黃 穎

(廣西柳州市第二中學(xué))

近幾年高考試卷化學(xué)部分的一些試題以中國(guó)古代科技文明為背景編制而成,著力引導(dǎo)考生弘揚(yáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀(guān),引導(dǎo)青少年學(xué)生熱愛(ài)化學(xué),勇于創(chuàng)新。我國(guó)先民透過(guò)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(xué)有密切關(guān)系的工藝,所觀(guān)察到的化學(xué)變化、利用過(guò)的化學(xué)反應(yīng),以及對(duì)這些變化是怎樣理解的。反映出我國(guó)古代所取得的化學(xué)成就,展示出為人類(lèi)文明與進(jìn)步所做出的貢獻(xiàn)。從古代書(shū)籍文字中,找到有關(guān)化學(xué)的信息,感受化學(xué)學(xué)科的久遠(yuǎn)與魅力,能夠在閱讀中考查化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和基本信息的提取與聯(lián)系能力,雅中帶趣。

1.古代煉丹

我國(guó)古代煉丹的火法大致包括煅(長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱)、煉(干燥物質(zhì)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(nóng)本草經(jīng)》說(shuō):“水銀……熔化(加熱)還復(fù)為丹”?！饵S帝九鼎神丹經(jīng)》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?yàn)槟菚r(shí)是用水銀、硝石、白礬三味混合升煉而成,又稱(chēng)“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(nèi)篇》中說(shuō)“丹砂燒之成水銀,積變又還成丹砂”。這是古代煉丹家對(duì)該反應(yīng)的簡(jiǎn)單概括。這里的“丹砂”是指HgS。

我國(guó)晉朝傅玄的《傅鶉觚集·太子少傅箴》中寫(xiě)道:“夫金木無(wú)常,方園應(yīng)行,亦有隱括,習(xí)與性形。故近朱者赤,近墨者黑?！边@里的“朱”指的是HgS。

東漢魏伯陽(yáng)在《周易參同契》中對(duì)汞的描述:“……得火則飛,不見(jiàn)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(guó)古代稱(chēng)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(guó)古代稱(chēng)為輕粉、水銀粉。由于它們都是白色結(jié)晶,古時(shí)常發(fā)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(jiàn)星,鋪于鐵器內(nèi)。以小烏盆覆之,篩灶灰鹽水和,封固盆口,以炭打二炷香,取開(kāi)則粉升于盆上矣。其白如雪,輕盈可愛(ài)。一兩汞,可升粉八錢(qián)。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(jiàn)于唐代問(wèn)世的一些丹經(jīng),稱(chēng)為“玄白”。殷代用鉛器貯酒,低濃度的酒易發(fā)酵變?yōu)橐宜?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(huì)沉積出鉛粉。戰(zhàn)國(guó)時(shí),鉛粉已普遍用作化妝品?！吨芤讌⑼酢防镎f(shuō):“胡粉(即鉛粉)投火中,色壞還為鉛”;《抱樸子·論仙篇》說(shuō):“胡粉……是化鉛所作?！边@說(shuō)明漢晉之際對(duì)鉛粉與鉛的互變關(guān)系已有較多認(rèn)識(shí)。鉛粉自古以來(lái)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(qiáng)熱產(chǎn)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(chēng)為“玄黃”。若將黃丹以猛火加熱,即變?yōu)殚偌t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(fā)明了用硝石、硫黃和金屬鉛煉制鉛丹的方法,稱(chēng)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(shí),中國(guó)煉丹家已知焙燒雄黃制得純凈的砒霜。唐代著名醫(yī)學(xué)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(chēng)為“貔霜”。較晚的本草學(xué)著作則寫(xiě)作“砒霜”。古人精制砒霜過(guò)程為:“將生砒就置火上,以器覆之,令砒煙上飛著覆器,遂凝結(jié)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(jīng)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(chǎn)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(zhì)砷。

2.古代礬化學(xué)

礬化學(xué)中國(guó)古代在染色、醫(yī)藥、煉丹術(shù)中都曾廣泛地應(yīng)用各種礬,包括綠礬(FeSO4·7H2O,又名青礬,用于染黑,所以又稱(chēng)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(chēng)石膽)。

