中国传统文化中的化学

黄 颖

(广西柳州市第二中学)

近几年高考试卷化学部分的一些试题以中国古代科技文明为背景编制而成,着力引导考生弘扬社会主义核心价值观,引导青少年学生热爱化学,勇于创新。我国先民透过烧陶制瓷、冶炼金属、炼丹、制药、酿酒、造醋、造纸和染色漂洗等与化学有密切关系的工艺,所观察到的化学变化、利用过的化学反应,以及对这些变化是怎样理解的。反映出我国古代所取得的化学成就,展示出为人类文明与进步所做出的贡献。从古代书籍文字中,找到有关化学的信息,感受化学学科的久远与魅力,能够在阅读中考查化学学科基础知识和基本信息的提取与联系能力,雅中带趣。

1.古代炼丹

我国古代炼丹的火法大致包括煅(长时间高温加热)、炼(干燥物质的加热)、炙(局部烘烤)、熔(熔化)、抽(蒸馏)、飞(又叫升,就是升华)、伏(加热使药物变性)等方法。

《神农本草经》说:“水银……熔化(加热)还复为丹”。《黄帝九鼎神丹经》中的“柔丹”“伏丹”都是在土釜中加热Hg制得的。明代以后“红升丹”广泛用作疡科药,因为那时是用水银、硝石、白矾三味混合升炼而成,又称“三仙丹”。它的纯度很高,不含游离水银。这里的“丹”是指HgO。

葛洪在《抱朴子内篇》中说“丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂”。这是古代炼丹家对该反应的简单概括。这里的“丹砂”是指HgS。

我国晋朝傅玄的《傅鹑觚集·太子少傅箴》中写道:“夫金木无常,方园应行,亦有隐括,习与性形。故近朱者赤,近墨者黑。”这里的“朱”指的是HgS。

东汉魏伯阳在《周易参同契》中对汞的描述:“……得火则飞,不见埃尘,将欲制之,黄芽为根。”这里的“黄芽”是指硫。

氯化高汞(HgCl2)俗名升汞,中国古代称为粉霜、霜雪,清代曾把升汞定名为“白降丹”。氯化亚汞(Hg2Cl2)俗名甘汞,中国古代称为轻粉、水银粉。由于它们都是白色结晶,古时常发生混淆。“升炼轻粉(Hg2Cl2)法”用水银一两,白矾(明矾) 二两,食盐一两,同研不见星,铺于铁器内。以小乌盆覆之,筛灶灰盐水和,封固盆口,以炭打二炷香,取开则粉升于盆上矣。其白如雪,轻盈可爱。一两汞,可升粉八钱。文中从生成物中分离出轻粉涉及的操作方法为升华。

铅霜,最早见于唐代问世的一些丹经,称为“玄白”。殷代用铅器贮酒,低浓度的酒易发酵变为乙酸,乙酸与铅作用生成的铅霜(乙酸铅)。

铅霜在空气中吸收二氧化碳后,便会沉积出铅粉。战国时,铅粉已普遍用作化妆品。《周易参同契》里说:“胡粉(即铅粉)投火中,色坏还为铅”;《抱朴子·论仙篇》说:“胡粉……是化铅所作。”这说明汉晋之际对铅粉与铅的互变关系已有较多认识。铅粉自古以来就用作颜料、化妆品和药物;汉代以后又成为制釉原料和炼丹用药。胡粉难溶于水,加强热产生能使澄清的石灰水变浑浊的湿气。则胡粉的主要成分为 2PbCO3·Pb(OH)2。

金属铅在空气中焙烧即得黄丹,其色泽金黄,受到早期炼丹家的重视,称为“玄黄”。若将黄丹以猛火加热,即变为橘红色的铅丹(Pb3O4),秦代已用作红色颜料,因其色红似丹砂,也被炼丹家视为炼丹大药。汉末或晋代发明了用硝石、硫黄和金属铅炼制铅丹的方法,称为硝黄法,纯度较高。这里的“黄丹”是指氧化铅(PbO)。

