火薬

用途（による分類）

火薬類は主に、以下のような用途に用いられている。（それぞれの用途ごとに適した種類の火薬類が用いられる。）

爆薬（破壊用）

爆薬は「爆轟」によって発生する衝撃波や破片によって周囲の物体を破壊する。爆弾や砲弾、魚雷や手榴弾等の弾頭および弾体・核兵器における爆縮レンズの構成部品として軍事用に用いられる他、発破（はっぱ）として鉱物資源の採掘やトンネルの掘削に用いられる。こうした使用法は黒色火薬時代には爆発力が限られるため限定的な使用にとどまり、19世紀に入って安全で高性能な火薬が多数開発されたことで初めて一般化された使用法である。外国ではビルや野球場のスタンドなどの建造物の解体に際して、内部に爆薬を仕掛け、崩すように一気に解体する手法が行われる。ただし、この方法は日本においては環境基準や、地震に備えるための耐震基準によって建築物が頑強に作られているため実用性がほとんどなく、ほぼ行われることはない。
通常、爆薬に火をつけてもゆっくりと燃えるだけで「爆轟」にはならない。爆薬を起爆するには、雷管や信管を用いて爆薬に衝撃波を与える必要がある。これを応用し、不要な爆発物や不発弾などを専用の爆薬で火薬ごと爆破して処分を行うことが各国の警察や軍により行われている。

起爆薬（点火用、起爆用）

ほとんどの火薬（類）は暴発しないよう感度が低く抑えられており、単に火をつけただけでは爆発しないものがほとんどである。そのため、感度が高く爆発力の低い火薬をはじめに小規模に起爆させることによって、本来の目的である高性能火薬を誘爆させるという方法が主に取られている。

火工品

導火線、雷管などがあり、爆薬の起爆等に用いられる。

発光剤（照明・信号用）

強い光を発生させる目的の特殊火薬。黒色火薬にアルミニウム微粉末を適切な量混合させ、燃焼することによって、強力な光を出すことが出来る。
軍事では照明弾、信号弾などで使用される。身近なところでは、車載されている発炎筒などがある。かつて写真のストロボ撮影の光源としても用いられた。

