中國傳統文化中的化學

黃 穎

(廣西柳州市第二中學)

近幾年高考試卷化學部分的一些試題以中國古代科技文明為背景編制而成,著力引導考生弘揚社會主義核心價值觀,引導青少年學生熱愛化學,勇于創新。我國先民透過燒陶制瓷、冶煉金屬、煉丹、制藥、釀酒、造醋、造紙和染色漂洗等與化學有密切關系的工藝,所觀察到的化學變化、利用過的化學反應,以及對這些變化是怎樣理解的。反映出我國古代所取得的化學成就,展示出為人類文明與進步所做出的貢獻。從古代書籍文字中,找到有關化學的信息,感受化學學科的久遠與魅力,能夠在閱讀中考查化學學科基礎知識和基本信息的提取與聯系能力,雅中帶趣。

1.古代煉丹

我國古代煉丹的火法大致包括煅(長時間高溫加熱)、煉(干燥物質的加熱)、炙(局部烘烤)、熔(熔化)、抽(蒸餾)、飛(又叫升,就是升華)、伏(加熱使藥物變性)等方法。

《神農本草經》說:“水銀……熔化(加熱)還復為丹”。《黃帝九鼎神丹經》中的“柔丹”“伏丹”都是在土釜中加熱Hg制得的。明代以后“紅升丹”廣泛用作瘍科藥,因為那時是用水銀、硝石、白礬三味混合升煉而成,又稱“三仙丹”。它的純度很高,不含游離水銀。這里的“丹”是指HgO。

葛洪在《抱樸子內篇》中說“丹砂燒之成水銀,積變又還成丹砂”。這是古代煉丹家對該反應的簡單概括。這里的“丹砂”是指HgS。

我國晉朝傅玄的《傅鶉觚集·太子少傅箴》中寫道:“夫金木無常,方園應行,亦有隱括,習與性形。故近朱者赤,近墨者黑。”這里的“朱”指的是HgS。

東漢魏伯陽在《周易參同契》中對汞的描述:“……得火則飛,不見埃塵,將欲制之,黃芽為根。”這里的“黃芽”是指硫。

氯化高汞(HgCl2)俗名升汞,中國古代稱為粉霜、霜雪,清代曾把升汞定名為“白降丹”。氯化亞汞(Hg2Cl2)俗名甘汞,中國古代稱為輕粉、水銀粉。由于它們都是白色結晶,古時常發生混淆。“升煉輕粉(Hg2Cl2)法”用水銀一兩,白礬(明礬) 二兩,食鹽一兩,同研不見星,鋪于鐵器內。以小烏盆覆之,篩灶灰鹽水和,封固盆口,以炭打二炷香,取開則粉升于盆上矣。其白如雪,輕盈可愛。一兩汞,可升粉八錢。文中從生成物中分離出輕粉涉及的操作方法為升華。

鉛霜,最早見于唐代問世的一些丹經,稱為“玄白”。殷代用鉛器貯酒,低濃度的酒易發酵變為乙酸,乙酸與鉛作用生成的鉛霜(乙酸鉛)。

鉛霜在空氣中吸收二氧化碳后,便會沉積出鉛粉。戰國時,鉛粉已普遍用作化妝品。《周易參同契》里說:“胡粉(即鉛粉)投火中,色壞還為鉛”;《抱樸子·論仙篇》說:“胡粉……是化鉛所作。”這說明漢晉之際對鉛粉與鉛的互變關系已有較多認識。鉛粉自古以來就用作顏料、化妝品和藥物;漢代以后又成為制釉原料和煉丹用藥。胡粉難溶于水,加強熱產生能使澄清的石灰水變渾濁的濕氣。則胡粉的主要成分為 2PbCO3·Pb(OH)2。

金屬鉛在空氣中焙燒即得黃丹,其色澤金黃,受到早期煉丹家的重視,稱為“玄黃”。若將黃丹以猛火加熱,即變為橘紅色的鉛丹(Pb3O4),秦代已用作紅色顏料,因其色紅似丹砂,也被煉丹家視為煉丹大藥。漢末或晉代發明了用硝石、硫黃和金屬鉛煉制鉛丹的方法,稱為硝黃法,純度較高。這里的“黃丹”是指氧化鉛(PbO)。