綠礬:中國(guó)制取和應(yīng)用最早的一種礬。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期已用于染黑,那時(shí)是通過(guò)焙燒涅石(含煤黃鐵礦)取得的,所以得到“燓石”(后改稱(chēng)為礬石)之稱(chēng)。《山海經(jīng)》已有關(guān)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(jià)的副產(chǎn)品綠礬。黃礬是綠礬經(jīng)自然風(fēng)化氧化而形成的,很早就用于染色;唐代以后又成為煉金術(shù)中的“染色劑”。《新修本草》是我國(guó)古代中藥學(xué)著作之一,記載藥物844種,其中有關(guān)“青礬”的描述為“絳礬,本來(lái)綠色,新出窟未見(jiàn)風(fēng)者,正如瑠璃…燒之赤色…”據(jù)此推測(cè),“青礬”的主要成分為FeSO4·7H2O。

1640年,我國(guó)早期科技叢書(shū)《物理小識(shí)·金石類(lèi)》記有“青礬廠(chǎng)氣熏人,衣服當(dāng)之易爛,載木不盛”?！扒嗟\”強(qiáng)熱,得赤色固體,“氣”凝即得“礬油”。其中“礬油”是指(硫酸)?！扒嗟\廠(chǎng)氣”指的是SO2和SO3。

《本草圖經(jīng)》中關(guān)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?！比诮鹬赡芎辛蛩帷?/p>

晉葛洪《抱樸子內(nèi)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(yīng)屬于置換反應(yīng)。

周輝《清波雜志》卷十二:信州鉛山膽水自山下注,勢(shì)若瀑布,用以浸銅,鑄冶是賴(lài),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(shī)人于謙作詩(shī)“鑿開(kāi)混沌得烏金,藏蓄陽(yáng)和意最深。爝火燃回春浩浩,洪爐照破夜沉沉……”詩(shī)中所寫(xiě)“烏金”的主要成分是碳。

據(jù)《易經(jīng)》記載:“澤中有火”,“上火下澤”。澤,指湖泊池沼?！皾芍杏谢稹?是指“M氣體”在湖泊池沼水面上起火現(xiàn)象的描述。這里“M氣體”是指甲烷。

《后漢書(shū)·郡國(guó)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?！薄队详?yáng)雜俎》一書(shū):“高奴縣石脂水,水膩,浮上如漆,采以膏車(chē)及燃燈極明。”這里的“石漆”“石脂水”是指石油。

《漢書(shū)》中“高奴縣有洧水可燃”,沈括在《夢(mèng)溪筆談》對(duì)“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(yī)藥

我國(guó)宋代《開(kāi)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(tuán),平面磨錯(cuò)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?！敝兴幉蔫F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(xiě)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(chuàng)水”條目下寫(xiě)道:治金創(chuàng),以此水涂傷口,即斂合如故。這里所說(shuō)的“鼻沖水”、“刀創(chuàng)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?！薄按仁钡闹饕煞质撬难趸F。

宋代著名法醫(yī)學(xué)家宋慈的《洗冤集錄》中有用銀針驗(yàn)毒的記載,銀針變黑即為中毒,但現(xiàn)代化學(xué)表明銀針只能檢驗(yàn)出砒霜的毒性,Na2S也能使銀針變黑。

我國(guó)南朝(梁)陶弘景著《本草經(jīng)集注》中記敘藥物730種,其“消石”條目下寫(xiě)道:“…如握雪不冰。強(qiáng)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(yīng)。

我國(guó)中醫(yī)文獻(xiàn)中記載“山居多癭”,也提到“海藻治癭”?！鞍`”的產(chǎn)生與環(huán)境土質(zhì)或飲用水的碘物質(zhì)缺乏有關(guān)。

明代著名哲學(xué)家、科學(xué)家方以智在其《物理小識(shí)》卷七《金石類(lèi)》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(guó)清代《本草綱目拾遺》中記敘無(wú)機(jī)藥物335種,其中“強(qiáng)水”條目下寫(xiě)道:“性最烈,能蝕五金……其水甚強(qiáng),五金八石皆能穿滴,惟玻璃可盛?！边@里的“強(qiáng)水”是指硝酸。

5.古代染紡

中國(guó)絲綢有五千年的歷史和文化。古代染坊常用某種“堿劑”來(lái)精煉絲綢,該“堿劑”的主要成分是一種鹽,能促進(jìn)蠶絲表層的絲膠蛋白雜質(zhì)水解而除去,使絲綢顏色潔白、質(zhì)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(xiě)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(fā)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(guó)的工藝官書(shū)《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(lái)洗滌絲帛。這種液體能洗滌絲帛主要是因?yàn)槠渲泻袣溲趸洝?/p>