歴史

中国の唐代（618年 - 907年）に書かれた「真元妙道要路」には硝石・硫黄・炭を混ぜると燃焼や爆発を起こしやすいことが記述されており、既にこの頃には黒色火薬が発明されていた可能性がある。
日本人が初めて火薬を用いた兵器に遭遇したのは13世紀後半の元寇においてである。当時の様子を描いた『蒙古襲来絵詞』写本には、元軍が用いた「てつはう」と呼ばれる兵器が描かれている。ただし、この「てつはう」の文字（とモンゴル兵）は江戸時代の加筆とする説もある。
1250年代、モンゴル帝国がイラン侵攻した際、中国人技術者が操作する投石機で、火薬弾が投げられている。1280年には、地中海東部のマルクス・グラエクスとシリアのハッサン・アッ・ラムマが中国の火器、火槍について記述している。
また、イスラム文明圏のシリア、マムルーク朝でも火薬情報は豊富であった。
1288年当時の青銅製の銃身が発掘されたことで、モンゴル支配下の中国が火槍から銃へ装備を変えたことが明らかになり、さらにこれまで銃は西欧発明と考えられてきたが、銃はモンゴル帝国を通じて、ヨーロッパへ伝わったとされる。1326年のスウェーデンにおける壷型の銃も発見されているが、これはモンゴル帝国に支配されていた南ロシアから伝わった銃が変形したものと考えられている。同1326年にはフィレンツェで大砲が開発され、以後、ヨーロッパでは大砲が発達する。イベリア半島では1330年代までには銃だけでなく大砲も使用されていた。
ヨーロッパで火薬を製造したのは13世紀イギリスのスコラ学者であるロジャー・ベーコンとされていたが、その火薬の製法の写本は偽書とされており現在は疑問視されている。また、ドイツではベルトルト・シュヴァルツなる人物が火薬を発明したとされているが、これも伝説のようである。
14世紀には、イングランドやドイツに火薬工場があった。エリザベス1世（1558年 - 1603年）の時代、火薬製造はイングランド王室の専売事業であった。それ以外にもヨーロッパの多くの国で火薬製造は非常に重要な軍需産業となり、国家の様々な保護を受けた。こうした火薬製造において、原料のうち木炭はどこでも手に入るものであり、硫黄も入手はそれほど難しいものではなかったが、硝石の入手には各国とも非常に苦心した。1378年にはニュルンベルクにおいて初めて作硝丘（糞尿などをかけて硝石を人工的に生産する施設）が作られ、これがヨーロッパ諸国に伝わってある程度の硝石生産は可能になったが、増加する火薬の需要にはとても追いつかず、硝石の生産量が火薬生産のボトルネックとなる状況が数百年続いた。17世紀半ばにはイングランドは硝石の国内生産を完全にあきらめ、インドからの輸入に頼るようになったが、フランスやスウェーデンのように硝石を完全に自国で生産することにこだわり、火薬の全原料及び生産工程を国内化した国々も存在した。
火薬による兵器、すなわち銃と砲はオスマン帝国やヨーロッパ諸国の戦闘を激変させるとともに、ヨーロッパ世界やイスラム世界がそのほかの地域を征服することに大きな力を発揮した。火薬兵器がスペインによって利用されたことはアステカ帝国やインカ帝国といった新大陸の諸国を滅亡させるという悲惨な結果も生み、またモロッコのサアド朝は1591年に銃を主力とする兵をサハラ砂漠を越えてニジェール川沿岸に広がるソンガイ帝国に送り込み、兵数の圧倒的な差にもかかわらずソンガイを滅亡させている。世界を見渡せば、火薬兵器を導入したことで周辺国を圧倒した国は多い。戦国時代の日本も同様であり（織田信長の軍は武田軍を圧倒した）。1605年11月5日には、イングランドにおいて上院議場を火薬によって爆破する計画が立てられたが露見し、首謀者であるロバート・ケイツビーや実行責任者であるガイ・フォークスらが処刑された。この事件は火薬陰謀事件として知られるようになり、この事件の起きた11月5日はガイ・フォークス・ナイトとしてイギリスの祝日となっており、花火が盛んにあげられる。
