão, các bậc đế vương phong kiến chỉ định một nhóm thuật sĩ đốt lò để nghiên cứu và điều chế đơn dược. Các thuật sĩ luyện đơn đã tiến hành nhiều thí nghiệm như phân li, hòa tan, chưng cất, thăng hoa, đốt... nhiều loại vật chất. Đây có lẽ là hình thức thí nghiệm hóa học sớm nhất mà con người từng thực hiện. Thuật luyện đơn tuy bắt nguồn từ mơ ước của các bậc đế vương, nhưng hoạt động thực tiễn của nó lại có tác dụng thúc đẩy sự phát triển của khoa học. Một số tác phẩm nổi tiếng của các nhà luyện đơn được lưu truyền hậu thế đã thể hiện nhận thức của người xưa về vật chất. Thuốc nổ đen chính là một ví dụ điển hình.

Những nhà luyện đơn Trung Quốc đã tiếp xúc với các vật chất như quặng nitrat kali, lưu huỳnh và than gỗ từ rất sớm, đồng thời nhận thức được rằng khi chúng trộn lẫn, cọ xát hoặc va đập với nhau, thường sẽ xảy ra hiện tượng cháy mang tính nổ. Nhà luyện đơn thời Hán là Ngụy Bá Dương đã dùng lưu huỳnh để kiểm nghiệm quặng nitrat kali là thật hay giả. Qua cọ xát mạnh, nếu đúng là quặng nitrat kali thì khi gặp lưu huỳnh, nó sẽ cháy rất nhanh. Nhà luyện đơn thời Nam Bắc triều Đào Hoằng Cảnh cũng chỉ ra chính xác rằng quặng nitrat kali gặp than gỗ đỏ và nóng sẽ xảy ra cháy mang tính nổ. Trong những năm đầu triều Đường, trong cuốn “Đan kinh”, nhà luyện đơn Tôn Tư Mạo đã viết về cách lấy ba thứ là quặng nitrat kali, lưu huỳnh và bột than trộn theo tỷ lệ nhất định thành thuốc nổ đen. Từ đó có thể thấy rằng lúc ấy con người đã nắm được khá đầy đủ cách chế tạo và tính chất của thuốc nổ đen.

Vào những năm cuối triều Đường, thuốc nổ đen bắt đầu được dùng trong lĩnh vực quân sự, thành phần và tỷ lệ thuốc nổ cũng chính xác hơn, gồm quặng nitrat kali 75%, bột than 15% và lưu huỳnh 10%. Đến triều Tống, quy mô sản xuất thuốc nổ liên tục được mở rộng. Nhà nước còn thành lập các “công thành tác”, tức xưởng công binh, trong đó có xưởng chuyên sản xuất thuốc nổ đen và lò luyện thuốc nổ, quy mô từ mấy tấn đến mấy chục tấn mỗi ngày. Năm thứ tư đời Bắc Tống, tức năm 1040 Công nguyên, trong “Võ kinh tổng yếu” do Tăng Công Lượng biên soạn, đã xuất hiện tên gọi “thuốc nổ” và tỷ lệ điều chế liên quan. Trong tỷ lệ điều chế, ngoài quặng nitrat kali, lưu huỳnh, than, còn có thêm các vật dễ cháy như axit sunfuric, nhựa thông, sáp ong, sơn khô...

Khoảng đầu thời kỳ Nam Tống, việc chế tạo thuốc nổ đen được đưa vào dân gian. Khi ăn Tết, người dân dùng thuốc nổ đen để chế tạo pháo và pháo hoa đem đốt. Phong tục này còn được giữ cho đến ngày nay.

Thuốc nổ đen là một loại chất hỗn hợp: quặng nitrat kali là chất oxy hóa sinh ra oxy kích thích cháy; lưu huỳnh và than là những chất có thể cháy, khi cháy kết hợp với oxy hóa sinh ra các thể khí như SO2, CO2. Nhiệt độ bốc cháy của lưu huỳnh thấp hơn than, khiến thuốc nổ dễ cháy hơn. Đồng thời, lưu huỳnh còn kiêm vai trò chất kết dính. Khi cháy, thuốc nổ đen có thể sinh ra một lượng lớn nhiệt và khí, làm không khí xung quanh giãn nở nhanh, mạnh và đột ngột, tạo ra hiện tượng nổ.

Thuốc nổ là một trong những phát minh lớn của Trung Quốc. Sau đó, nó truyền từ Trung Quốc sang Ấn Độ, rồi xâm nhập vào vùng Ả Rập, sau đó từ Ả Rập qua các nước như Tây Ban Nha để vào châu Âu. Vì vậy, châu Âu xuất hiện thuốc nổ chậm hơn Trung Quốc vài trăm năm. Việc phát minh ra thuốc nổ không những chấm dứt thời kỳ chiến tranh lạnh về mặt quân sự, mà còn phát huy uy lực to lớn trong xây dựng công trình và sản xuất công nghiệp. Do đó, thuốc nổ đen được coi là một mốc quan trọng trong lịch sử hóa học.