火薬
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火薬（かやく：英Explosive material）や爆薬（ばくやく：英High explosives）とは、熱や衝撃などにより急激な燃焼反応をおこす物質（爆発物）のことを指す。また江戸時代には焔硝の語がよくつかわれ、昭和３０年代頃までは、玩具に使われる火薬を焔硝と言う地方も多かった。
火薬と爆薬の分類方法には色々な種類があるが、火薬類取締法上では「推進的爆発の用途に供せられるもの」を火薬、「破壊的爆発の用途に供せられるもの」を爆薬、火薬や爆薬を加工したもの（雷管、導火線、花火、銃砲弾、爆弾など）を火工品（かこうひん）と区別している。科学的な分類では、爆発速度が音速以下のものを火薬、音速以上のものを爆薬とする場合が多いが、まとめて火薬ということもある。また、さらに火薬を推進薬（すいしんやく）、発射薬（はっしゃやく）、爆薬を炸薬（さくやく）、起爆薬（きばくやく）、爆破薬（ばくはやく）、発光剤（はっこうざい）に分類することもある（外国では、容易に爆発しない安全な爆薬を「爆破剤」と分類することもある）。 いずれも爆発する物質であるため、本稿では火工品以外の全てを取り扱う。
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[編集] 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)が酸化剤の役割をになっている。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、フッ素の様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。マグネシウムとフッ素が結びつく反応は大きなエネルギーを発生するため、これらの原料を用いることで酸素を用いない火薬を作ることができる。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「爆ごう」（爆轟）と分類している。「爆ごう」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。「爆ごう」発生の有無によって火薬と爆薬を分類することもある。「爆ごう」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、酸化反応は爆ごう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。
[編集] 用途
火薬は主に、以下の用途に用いられている。
[編集] 推進薬としての火薬
銃や大砲は火薬の燃焼により発生する圧力によって、銃弾（砲弾）に大きな初速度を与え、目標物を破壊する。
固体燃料のロケットでは火薬の燃焼が長時間持続し、燃焼ガスの反作用により飛翔する。所定の時間、所定の推力を安定して得るために、ロケット内部の火薬の固まり（グレイン）の形状を最適化することが非常に重要である。
[編集] 破壊用の火薬
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。爆弾や砲弾の弾頭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。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。通常、爆薬に火をつけてもゆっくりと燃えるだけで「爆ごう」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。
なお、軍事において単に火薬と呼ぶ場合は装薬(発射薬)を指し、破壊用の火薬は「爆薬」若しくは「炸薬」と呼ばれるのが普通。
[編集] 点火用の火薬
[編集] 花火
花火は、正に「火の芸術品」である。火薬に炭酸ストロンチウム（赤色）や硫酸銅（青色）などを混ぜることで炎色反応により、様々な色で発光する。
[編集] 工業用途
金属容器などを作るとき、水中に爆薬を入れて爆発させて金型に押し付けるという方法がある。また、通常溶接できない2種類の金属を、爆薬の力で溶接させる方法もある。
[編集] 照明用
戦争における照明弾などで使用され、強い光を発生させる、特殊火薬。黒色火薬にアルミニウム微粉末を適当量（科学的な値に基付く）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。
[編集] 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』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。「てつはう」は鉄球に火薬をつめた炸裂弾で、強力な弓の先端につけて発射された。
ヨーロッパで初めて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。14世紀には、イングランドやドイツに火薬工場があったとの史実が残されている。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。
19世紀までは火薬といえば黒色火薬のことを指したが、1886年にフランス人科学者ポール・ヴィエイユ(Paul Vieille)が無煙火薬を発明すると、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。
ノーベル賞で有名なアルフレッド・ノーベルは火薬王としても知られている。高性能爆薬であるダイナマイトをはじめ、無煙火薬のバリスタイトなどを発明し、大量生産を行った。
[編集] 日本における火薬
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、日本に火薬を伝えた。 当時の日本は高い製鉄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（長篠の戦いでの信長の勝因が大量の鉄砲であるとの解釈には、近年異論も出されている）。
当時の火薬は黒色火薬であるが、原料の硝石（硝酸カリウム）は湿潤気候の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。当時硝石は、ヨーロッパでは家畜小屋の土壁の中で生成したものを、東南アジアでは高床式住居の床下で、鶏や豚の糞を積んで発酵させて生成したものを煮出して製造していたが、南蛮貿易で日本に持ち込まれた硝石の起源がどちらだったのかはまだ研究が進んでおらず、明らかになっていない。