一方、火薬の普及につれて平和的な火薬利用も徐々に広まっていった。こうした平和利用でもっともはやく普及したものは花火であり、宋代の中国ですでに花火としての火薬利用は存在し、火薬の伝来とともに西方にも伝えられていった。ヨーロッパでの花火利用は14世紀のフィレンツェですでにみられ、やがて欧州各地で祝祭などの際に盛んに花火が用いられるようになっていった。このほか、日本などでも大規模な催し物に花火は欠かせないものとなっていった。一方、障害物の爆破など土木工事に対して火薬を使うことは、黒色火薬時代にはそれほど行われることはなかった。これは、当時の火薬が爆破力・信頼性ともに低いうえ膨大な軍需によって常に品不足状態であり、そのため高価であって、工事に使用するには全く引き合わなかったためである。ただしまったく使用例がなかったわけではなく、鉱山掘削や運河の開削などでいくつかの使用例がある。また、16世紀以降エネルギー源として火薬を使用することがしばしば考案され、いくつかの火薬機関が試作された。しかし火薬は爆発力はあるものの持続力がまったくないために動力源としては全く不向きであり、やがて蒸気機関が実用化されるとともに火薬がエネルギー源として考えられることはなくなった。
火薬技術は19世紀までは停滞傾向にあったが、19世紀に入ると次々と技術革新があらわれ、火薬は大きく変化した。まず、1820年ごろにチリのアタカマ砂漠において広大なチリ硝石の鉱床が発見され、安価なチリ硝石の大量供給によって火薬生産のボトルネックが解消され、火薬の生産が増加した。またこれによって、硝石丘を使った土硝法による硝石生産は全く姿を消した。また、19世紀まで火薬といえば黒色火薬のことを指したが、19世紀に入ると黒色火薬以外の火薬が次々と開発されていった。この分野の先駆者の一人がアルフレッド・ノーベルであり、ニトログリセリンを珪藻土にしみこませることで高性能爆薬であるダイナマイト（1866年）を発明し、大量生産を行った。これによってノーベルは火薬王として知られるようになり、この利益を元にしてのちにノーベル賞が創設された。ダイナマイトは爆破力・安定性ともに非常に優れた火薬であり、このため工事現場や鉱石採掘に火薬が一般的に使用されるようになり、コリントス運河やシンプロン・トンネルといった難工事が可能となった。
1886年のフランス人科学者ポール・ヴィエイユ (Paul Vieille) による無煙火薬の発明や、フリッツ・ハーバーとカール・ボッシュによるハーバー・ボッシュ法の発見がアンモニアの大量生産を可能にしたため、火薬の主流は黒色火薬から無煙火薬へと急速に移り変わっていく。ヴィエイユの発明した火薬はニトロセルロースをエーテルとアルコールの混合液でゼラチン化したものである。当時の陸軍大臣ブーランジェ将軍の頭文字からB火薬と命名された。19世紀までは南米からのチリ硝石輸入が爆薬の原料となる硝酸の供給源だったが、ハーバー・ボッシュ法の発見によって、チリ硝石輸入を海上封鎖することによる戦争の回避策が無効化された。アルフレッド・ノーベルは、無煙火薬のバリスタイト（1887年）を発明したが、これがその後、コルダイトと特許紛争になった。1889年、フレデリック・エイベルとジェイムズ・デュワーによって発明された無煙火薬のコルダイトが登場し、コルダイト火薬が近代的な火薬の主流となった。
コルダイト火薬のアセトン供給を巡ってハイム・ヴァイツマンはバルフォア宣言（1917年）を働きかけた。

