《天工开物》里的化学世界

王浩田

《天工开物》是中国古代一部集大成的科技著作，其中农业、手工业的内容均与化学有密切联系。让我们以采煤、制陶为例，走进《天工开物》里的化学世界吧！

书中处处有化学

《天工开物》为明代科学家宋应星于1637年（明崇祯十年）所著，分上、中、下3篇共18卷，其中记载的大量有关农业、手工业的科技，在当时世界上都是相当先进的。书中记述的化学知识丰富，在一定程度上反映了中国明代对化学的认识水平。

《天工开物》中描述的榨甘蔗汁用于制糖的工序

在化学理论方面，《天工开物》用阴阳五行说来解释化学变化，如火药燃爆，是由于“硝性至阴，硫性至阳，阴阳两神物相遇于无隙可容之中”。在化学工艺方面，书中记述了冶金、分金、煤炭、石灰、陶瓷、酿酒等化工过程和技术。在化学术语方面，书中有诸如“升炼”“锻”“淬”“结成”（重结晶）等名词。在化学反应类型方面，书中蕴含着中和反应、分解反应、置换反应、氧化还原反应、酶催化反应等等。

《燔石》篇中的煤

中国有着丰富的煤炭资源，《天工开物》的《燔石》篇提到古人对煤炭的分类、分布以及开采、利用。

《燔石》中写道，“凡煤炭普天皆生，以供锻炼金石之用”“煤有三种，有明煤、碎煤、末煤。明煤大块如斗许，燕、齐、秦、晋生之。不用风箱鼓扇，以木炭少许引燃，炽达昼夜”“碎煤有两种，多生吴、楚。炎高者曰饭炭，用以炊烹；炎平者曰铁炭，用以治锻”“末煤如面者，名曰自来风。泥水调成饼，入于炉内，既灼之后，与明煤相同，经昼夜不灭”。

从这些描述可以看出，在古代，煤炭各地都有出产，供冶金和烧石之用。古人是根据煤块的大小，将其分为明煤（相当于无烟煤）、碎煤（相当于烟煤）和末煤（相当于褐煤和泥煤）3类，且各有性状和用途。明煤块头大，产于河北、山东、陕西及山西。明煤不必用风箱鼓风，只需加入少量木炭引燃，便能日夜炽烈地燃烧。碎煤有两种，多产于江苏、安徽和湖北等地区。碎煤燃烧时，火焰高的叫作饭炭，用来煮饭；火焰平的叫作铁炭，用于冶炼。

煤炭的形成过程示意图（绘图/ 黄金）

古代也有“沼气中毒”

《燔石》篇中还向我们展现了古人采煤的情况和技巧：“凡取煤经历久者，从土面能辨有无之色，然后掘挖。深至五丈许，方始得煤。初见煤端时，毒气灼人，有将巨竹凿去中节，尖锐其末，插入炭中，其毒烟从竹中透上，人从其下施钁（jué）拾取者。”

意思是，采煤经验多的人，从地面上的土质情况就能判断地下是不是有煤，然后再往下挖掘。挖到五丈（16.6米左右）深左右才能得到煤。煤层出现时，毒气冒出能伤人。一种方法是将大竹筒的中节凿通，削尖竹筒末端，插入煤层，毒气便通过竹筒往上空排出，人就可以下去用大锄挖煤了。

这里“毒气”的主要成分是甲烷。甲烷是天然气、沼气的主要成分，是存在于密闭的窖井、池塘、煤矿（井）和煤库中的有害气体之一，吸入会使人中毒。

如今，我们对煤炭的成分、性质已有充分的认知，分类也更加细致。特别是随着中国提出“碳中和”“碳达峰”战略，科研人员在煤炭清洁利用方面持续发力，其中CO2的回收利用成为研究热点。这项研究有利于减少大气中由煤炭等化石燃料燃烧释放的CO2含量，减弱温室效应，更好地保护地球环境。

《陶埏》的制陶技艺

说到精美陶瓷制品，大家往往会首先想到被誉为“瓷都”的江西景德镇。《天工开物》的《陶埏（shān）》篇中提到，自古以来，景德镇都是烧制瓷器的名都，“若夫中华四裔驰名猎取者，皆饶郡浮梁景德镇之产也”，即中国远近闻名、人人争购的瓷器，都是江西饶郡浮梁县景德镇的产品。

那么，陶瓷是怎么来的呢？《天工开物》中将其概括为“水火既济而土合”，即：水与火共同作用，泥土就能牢固地结合成为陶器和瓷器了。

高岭土

 景德镇匠人们手工制作的景德镇高岭土碗

《天工开物》的《陶埏（shān）》篇中对制瓦、制砖、制陶等均有详细记载，其中关于“白瓷”即我们生活中用到的精美陶瓷制品是这样表述的，“凡白土曰垩（è）土，为陶家精美器用。中国出惟五六处，北则真定定州、平凉华亭、太原平定、开封禹州，南则泉郡德化（土出永定，窑在德化），徽郡婺（wù）源、祁门（他处白土陶范不粘，或以扫壁为墁）”。

意思是，陶坊用来制造精美瓷器的白色黏土叫垩土，中国只有五六个地方出产这种垩土：北方有河北省的定县、甘肃省的华亭、山西省的平定及河南省的禹县，南方有福建省的德化（土出永定县，窑却在福建德化）、江西省的婺源和安徽省的祁门，其他地方出的白土，拿来造瓷坯不够黏，但可以用来粉刷墙壁。

陶瓷的制作過程中有许多化学反应。黏土经过成形、釉料、干燥、烧成、装饰一系列复杂的步骤，才能变成精美的陶瓷。景德镇陶瓷采用的高岭土洁白细腻，土质松软，具有很好的可塑性。

高岭土的晶体化学式是2SiO2·Al2O3·2H2O，晶体结构为层状结构。在陶瓷烧成过程中，随着温度的变化，高岭土除了出现层状结构转化外，还会出现有机杂质和碳素的清除、一些碳酸盐的分解、石英晶型的转变、氧化铁的还原、熔剂氧化物的熔融等一系列化学反应。

如今，烧成工艺有了许多改进，在制作高质量陶瓷制品的同时，还能节约燃料，减少污染物产生，不给生态环境带来负担。

《天工开物》描绘了130项中国古代的生产技术和工具的名称、形状、工序，本文介绍的煤炭、陶瓷只是其中的一小部分。而传世的中国古代科技更是多如璀璨的星辰，成为人类宝贵的文化遗产，其中蕴含的科技思想与智慧至今还在造福人类，值得我们从中汲取力量！