最遲到隋代時,中國煉丹家已知焙燒雄黃制得純凈的砒霜。唐代著名醫學家兼煉丹家孫思邈在《千金藥方》中最早用它治療瘧疾、牙痛等病,因其毒性猛烈,稱為“貔霜”。較晚的本草學著作則寫作“砒霜”。古人精制砒霜過程為:“將生砒就置火上,以器覆之,令砒煙上飛著覆器,遂凝結累然下垂如乳”,文中涉及的操作方法是升華。

孫思邈《太清丹經要訣》中有以雄黃、雌黃與金屬錫合煉的丹方,在密閉坩堝中升華的產物。南宋方士們將砒霜和草木藥或蜜合煉,得到了“色如銀”或“如黑角色,甚硬”的單質砷。

2.古代礬化學

礬化學中國古代在染色、醫藥、煉丹術中都曾廣泛地應用各種礬,包括綠礬(FeSO4·7H2O,又名青礬,用于染黑,所以又稱皂礬)、白礬[KAl(SO4)2·12H2O,又名明礬]、黃礬(Fe2O3·2SO3·10H2O)、膽礬(CuSO4·5H2O,唐代以前稱石膽)。

綠礬:中國制取和應用最早的一種礬。戰國時期已用于染黑,那時是通過焙燒涅石(含煤黃鐵礦)取得的,所以得到“燓石”(后改稱為礬石)之稱。《山海經》已有關于涅石和以涅(綠礬)染黑的記載。在北宋盛行膽銅法后,便得到了廉價的副產品綠礬。黃礬是綠礬經自然風化氧化而形成的,很早就用于染色;唐代以后又成為煉金術中的“染色劑”。《新修本草》是我國古代中藥學著作之一,記載藥物844種,其中有關“青礬”的描述為“絳礬,本來綠色,新出窟未見風者,正如瑠璃…燒之赤色…”據此推測,“青礬”的主要成分為FeSO4·7H2O。

1640年,我國早期科技叢書《物理小識·金石類》記有“青礬廠氣熏人,衣服當之易爛,載木不盛”。“青礬”強熱,得赤色固體,“氣”凝即得“礬油”。其中“礬油”是指(硫酸)。“青礬廠氣”指的是SO2和SO3。

《本草圖經》中關于綠礬的分解有如下描述:“綠礬形似樸消(Na2SO4·10H2O)而綠色,取此物置于鐵板上,聚炭,封之囊袋,吹令火熾,其礬即沸,流出,色赤如融金汁者是真也。”融金汁可能含有硫酸。

晉葛洪《抱樸子內篇·黃白》記載“曾青涂鐵,鐵赤色如銅”(“曾青”是指硫酸銅)。記載中的反應屬于置換反應。

周輝《清波雜志》卷十二:信州鉛山膽水自山下注,勢若瀑布,用以浸銅,鑄冶是賴,雖干溢系夫旱澇,大抵盛于春夏,微于秋冬。古傳一人至水濱,遺匙鑰,翌日得之,已成銅矣。這里的膽水是指CuSO4溶液。

3.古代能源

明代詩人于謙作詩“鑿開混沌得烏金,藏蓄陽和意最深。爝火燃回春浩浩,洪爐照破夜沉沉……”詩中所寫“烏金”的主要成分是碳。

據《易經》記載:“澤中有火”,“上火下澤”。澤,指湖泊池沼。“澤中有火”,是指“M氣體”在湖泊池沼水面上起火現象的描述。這里“M氣體”是指甲烷。

《后漢書·郡國志》中記載:“石出泉水……其水有肥,燃之極明,不可食,縣人謂之石漆。”《酉陽雜俎》一書:“高奴縣石脂水,水膩,浮上如漆,采以膏車及燃燈極明。”這里的“石漆”“石脂水”是指石油。

《漢書》中“高奴縣有洧水可燃”,沈括在《夢溪筆談》對“洧水”的使用有“予知其煙可用,試掃其煙為墨,黑光如漆,松墨不及也,此物必大行于世”的描述,煙的主要成分是炭黑。

4.古代醫藥

我國宋代《開寶本草》中記載了中藥材鐵華粉的制作方法:“取鋼煅作葉如笏或團,平面磨錯令光凈,以鹽水灑之,于醋甕中陰處埋之一百日,鐵上衣生,鐵華成矣。”中藥材鐵華粉是指醋酸亞鐵。