最迟到隋代时,中国炼丹家已知焙烧雄黄制得纯净的砒霜。唐代著名医学家兼炼丹家孙思邈在《千金药方》中最早用它治疗疟疾、牙痛等病,因其毒性猛烈,称为“貔霜”。较晚的本草学著作则写作“砒霜”。古人精制砒霜过程为:“将生砒就置火上,以器覆之,令砒烟上飞着覆器,遂凝结累然下垂如乳”,文中涉及的操作方法是升华。

孙思邈《太清丹经要诀》中有以雄黄、雌黄与金属锡合炼的丹方,在密闭坩埚中升华的产物。南宋方士们将砒霜和草木药或蜜合炼,得到了“色如银”或“如黑角色,甚硬”的单质砷。

2.古代矾化学

矾化学中国古代在染色、医药、炼丹术中都曾广泛地应用各种矾,包括绿矾(FeSO4·7H2O,又名青矾,用于染黑,所以又称皂矾)、白矾[KAl(SO4)2·12H2O,又名明矾]、黄矾(Fe2O3·2SO3·10H2O)、胆矾(CuSO4·5H2O,唐代以前称石胆)。

绿矾:中国制取和应用最早的一种矾。战国时期已用于染黑,那时是通过焙烧涅石(含煤黄铁矿)取得的,所以得到“燓石”(后改称为礬石)之称。《山海经》已有关于涅石和以涅(绿矾)染黑的记载。在北宋盛行胆铜法后,便得到了廉价的副产品绿矾。黄矾是绿矾经自然风化氧化而形成的,很早就用于染色;唐代以后又成为炼金术中的“染色剂”。《新修本草》是我国古代中药学著作之一,记载药物844种,其中有关“青矾”的描述为“绛矾,本来绿色,新出窟未见风者,正如瑠璃…烧之赤色…”据此推测,“青矾”的主要成分为FeSO4·7H2O。

1640年,我国早期科技丛书《物理小识·金石类》记有“青矾厂气熏人,衣服当之易烂,载木不盛”。“青矾”强热,得赤色固体,“气”凝即得“矾油”。其中“矾油”是指(硫酸)。“青矾厂气”指的是SO2和SO3。

《本草图经》中关于绿矾的分解有如下描述:“绿矾形似朴消(Na2SO4·10H2O)而绿色,取此物置于铁板上,聚炭,封之囊袋,吹令火炽,其矾即沸,流出,色赤如融金汁者是真也。”融金汁可能含有硫酸。

晋葛洪《抱朴子内篇·黄白》记载“曾青涂铁,铁赤色如铜”(“曾青”是指硫酸铜)。记载中的反应属于置换反应。

周辉《清波杂志》卷十二:信州铅山胆水自山下注,势若瀑布,用以浸铜,铸冶是赖,虽干溢系夫旱涝,大抵盛于春夏,微于秋冬。古传一人至水滨,遗匙钥,翌日得之,已成铜矣。这里的胆水是指CuSO4溶液。

3.古代能源

明代诗人于谦作诗“凿开混沌得乌金,藏蓄阳和意最深。爝火燃回春浩浩,洪炉照破夜沉沉……”诗中所写“乌金”的主要成分是碳。

据《易经》记载:“泽中有火”,“上火下泽”。泽,指湖泊池沼。“泽中有火”,是指“M气体”在湖泊池沼水面上起火现象的描述。这里“M气体”是指甲烷。

《后汉书·郡国志》中记载:“石出泉水……其水有肥,燃之极明,不可食,县人谓之石漆。”《酉阳杂俎》一书:“高奴县石脂水,水腻,浮上如漆,采以膏车及燃灯极明。”这里的“石漆”“石脂水”是指石油。

《汉书》中“高奴县有洧水可燃”,沈括在《梦溪笔谈》对“洧水”的使用有“予知其烟可用,试扫其烟为墨,黑光如漆,松墨不及也,此物必大行于世”的描述,烟的主要成分是炭黑。

4.古代医药

我国宋代《开宝本草》中记载了中药材铁华粉的制作方法:“取钢煅作叶如笏或团,平面磨错令光净,以盐水洒之,于醋瓮中阴处埋之一百日,铁上衣生,铁华成矣。”中药材铁华粉是指醋酸亚铁。