日本における火薬の歴史

日本において最初に火薬が使用されたのは13世紀の元寇襲来の際に登場した“震天雷”（しんてんらい）であり、14世紀頃には朝鮮に火薬の製造技術が導入され、同時期に日本にも黒色火薬の製法についての知識が（一応は）伝来したと考えられており、応仁の乱で火薬使用の記述もある。（詳細は「擲弾兵」の擲弾の出現の項を参照）
1543年、種子島に漂着したポルトガル人が、東南アジアで改良された、今日マラッカ式火縄銃と呼ばれる形式の鉄砲と共に、日本に（本格的に）火薬（に関する西洋式の知識）を伝えた。
当時の火薬は黒色火薬であり可燃物として木炭と硫黄を、酸化剤として硝石（硝酸カリウム）を用いるものであった。このうち木炭は森林国である日本国内で容易に自給され、硫黄に至っては火山国という性質上むしろ輸出国で大陸における軍需を下支えしていたが、硝石だけは湿潤気候で牧畜生産の乏しい日本国内では天然に産出しないため、南蛮貿易で硝石を輸入し、火薬を製造していた。
当時の日本は高い鉄の精錬技術と鍛鉄技術を有しており、鉄砲製造は急速に普及し、大量生産が行われた。1575年の長篠の戦いでは、織田信長が大量の鉄砲を用いることで武田勝頼に大勝している（この頃、武器として銃を大量に所持していた国は日本だった） 。中国地方の口伝では本願寺門徒の間で蓬（ヨモギ）の根に尿をかけたものを一定の温度で保存することにより、ヨモギ特有の根球細菌のはたらきで硝酸が生成されることを発見したという。馬の尿とヨモギでそれは量産（当時にしては）された。これらは当時の軍事機密であったので厳重に守秘されて一般に広まることはなかったが、本願寺派に供給された火薬の主体であったようである。信長が驚いた本願寺の鉄砲の数は、実は弾薬の量に支配されるものであり、安価な硝酸がそれを支えたのである。
江戸時代に入り鎖国がなされると、国内で硝石を供給せざるを得なくなる。軍事用の火薬使用は激減したが、狩猟用として鉄砲が農山村に普及したため、一定の火薬の需要が存在したのである。汲み取り便所の壁から床下の土中に染み出した窒素に富む糞尿などから生じたアンモニアに亜硝酸菌と硝酸菌が作用するため、古い民家の床下の土壌には硝酸カリウムが蓄積している。これを原料とすることで硝石を生産した。床下土を用いた硝石の製造は江戸時代を通じて主流の方法であったが、同様に床下で硝石を生成する東南アジアの伝統的手法と異なり、豚などの家畜を大規模に飼育しない日本の民家では硝石の生成量が少なく、一度掘り出してしまうと20 - 30年間は採集できなかった。ちなみに、明治時代の秩父事件においては、困民党は火縄銃等を用いて戦ったが、その銃に用いる火薬は前述の方法によって硝石を調達し、製造したものである。
江戸時代の越中五箇山（現在の富山県南砺市）や飛騨白川村では、積極的に硝酸イオンを蓄積させた焔硝土を用いて硝石を生産していた。焔硝土を用いる硝石の生産方法は、1811年（文化8年）に加賀藩の命令によって五十嵐孫作が提出した「五ヶ山焔硝出来之次第書上申帳」に最も詳細に記されている。主としてこの文書によると、合掌家屋のイロリ近くの床下を掘り下げてヒエの茎・葉を敷き、その上に良質の畑土、蚕糞、麻の葉・タバコの茎など栽培植物の不要部分、ヨモギ・アカソ等の山草を積み重ね、その上に人尿を散布して焔硝土を調製する。焔硝土から水で硝酸イオンを抽出し、抽出液を木灰で処理し、濃縮した後冷却すると硝石が析出する。この方法は毎年の再生産が可能な優れた製造方法であった。
一方、平和の到来による軍事用の火薬使用の激減は火薬の供給に余裕をもたらし、平和的な火薬の利用法が普及する余地をもたらした。花火である。日本に花火が到来したのは1589年または1613年のこととされ、元和偃武後に急速に普及した。1648年にはすでに、江戸の町において隅田川の河口を除き花火の使用を禁ずること、および町中での花火制作を禁ずる触書が出されている。1733年（享保18年）には隅田川花火大会が初めて行われた。これ以降、例年開催されている。ただし当時の花火はまだ真円には開かず、また入りも単色に限られていた。
明治時代に入ると、南米のチリから莫大な埋蔵量を有した天然の硝酸ナトリウムであるチリ硝石の輸入を始める。硝酸ナトリウムは黒色火薬の原料の1つである硝酸カリウムの代わりとして用いることができ、また無煙火薬以降の近代的な火薬の工業生産に必須の硝酸の原料として、ハーバー・ボッシュ法によって窒素の固定化法が確立されるまで重要視された。この安価な硝石の輸入によって長く用いられてきた土硝法による白川郷などでの国内における硝石生産は姿を消した。また、ヨーロッパから新しい科学知識が導入されることで花火も長足の進歩を遂げ、1874年ごろには打ち上げ花火が丸く開くようになり、1877年には花火に色が付けられるようになった。
また、富国強兵政策によりヨーロッパから盛んに近代的な火薬技術を導入するようになる。日本独自の火薬技術も発展し、日本海軍に制式採用された下瀬火薬は、その強力な破壊力から日露戦争では大活躍した。