《本草綱目拾遺》中在藥物名“鼻沖水”條目下寫道:貯以玻璃瓶,緊塞其口,勿使泄氣,則藥力不減,氣甚辛烈,觸入腦,非有病不可嗅。在“刀創水”條目下寫道:治金創,以此水涂傷口,即斂合如故。這里所說的“鼻沖水”、“刀創水”分別指的是氨水、碘酒。

《本草綱目》記載到:“慈石治腎家諸病,而通耳明目。慈石,色輕紫,石上皸澀,可吸連針鐵,俗謂之熁鐵石。”“慈石”的主要成分是四氧化三鐵。

宋代著名法醫學家宋慈的《洗冤集錄》中有用銀針驗毒的記載,銀針變黑即為中毒,但現代化學表明銀針只能檢驗出砒霜的毒性,Na2S也能使銀針變黑。

我國南朝(梁)陶弘景著《本草經集注》中記敘藥物730種,其“消石”條目下寫道:“…如握雪不冰。強燒之,紫青煙起,仍成灰…”這里的“消石”是指硝酸鉀,“紫青煙起”利用焰色反應。

我國中醫文獻中記載“山居多癭”,也提到“海藻治癭”。“癭”的產生與環境土質或飲用水的碘物質缺乏有關。

明代著名哲學家、科學家方以智在其《物理小識》卷七《金石類》中指出:“有硇水者,剪銀塊投之,則旋而為水。”其中的“硇水”指硝酸。

我國清代《本草綱目拾遺》中記敘無機藥物335種,其中“強水”條目下寫道:“性最烈,能蝕五金……其水甚強,五金八石皆能穿滴,惟玻璃可盛。”這里的“強水”是指硝酸。

5.古代染紡

中國絲綢有五千年的歷史和文化。古代染坊常用某種“堿劑”來精煉絲綢,該“堿劑”的主要成分是一種鹽,能促進蠶絲表層的絲膠蛋白雜質水解而除去,使絲綢顏色潔白、質感柔軟、色澤光亮。這種“堿劑”可能是草木灰。

《本草綱目》中的“石堿”條目下寫道:“采蒿蓼之屬,曬干燒灰,以水淋汁,每百引入粉面二三斤,久則凝淀如石,浣衣發面,甚獲利也”。這里的“石堿”是指K2CO3。

《本草綱目》中“冬月灶中所燒薪柴之灰,令人以灰淋汁,取堿浣衣”里的“堿”主要是碳酸鉀。

春秋末期齊國的工藝官書《考工記》中載有“涑帛”的方法,即利用“灰”(草木灰)和“蜃”(貝殼灰)混合加水所得液體來洗滌絲帛。這種液體能洗滌絲帛主要是因為其中含有氫氧化鉀。

《天工開物》中記載:“人賤者短褐、枲裳,冬以御寒,夏以蔽體,其質造物之所具也。屬草木者,為枲、麻、苘、葛,屬禽獸與昆蟲者為裘褐、絲綿。各載其半,而裳服充焉矣。”文中的“枲、麻、苘、葛”和“裘褐、絲綿”分別屬于纖維素、蛋白質。

6.古代造紙

古代造紙工藝中使用的某種物質存在副作用,它易導致紙張發生酸性腐蝕,使紙張變脆易破損,該物質是明礬。

戰國所著《周禮》中記載沿海古人“煤餅燒礪房成灰”(“礪房”即牡蝸殼),并把這種灰稱為“蜃”。蔡倫改進的造紙術,第一步漚浸樹皮脫膠的堿液可用“蜃”溶于水制得。“蜃”的主要成分是CaO。

7.古代制火藥

唐末五代時期丹學著作《真元妙道要略》中有云“以硫黃、雄黃合硝石并蜜燒之,焰起燒手面及燼屋舍者”。描述的制作過程是黑火藥。

“硫二兩,硝二兩,馬兜鈴三錢半。右為末,拌勻”。這段中國古代煉丹家對“伏火方”的記載被認為是黑火藥配方的雛形。后來成熟的黑火藥配方中的主要成分是硫黃、硝石、木炭粉。