《本草纲目拾遗》中在药物名“鼻冲水”条目下写道:贮以玻璃瓶,紧塞其口,勿使泄气,则药力不减,气甚辛烈,触入脑,非有病不可嗅。在“刀创水”条目下写道:治金创,以此水涂伤口,即敛合如故。这里所说的“鼻冲水”、“刀创水”分别指的是氨水、碘酒。

《本草纲目》记载到:“慈石治肾家诸病,而通耳明目。慈石,色轻紫,石上皲涩,可吸连针铁,俗谓之熁铁石。”“慈石”的主要成分是四氧化三铁。

宋代著名法医学家宋慈的《洗冤集录》中有用银针验毒的记载,银针变黑即为中毒,但现代化学表明银针只能检验出砒霜的毒性,Na2S也能使银针变黑。

我国南朝(梁)陶弘景著《本草经集注》中记叙药物730种,其“消石”条目下写道:“…如握雪不冰。强烧之,紫青烟起,仍成灰…”这里的“消石”是指硝酸钾,“紫青烟起”利用焰色反应。

我国中医文献中记载“山居多瘿”,也提到“海藻治瘿”。“瘿”的产生与环境土质或饮用水的碘物质缺乏有关。

明代著名哲学家、科学家方以智在其《物理小识》卷七《金石类》中指出:“有硇水者,剪银塊投之,则旋而为水。”其中的“硇水”指硝酸。

我国清代《本草纲目拾遗》中记叙无机药物335种,其中“强水”条目下写道:“性最烈,能蚀五金……其水甚强,五金八石皆能穿滴,惟玻璃可盛。”这里的“强水”是指硝酸。

5.古代染纺

中国丝绸有五千年的历史和文化。古代染坊常用某种“碱剂”来精炼丝绸,该“碱剂”的主要成分是一种盐,能促进蚕丝表层的丝胶蛋白杂质水解而除去,使丝绸颜色洁白、质感柔软、色泽光亮。这种“碱剂”可能是草木灰。

《本草纲目》中的“石碱”条目下写道:“采蒿蓼之属,晒干烧灰,以水淋汁,每百引入粉面二三斤,久则凝淀如石,浣衣发面,甚获利也”。这里的“石碱”是指K2CO3。

《本草纲目》中“冬月灶中所烧薪柴之灰,令人以灰淋汁,取碱浣衣”里的“碱”主要是碳酸钾。

春秋末期齐国的工艺官书《考工记》中载有“涑帛”的方法,即利用“灰”(草木灰)和“蜃”(贝壳灰)混合加水所得液体来洗涤丝帛。这种液体能洗涤丝帛主要是因为其中含有氢氧化钾。

《天工开物》中记载:“人贱者短褐、枲裳,冬以御寒,夏以蔽体,其质造物之所具也。属草木者,为枲、麻、苘、葛,属禽兽与昆虫者为裘褐、丝绵。各载其半,而裳服充焉矣。”文中的“枲、麻、苘、葛”和“裘褐、丝绵”分别属于纤维素、蛋白质。

6.古代造纸

古代造纸工艺中使用的某种物质存在副作用,它易导致纸张发生酸性腐蚀,使纸张变脆易破损,该物质是明矾。

战国所著《周礼》中记载沿海古人“煤饼烧砺房成灰”(“砺房”即牡蜗壳),并把这种灰称为“蜃”。蔡伦改进的造纸术,第一步沤浸树皮脱胶的碱液可用“蜃”溶于水制得。“蜃”的主要成分是CaO。

7.古代制火药

唐末五代时期丹学著作《真元妙道要略》中有云“以硫黄、雄黄合硝石并蜜烧之,焰起烧手面及烬屋舍者”。描述的制作过程是黑火药。

“硫二两,硝二两,马兜铃三钱半。右为末,拌匀”。这段中国古代炼丹家对“伏火方”的记载被认为是黑火药配方的雏形。后来成熟的黑火药配方中的主要成分是硫黄、硝石、木炭粉。