火薬の科学

通常の燃焼と同様に火薬を構成している物質が酸素と結びつくことで（これを酸化という）、火薬に蓄えられていたエネルギーが解放され、熱や光や衝撃が発生する。火薬の燃焼が通常の燃焼と異なる点は空気中の酸素を必要としないことである。例えばニトログリセリンでは炭化水素に結合した硝酸エステル (-O-NO₂) が酸化剤の役割になっている。また、黒色火薬のような混合火薬では、燃料に硝酸カリウムなどの酸化剤を混合している。つまり、黒色火薬の場合、黒色火薬に含まれる炭、炭素を燃料とし、硝酸カリウムは反応を高速にする役割を果たしているに過ぎない。ちなみに、黒色火薬は硝酸カリウム、炭素、硫黄を配合して作る。混合火薬の場合、高効率で酸化反応を起こすため、酸化剤の配合比率を最適化することが重要である。また、組成中に酸素を含まなくても、フッ素のように酸化剤として働き、酸化反応を引き起こすことができる物質が存在する。このような酸化反応で、大きな反応熱を発生する物質が火薬の材料に適している。こういった自己反応性物質は外部の酸素を必要としないため、二酸化炭素消火器のような酸素遮断による消火が不可能である。
火薬の反応には色々な種類がある。火薬にマッチなどで火をつけても、必ずしも爆発するとは限らない。一部の火薬では、マッチで点火してもロウソクのようにゆっくり燃えるだけだが、雷管で点火すると一瞬で全体が反応する（爆発）。またダイナマイトなどの一部の爆薬では、雷管の威力により低速爆発と高速爆発の2種類がある。ガソリンや木材が燃えるのを通常燃焼といい、火薬が高速で燃焼するのを爆発という。さらに音速以下の爆発を「爆燃」、音速以上の爆発を「爆轟（ばくごう）」と分類している。「爆轟」状態では燃焼速度が音速を越えるため、衝撃波を投射し周囲の物体を破壊する。「爆轟」発生の有無によって火薬と爆薬を分類することもある。「爆轟」によって生まれた衝撃波が弱まったものが「爆音」になる
火薬が燃焼を始めると、反応熱により酸化反応が促進され、継続的な燃焼が起きる。これに対し爆薬では、酸化反応は爆轟の衝撃波による断熱圧縮によって促進される。このため、熱伝導に律速されることのない急激な燃焼が発生する。
火薬類の最大の特徴はそのエネルギーの発生速度にある。単純な熱量の比較だけなら火薬類よりもガソリンなどの方が大きい。しかし、半径10cmの球体のトリニトロトルエン（TNT）を鋳造した場合、この塊が爆轟して反応が終わるまでの時間はわずかに 14.7ナノ秒しかかからない。
半径10cmの鋳造トリニトロトルエンの重量は6.49kgであり、この爆発熱は約1.17×10⁷Jである。これだけのエネルギーがわずか 14.7ナノ秒の間に放出されるのである。
つまり、エネルギーの発生速度という点で見れば 1.16×10¹²J/秒となり、これは日本の総発電能力の数倍にもなる数字である。
こうした火薬の能力は主にその分子構造に依存している。一般に複雑で緻密な構造の分子ほどその中に蓄えられているエネルギーが大きく、高い爆発力を持つ火薬となる。近年ではヘキサニトロヘキサアザイソウルチタン (HNIW) の様に、コンピューターシミュレーションにより理想的な分子構造を決定し、それを基に合成された高性能火薬も登場している。さらにより大きなエネルギーを持つ電子励起状態の原子を用いた電子励起爆薬も研究されている。
火薬は爆発力が強いだけでは実用化されることはない。爆発力が強力であっても安定性が低い場合、わずかな衝撃で容易に爆発が起こり、製造工場や輸送機関などに多大な損害を与えるためである。実際に、火薬の発明時から爆発事故はついてまわり、19世紀初頭に黒色火薬以外の火薬が開発されるとそれはより悪化した。こうした火薬は安定性が非常に低く、戦場や工事現場で使用する前に大爆発を起こすことが多発したためである。これら新火薬の実用化は、アルフレッド・ノーベルがニトログリセリンを珪藻土などの安定剤に混入して開発したダイナマイトのように、安全な取り扱いが保障されて初めて可能となった。こうしたことから、実際に使用される火薬の感度は低く抑えられ、製造や輸送などでは爆発しないようになっている。また、こうした安定した物質を爆発させるためには弱い火薬などを用い一度起爆を行い、その衝撃によって誘爆させることが必要となる。

芸術

蔡國強らは絵画制作や芸術パフォーマンスに火薬を用いることで知られている。