《天工開物》里的化學世界

王浩田

《天工開物》是中國古代一部集大成的科技著作，其中農業、手工業的內容均與化學有密切聯系。讓我們以采煤、制陶為例，走進《天工開物》里的化學世界吧！

書中處處有化學

《天工開物》為明代科學家宋應星于1637年（明崇禎十年）所著，分上、中、下3篇共18卷，其中記載的大量有關農業、手工業的科技，在當時世界上都是相當先進的。書中記述的化學知識豐富，在一定程度上反映了中國明代對化學的認識水平。

《天工開物》中描述的榨甘蔗汁用于制糖的工序

在化學理論方面，《天工開物》用陰陽五行說來解釋化學變化，如火藥燃爆，是由于“硝性至陰，硫性至陽，陰陽兩神物相遇于無隙可容之中”。在化學工藝方面，書中記述了冶金、分金、煤炭、石灰、陶瓷、釀酒等化工過程和技術。在化學術語方面，書中有諸如“升煉”“鍛”“淬”“結成”（重結晶）等名詞。在化學反應類型方面，書中蘊含著中和反應、分解反應、置換反應、氧化還原反應、酶催化反應等等。

《燔石》篇中的煤

中國有著豐富的煤炭資源，《天工開物》的《燔石》篇提到古人對煤炭的分類、分布以及開采、利用。

《燔石》中寫道，“凡煤炭普天皆生，以供鍛煉金石之用”“煤有三種，有明煤、碎煤、末煤。明煤大塊如斗許，燕、齊、秦、晉生之。不用風箱鼓扇，以木炭少許引燃，熾達晝夜”“碎煤有兩種，多生吳、楚。炎高者曰飯炭，用以炊烹；炎平者曰鐵炭，用以治鍛”“末煤如面者，名曰自來風。泥水調成餅，入于爐內，既灼之后，與明煤相同，經晝夜不滅”。

從這些描述可以看出，在古代，煤炭各地都有出產，供冶金和燒石之用。古人是根據煤塊的大小，將其分為明煤（相當于無煙煤）、碎煤（相當于煙煤）和末煤（相當于褐煤和泥煤）3類，且各有性狀和用途。明煤塊頭大，產于河北、山東、陜西及山西。明煤不必用風箱鼓風，只需加入少量木炭引燃，便能日夜熾烈地燃燒。碎煤有兩種，多產于江蘇、安徽和湖北等地區。碎煤燃燒時，火焰高的叫作飯炭，用來煮飯；火焰平的叫作鐵炭，用于冶煉。

煤炭的形成過程示意圖（繪圖/ 黃金）

古代也有“沼氣中毒”

《燔石》篇中還向我們展現了古人采煤的情況和技巧：“凡取煤經歷久者，從土面能辨有無之色，然后掘挖。深至五丈許，方始得煤。初見煤端時，毒氣灼人，有將巨竹鑿去中節，尖銳其末，插入炭中，其毒煙從竹中透上，人從其下施钁（jué）拾取者。”

意思是，采煤經驗多的人，從地面上的土質情況就能判斷地下是不是有煤，然后再往下挖掘。挖到五丈（16.6米左右）深左右才能得到煤。煤層出現時，毒氣冒出能傷人。一種方法是將大竹筒的中節鑿通，削尖竹筒末端，插入煤層，毒氣便通過竹筒往上空排出，人就可以下去用大鋤挖煤了。

這里“毒氣”的主要成分是甲烷。甲烷是天然氣、沼氣的主要成分，是存在于密閉的窖井、池塘、煤礦（井）和煤庫中的有害氣體之一，吸入會使人中毒。

如今，我們對煤炭的成分、性質已有充分的認知，分類也更加細致。特別是隨著中國提出“碳中和”“碳達峰”戰略，科研人員在煤炭清潔利用方面持續發力，其中CO2的回收利用成為研究熱點。這項研究有利于減少大氣中由煤炭等化石燃料燃燒釋放的CO2含量，減弱溫室效應，更好地保護地球環境。

《陶埏》的制陶技藝

說到精美陶瓷制品，大家往往會首先想到被譽為“瓷都”的江西景德鎮。《天工開物》的《陶埏（shān）》篇中提到，自古以來，景德鎮都是燒制瓷器的名都，“若夫中華四裔馳名獵取者，皆饒郡浮梁景德鎮之產也”，即中國遠近聞名、人人爭購的瓷器，都是江西饒郡浮梁縣景德鎮的產品。

那么，陶瓷是怎么來的呢？《天工開物》中將其概括為“水火既濟而土合”，即：水與火共同作用，泥土就能牢固地結合成為陶器和瓷器了。

高嶺土

?景德鎮匠人們手工制作的景德鎮高嶺土碗

《天工開物》的《陶埏（shān）》篇中對制瓦、制磚、制陶等均有詳細記載，其中關于“白瓷”即我們生活中用到的精美陶瓷制品是這樣表述的，“凡白土曰堊（è）土，為陶家精美器用。中國出惟五六處，北則真定定州、平涼華亭、太原平定、開封禹州，南則泉郡德化（土出永定，窯在德化），徽郡婺（wù）源、祁門（他處白土陶范不粘，或以掃壁為墁）”。

意思是，陶坊用來制造精美瓷器的白色黏土叫堊土，中國只有五六個地方出產這種堊土：北方有河北省的定縣、甘肅省的華亭、山西省的平定及河南省的禹縣，南方有福建省的德化（土出永定縣，窯卻在福建德化）、江西省的婺源和安徽省的祁門，其他地方出的白土，拿來造瓷坯不夠黏，但可以用來粉刷墻壁。

陶瓷的制作過程中有許多化學反應。黏土經過成形、釉料、干燥、燒成、裝飾一系列復雜的步驟，才能變成精美的陶瓷。景德鎮陶瓷采用的高嶺土潔白細膩，土質松軟，具有很好的可塑性。

高嶺土的晶體化學式是2SiO2·Al2O3·2H2O，晶體結構為層狀結構。在陶瓷燒成過程中，隨著溫度的變化，高嶺土除了出現層狀結構轉化外，還會出現有機雜質和碳素的清除、一些碳酸鹽的分解、石英晶型的轉變、氧化鐵的還原、熔劑氧化物的熔融等一系列化學反應。

如今，燒成工藝有了許多改進，在制作高質量陶瓷制品的同時，還能節約燃料，減少污染物產生，不給生態環境帶來負擔。

《天工開物》描繪了130項中國古代的生產技術和工具的名稱、形狀、工序，本文介紹的煤炭、陶瓷只是其中的一小部分。而傳世的中國古代科技更是多如璀璨的星辰，成為人類寶貴的文化遺產，其中蘊含的科技思想與智慧至今還在造福人類，值得我們從中汲取力量！