《天工開物》記載“凡研硝(KNO3)不以鐵碾入石臼,相激火生,禍不可測”,“相激火生”是指爆炸。

8.古代陶瓷

《天工開物》記載:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,擇取無沙粘土而為之”,“凡坯既成,干燥之后,則堆積窖中燃薪舉火”,“澆水轉釉(主要為青色),與造磚同法”。 燒制后自然冷卻成紅瓦,澆水冷卻成青瓦。

《天工開物》記載:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,擇取無沙粘土而為之”。“瓦”,傳統無機非金屬材料,主要成分為硅酸鹽。

《本草衍義》中有如下敘述:“嘉州峨眉山有燕薩石,形六棱而銳首,色瑩白明澈。”這里“燕薩石”的主要成分可能是SiO2。

9.古代發酵工業

《說文解字》上說:“古者儀狄作酒醪,禹嘗之而美,遂疏儀狄。杜康作秫酒。”從禹時算起,酒在中華已有五六千余年的歷史,與中華文明的發展同步。白酒中高檔的主要原料為高粱,其次為玉米、大米、大麥。采用固態發酵,加入一定數量的稻殼、高粱皮、谷糠等作為疏松劑。原料和疏松劑經蒸煮冷卻后,拌入糖化用的曲子或酵母,放在窖內或缸內發酵,發酵后再拌入原料和疏松劑,進行蒸餾。蒸餾出酒,并對新料起到蒸煮作用。酒糟丟掉一部分再次配料、發酵、蒸餾和蒸煮,如此循環往復,蒸餾出的酒在酒窖中陳釀,裝瓶前再進行勾兌。

我國明代《本草綱目》中收載藥物1 892種,其中“燒酒”條目下寫道:“自元時始創其法,用濃酒和糟入甑,蒸令氣上……其清如水,味極濃烈,蓋酒露也。”這里所用的“法”是指蒸餾。

釀醋:一般認為漢代時我國已有食醋。最初醋的制法是用麥曲使小麥發酵,生成酒精,再利用醋酸菌的作用將酒精氧化成醋酸,所以醋在古代還被稱為“苦酒”。

10.古代冶金

青銅的冶煉:冶煉青銅的過程較復雜,大概為先把選好的礦石加入熔劑,再放在煉爐內,燃木炭熔煉,等火候成熟,取精煉銅液,棄去煉渣,即得初銅。初銅仍比較粗,需再經提煉才能獲得純凈的紅銅。紅銅加錫、鉛熔成合金,即是青銅。鑄造青銅必須解決采礦、熔煉、銅、錫、鉛合金成分的比例配制、熔爐和坩堝爐的制造等一系列技術問題。

11.古詩文中化學

李白的“日照香爐生紫煙”紫色是光的折射形成的,有霧有云就有膠體。

“忽聞海上有仙山,山在虛無縹緲間”的海市蜃樓是一種自然現象,與膠體知識有關。

杜牧詩句“煙籠寒水月籠沙,夜泊秦淮近酒家”,“煙”實則為“霧”。

“滴水石穿、繩鋸木斷”前者發生化學變化,后者發生物理變化。

“落湯螃蟹著紅袍”發生了化學變化。

“雨過天晴云破處,這般顏色做將來。”徽宗的這道圣旨所描述的瓷器青色,來自氧化亞鐵。

劉禹錫詩句“千淘萬漉雖辛苦,吹盡狂沙始到金”,金性質穩定,可通過物理方法得到。

王安石詩句“爆竹聲中一歲除,春風送暖入屠蘇”,爆竹的燃放涉及氧化還原反應。

曹植詩句“煮豆燃豆萁,豆在釜中泣”,這里的能量變化主要是化學能轉化為熱能。

“榆莢只能隨柳絮,等閑撩亂走空園”中的“柳絮”和棉花的成分均含有纖維素。

【例1】(2021·河北卷)“灌鋼法”是我國古代勞動人民對鋼鐵冶煉技術的重大貢獻,陶弘景在其《本草經集注》中提到“鋼鐵是雜煉生鍒作刀鐮者”。“灌鋼法”主要是將生鐵和熟鐵(含碳量約0.1%)混合加熱,生鐵熔化灌入熟鐵,再鍛打成鋼。下列說法錯誤的是

( )

A.鋼是以鐵為主的含碳合金

B.鋼的含碳量越高,硬度和脆性越大

C.生鐵由于含碳量高,熔點比熟鐵高

D.冶煉鐵的原料之一赤鐵礦的主要成分為Fe2O3

【答案】C