《天工开物》记载“凡研硝(KNO3)不以铁碾入石臼,相激火生,祸不可测”,“相激火生”是指爆炸。

8.古代陶瓷

《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙粘土而为之”,“凡坯既成,干燥之后,则堆积窖中燃薪举火”,“浇水转釉(主要为青色),与造砖同法”。 烧制后自然冷却成红瓦,浇水冷却成青瓦。

《天工开物》记载:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,择取无沙粘土而为之”。“瓦”,传统无机非金属材料,主要成分为硅酸盐。

《本草衍义》中有如下叙述:“嘉州峨眉山有燕萨石,形六棱而锐首,色莹白明澈。”这里“燕萨石”的主要成分可能是SiO2。

9.古代发酵工业

《说文解字》上说:“古者仪狄作酒醪,禹尝之而美,遂疏仪狄。杜康作秫酒。”从禹时算起,酒在中华已有五六千余年的历史,与中华文明的发展同步。白酒中高档的主要原料为高粱,其次为玉米、大米、大麦。采用固态发酵,加入一定数量的稻壳、高粱皮、谷糠等作为疏松剂。原料和疏松剂经蒸煮冷却后,拌入糖化用的曲子或酵母,放在窖内或缸内发酵,发酵后再拌入原料和疏松剂,进行蒸馏。蒸馏出酒,并对新料起到蒸煮作用。酒糟丢掉一部分再次配料、发酵、蒸馏和蒸煮,如此循环往复,蒸馏出的酒在酒窖中陈酿,装瓶前再进行勾兑。

我国明代《本草纲目》中收载药物1 892种,其中“烧酒”条目下写道:“自元时始创其法,用浓酒和糟入甑,蒸令气上……其清如水,味极浓烈,盖酒露也。”这里所用的“法”是指蒸馏。

酿醋:一般认为汉代时我国已有食醋。最初醋的制法是用麦曲使小麦发酵,生成酒精,再利用醋酸菌的作用将酒精氧化成醋酸,所以醋在古代还被称为“苦酒”。

10.古代冶金

青铜的冶炼:冶炼青铜的过程较复杂,大概为先把选好的矿石加入熔剂,再放在炼炉内,燃木炭熔炼,等火候成熟,取精炼铜液,弃去炼渣,即得初铜。初铜仍比较粗,需再经提炼才能获得纯净的红铜。红铜加锡、铅熔成合金,即是青铜。铸造青铜必须解决采矿、熔炼、铜、锡、铅合金成分的比例配制、熔炉和坩埚炉的制造等一系列技术问题。

11.古诗文中化学

李白的“日照香炉生紫烟”紫色是光的折射形成的,有雾有云就有胶体。

“忽闻海上有仙山,山在虚无缥缈间”的海市蜃楼是一种自然现象,与胶体知识有关。

杜牧诗句“烟笼寒水月笼沙,夜泊秦淮近酒家”,“烟”实则为“雾”。

“滴水石穿、绳锯木断”前者发生化学变化,后者发生物理变化。

“落汤螃蟹着红袍”发生了化学变化。

“雨过天晴云破处,这般颜色做将来。”徽宗的这道圣旨所描述的瓷器青色,来自氧化亚铁。

刘禹锡诗句“千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金”,金性质稳定,可通过物理方法得到。

王安石诗句“爆竹声中一岁除,春风送暖入屠苏”,爆竹的燃放涉及氧化还原反应。

曹植诗句“煮豆燃豆萁,豆在釜中泣”,这里的能量变化主要是化学能转化为热能。

“榆荚只能随柳絮,等闲撩乱走空园”中的“柳絮”和棉花的成分均含有纤维素。

【例1】(2021·河北卷)“灌钢法”是我国古代劳动人民对钢铁冶炼技术的重大贡献,陶弘景在其《本草经集注》中提到“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”。“灌钢法”主要是将生铁和熟铁(含碳量约0.1%)混合加热,生铁熔化灌入熟铁,再锻打成钢。下列说法错误的是

( )

A.钢是以铁为主的含碳合金

B.钢的含碳量越高,硬度和脆性越大

C.生铁由于含碳量高,熔点比熟铁高

D.冶炼铁的原料之一赤铁矿的主要成分为Fe2O3

【答案】C