《天工開(kāi)物》中記載:“人賤者短褐、枲裳,冬以御寒,夏以蔽體,其質(zhì)造物之所具也。屬草木者,為枲、麻、苘、葛,屬禽獸與昆蟲(chóng)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(zhì)。

6.古代造紙

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

戰(zhàn)國(guó)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(chēng)為“蜃”。蔡倫改進(jìn)的造紙術(shù),第一步漚浸樹(shù)皮脫膠的堿液可用“蜃”溶于水制得?！膀住钡闹饕煞质荂aO。

7.古代制火藥

唐末五代時(shí)期丹學(xué)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(guò)程是黑火藥。

“硫二兩,硝二兩,馬兜鈴三錢(qián)半。右為末,拌勻”。這段中國(guó)古代煉丹家對(duì)“伏火方”的記載被認(rèn)為是黑火藥配方的雛形。后來(lái)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(kāi)物》記載“凡研硝(KNO3)不以鐵碾入石臼,相激火生,禍不可測(cè)”,“相激火生”是指爆炸。

8.古代陶瓷

《天工開(kāi)物》記載:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,擇取無(wú)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(zhuǎn)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(kāi)物》記載:“凡埏泥造瓦,掘地二尺余,擇取無(wú)沙粘土而為之”?！巴摺?傳統(tǒng)無(wú)機(jī)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?！边@里“燕薩石”的主要成分可能是SiO2。

9.古代發(fā)酵工業(yè)

《說(shuō)文解字》上說(shuō):“古者儀狄作酒醪,禹嘗之而美,遂疏儀狄。杜康作秫酒。”從禹時(shí)算起,酒在中華已有五六千余年的歷史,與中華文明的發(fā)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(tài)發(fā)酵,加入一定數(shù)量的稻殼、高粱皮、谷糠等作為疏松劑。原料和疏松劑經(jīng)蒸煮冷卻后,拌入糖化用的曲子或酵母,放在窖內(nèi)或缸內(nèi)發(fā)酵,發(fā)酵后再拌入原料和疏松劑,進(jìn)行蒸餾。蒸餾出酒,并對(duì)新料起到蒸煮作用。酒糟丟掉一部分再次配料、發(fā)酵、蒸餾和蒸煮,如此循環(huán)往復(fù),蒸餾出的酒在酒窖中陳釀,裝瓶前再進(jìn)行勾兌。

我國(guó)明代《本草綱目》中收載藥物1 892種,其中“燒酒”條目下寫(xiě)道:“自元時(shí)始創(chuàng)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(rèn)為漢代時(shí)我國(guó)已有食醋。最初醋的制法是用麥曲使小麥發(fā)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(chēng)為“苦酒”。

10.古代冶金

青銅的冶煉:冶煉青銅的過(guò)程較復(fù)雜,大概為先把選好的礦石加入熔劑,再放在煉爐內(nèi),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(jīng)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(shù)問(wèn)題。

11.古詩(shī)文中化學(xué)

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(wú)縹緲間”的海市蜃樓是一種自然現(xiàn)象,與膠體知識(shí)有關(guān)。

杜牧詩(shī)句“煙籠寒水月籠沙,夜泊秦淮近酒家”,“煙”實(shí)則為“霧”。

“滴水石穿、繩鋸木斷”前者發(fā)生化學(xué)變化,后者發(fā)生物理變化。

“落湯螃蟹著紅袍”發(fā)生了化學(xué)變化。

“雨過(guò)天晴云破處,這般顏色做將來(lái)?！被兆诘倪@道圣旨所描述的瓷器青色,來(lái)自氧化亞鐵。

劉禹錫詩(shī)句“千淘萬(wàn)漉雖辛苦,吹盡狂沙始到金”,金性質(zhì)穩(wěn)定,可通過(guò)物理方法得到。

王安石詩(shī)句“爆竹聲中一歲除,春風(fēng)送暖入屠蘇”,爆竹的燃放涉及氧化還原反應(yīng)。

曹植詩(shī)句“煮豆燃豆萁,豆在釜中泣”,這里的能量變化主要是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能。

“榆莢只能隨柳絮,等閑撩亂走空?qǐng)@”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(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)鋼鐵冶煉技術(shù)的重大貢獻(xiàn),陶弘景在其《本草經(jīng)集注》中提到“鋼鐵是雜煉生鍒作刀鐮者”?！肮噤摲ā敝饕菍⑸F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(shuō)法錯(cuò)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(diǎn)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