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、大量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細菌と硝酸細菌が作用するため、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、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て硝石を調達し、火薬を製造した。
加賀硝石で知られる越中五箇山（現在の富山県砺波郡）では、干草と土の混合物に、腐敗した魚、糞尿などで腐らせた水をかけることで発酵させ、硝石を生産した。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。1733年（享保18年）には隅田川の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。
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。
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。
[編集] チリ硝石
チリ硝石の生成原因にはさまざまな説があり、確定していない。 有機原因説としては、海草など植物起源説、野鳥の糞など動物起源説、無機原因としては稲妻など気象現象起源説、地殻活動による説などがある。 現時点で最有力視されているのは、一番最後の説である。
[編集] 火薬、爆薬の種類
- 黒色火薬
- 硝酸カリウム（硝石）75%、硫黄10%、木炭15%を混合したもの。花火の揚げ薬や大玉の割薬、導火線の心薬に用いられる。吸水性が高いため湿気に弱く、静電気や衝撃に敏感なため爆発事故も多い。以前は製造工場で原料を撹拌するローラーが容器の底と衝突して爆発する事故が多発したが、現在は容器の底と直接接触しないような懸架式ローラーになっているため、製造段階での爆発事故はほとんどない。花火などをほぐして遊ぶと、中に入っている黒色火薬が静電気や摩擦などで発火する場合があるため、花火に注意書きがされている。
- 通常の黒色火薬より燃焼速度、破壊力が共に大きい火薬を作るには、硝酸カリウムの代わりに、過塩素酸カリウムを使用する。塩素酸カリウムは大変危険な薬品であるため、扱いに注意が必要である。また、エタノール漬け炭素を使用することで、燃焼速度を上げることが出来る。
- 綿火薬
- セルロース（脱脂綿等）を濃硝酸と濃硫酸の混合物により、硝酸エステル化することでニトロセルロースが得られる。爆発威力は小さいが、燃焼時の発煙が少ない「無煙火薬」として銃弾や砲弾の装薬に使われる。太平洋戦争末期には、民間から「ふとん」を供出させ、綿火薬を製造した。
- 下瀬火薬
- ピクリン酸を主原料とした黄色の火薬で、腐食性、毒性を持ち、非常に鋭敏であるが、爆発力は高い。旧日本海軍で弾薬として用いられ、日本海海戦での勝利をもたらした一因とされる。取り扱いは難しく、しばしば砲身の破壊（筒発）を招いた。弾薬庫前での火遊びが原因とされているが、日露戦争後、戦艦三笠は同火薬の暴発事故により軍港内で着底している。
- 硝安油剤爆薬
- 硝酸アンモニウム（硝安）94%と軽油や灯油6%を混合した爆薬。非常に爆発しにくいが、安価な上、安全性が高い。硝安爆薬やAmmonium Nitrate Fuel Oil explosiveからANFO（アンホ）爆薬とも呼ばれる。
- スラリー爆薬
- 硝安と水の混合物を主体とする爆薬。含水爆薬、エマルジョン爆薬とも呼ばれる。いろいろなタイプがある。
- 泥状で流し込むタイプは鈍感で強力な起爆薬が必要である。ゴム状で、やや感度を上げて雷管で起爆できるタイプもある。耐水性が強くANFOより起爆しやすいが低温に弱い。
- たくさんの気泡を含ませることにより爆発しやすくなるので、中空のガラスビーズを混ぜる。
- カーリット
- 過塩素酸アンモニウムを主体とする爆薬。日本では成分の違いにより黒、紫、樺、藍、青等に分けられている。カーリットの名前は発明者のスウェーデン人O・B・カールソンにちなむ。
- ダイナマイト
- ノーベルが発明した爆薬。ニトログリセリンは爆発感度が大きいため、取扱に危険が伴うが、珪藻土に滲みこませる、あるいはニトロセルロースと混合してゲル化するなどして固化すると爆発感度が下がり、雷管を用いないと爆発しなくなる。日本では「松」「桐」「榎（えのき）」などのグレードに分けられている。
- ペンスリット
- 四硝酸ペンタエリスリット。ペンスリットの他、ニペリットとも呼ばれる。白色の結晶性粉末で化学式は C(CH2ONO2)4 である。爆発威力が大きい、熱に対して鈍感、自然分解を起こしにくい、など優れた特徴を持つ爆薬である。プラスチック爆弾の材料として用いられる。
- TNT
- TNTとは2,4,6-トリニトロトルエンの略称である。衝撃や熱に対してきわめて鈍感、毒性が少ない、金属を腐食しない、など優れた特性を持つため、爆薬として広く用いられている。火薬の代表として、核爆弾の威力を表す単位「TNT換算」に使用されている。TNT火薬は前述のとおり衝撃や熱に対し鈍感であるため、導火線では爆発しない、爆発させる時はTNT本体に雷管を埋め込んで起爆させて爆発させる。
- ヘキソーゲン
- シクロトリメチレントリニトラミン（1,3,5トリニトロ-1,3,5-トリアジナン）。ヘキソーゲンはTNTに代わる高性能爆薬として開発された。RDXの略称が用いられる。主に軍用。
- オクトーゲン
- 正式名称1,3,5,7-Tetranitro-1,3,5,7-tetraazacyclooctane(CAS).Octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine(IUPAC)。別名にシクロテトラメチレンテトラニトラミン, HMXなどがある。
- 過酸化アセトン
- 過酸化アセトン（かさんかあせとん、Acetone Peroxide）は有機過酸化物の１種。高性能爆薬として使用される。最近ではロンドン同時多発テロで使用された。
- 笛薬
- 安息香酸カリウムと過塩素酸カリウムの混合物である。燃焼時に高い音響を発生し、「笛ロケット」という種類のロケット花火等に使われる。
- ニトログリコール(nitroglycol)
- 二硝酸グリコールとも呼ばれる。ダイナマイトなどに使用される。
- ピクリン酸
- フェノールをニトロ化したものである。トリニトロトルエンより破壊力がある。
- コンポジション爆薬
- 混合爆薬の一種で、A-3・B・C・C-4などの種類がある。
- PBX爆薬
- 砲弾やミサイルの炸薬として広範囲に使用されている。
- ヘキサニトロヘキサアザイソウルチタン（HNIW）
- 現時点で量産可能な爆薬としては最大の威力を持つ。
- FOX-7
- 研究中の高性能爆薬、実用化はされていない。
- トリアミノトリニトロベンゼン
- 実用爆薬中、最も安定性が高い爆薬で高い信頼性を要求される用途に用いられる。
