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《梦溪笔谈》中的化学

作者:齐齐哈尔诗词网
日期:2020-04-06 06:18:12
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化学好教师 2019-03-15

化学史教学是打开化学教育之门的另一密匙



《梦溪笔谈》中的化学



《梦溪笔谈》古本扫描版

《梦溪笔谈》是一部涉及古代中国自然科学、工艺技术及社会历史现象的综合性笔记体著作。该书在国际亦受重视,英国科学史家李约瑟评价为中国科学史上的里程碑。内容涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科,是中国科学史上的重要著作。该书虽不是一本化学专著,但其中蕴藏着大量的化学知识。以下将《梦溪笔谈》中涉及的部分化学内容进行列举,以供读者参考。

一.《梦溪笔谈》中的化学

1.石油

石油的发现并非始于沈括,但关于石油最早的文字记载出自于沈括《梦溪笔谈·杂志》:

“鄜、延境内有石油,旧说高奴县出脂水,即此也。生于水际,沙石与泉水相杂,“惘惘”而出,土人以雉尾挹之,乃采入缶中,颇似淳漆,燃之如麻,但烟甚浓,所沾帷幕皆黑.予疑其烟可用,试扫其煤以为墨,黑光如漆,松墨不及也,遂大为之.其识文为“延川石液”者是也.此物必大行于世,自予始为之。盖石油至多,生于地中无穷,不若松木有时而竭.”

【译文】鄜州、延州境内有一种石油,过去说的高奴县出产脂水,就是指这种东西.石油产生在水边,与砂石和泉水相混杂,时断时续地流出来。当地居民用野鸡尾毛将其沾取上来,采集到瓦罐里.这种油很像清漆,燃起来像烧麻炬,只是冒着很浓的烟,它所沾染过的帐幕都变成了黑色。我猜测这种烟可以利用,于是试着扫上它的烟煤用来做成墨,墨的光泽像黑漆,即使是松墨也比不上它了.于是就大量制造它,给它标上文字,叫做“延川石液”。这种墨以后一定会广泛流行在世上,只是从我开始做它罢了。推想那石油极多,在地中产生,无穷无尽,不像松木到一定时候就用完了。

下面对上述内容逐一分析。

1.1 命名石油

沈括任知延州 (今陕西省延安一带),兼任鄜延路经略使期间,曾对延安、延川县一带的石油做了考察。考察中,沈括发现当地人用一种被称为“石漆”“石脂”的褐色液体来烧火做饭、点灯取暖,他对这种液体的产地、状态、特点、开采等进行了解,并给它取 了 一 个 更 为 贴 切 的 名 字——石油。他又对石油的用途做了一些开创性的试验研究。


1.2 石油制墨

沈括所处的宋代,是中国古代书画和文艺发展极为昌盛的时期,由于文人墨客对书画作品的精益求精,促使宋代烧烟制墨的方法多样化。当时的知识分子对墨的质量要求很高,甚至有人亲自研究制造良墨。沈括的制墨活动也受这一氛围的影响,他发现石油后,利用石油,制得了一种比较理想的制墨烟——石油烟。沈括制墨的方法极为考究。首先是试制,达到预期效果后再正式制作。前后2次所用烟的来源和数量均不同:第1次取用数量较少,来自于石油照明之后;第2次取用数量较大,是经过专门烧结的。烧结方法采用室内烧结,以纸张或瓷碗悬于油灯之上,沾染而得。沈括将这种以石油烟为主要原料制得的石油墨命名为“延川石液”,它的性能优于当时流行的松墨,更受到制墨行家苏轼的赞赏。



1.3 石油武器——猛火油

沈括对军事方面的研究也颇为热衷。早年沈括饱读史书,积累了相当深厚的军事知识。沈括戍守延州管理军器监,掌管军事装备的制造。据史料记载,军器监下分11个车间,即“火药、青窑、猛火油、金火、皮作、麻作、窑子作 …… ”。其中“猛火油”即军用石油加工车间。自从发现石油在军事上的妙用,且延州又是石油多产之地,沈括带领军队以石油为原料,生产出杀伤力很强的喷火武器——猛火油,类似于现代的凝固汽油弹。虽然关于此时期战争的记载很少,但3年后,沈括守边立功而升迁,做了龙图阁直学士,由此我们可以推测到“石油”在沈括再次升迁中功不可没。

《梦溪笔谈》中的化学


猛火油柜

古代喷火器械,是以喷射燃烧的石油以杀伤敌人和烧毁其装具的器械。据宋《武经总要》记载:其用猛火油(石油)为燃料,用熟铜制柜,下有四脚,上有铜管。发射时点燃火药,用力抽拉筒,石油喷出遇火点燃用以烧伤敌人和焚毁战具。

2.制盐

“解州盐泽,方百二十里,久雨,四山之水悉注其中,未曾溢;大旱未尝涸。卤色正赤,在版泉之下,俚俗谓之“蚩尤血”。唯中间有一泉,乃是甘泉,得此水然后可以聚,又其北有尧梢水,亦谓之巫咸河。大卤之水,不得甘泉和之,不能成盐。唯巫咸水入,则盐不复结,故人谓之“无咸河”,为盐泽之患,筑大堤以防之, 甚于备寇盗。原其理,盖巫咸乃浊水,入卤中则淤淀卤脉盐遂不成,非有他异也。”

【译文】解州的盐湖,方圆有一百二十里,雨「久了,周围山里的水都流入湖里,从来没有造成泛滥,大旱时也没有干枯过。在版泉下面,盐卤成正红色,民间称作“蚩尤血”,中间有泉一眼,是甜水,有了这种水才能把食盐结晶出来。在北面还有一条尧梢水,也叫做巫咸河。大卤的水如果没有甘泉水掺合就不能制成盐。而将巫咸水引人,则盐就不能结晶出来,所以人们称它为“无咸河”,把它当作盐湖之害,修筑了大堤,比防范强盗还谨慎。研究其中的道理,那是由于巫咸河的水不干净,这种水进人大卤中就出现淤泥状的沉淀物,不能成盐。这没有什么奇怪的。

解州池卤水颜色正赤色,是水中含有大量3价铁离子所致。盐泽中虽含有大量的成盐物质却无法形成可供人食用的食盐,所以必须及时溶解和结晶,将成盐物质与铁离子分离,这里必须用到一种淡水—— “甘泉”和之。卤水中加入巫咸水,盐不会结晶,是由于巫咸水是浊水,即含有大量的胶体。水中的胶体若与Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子相遇,会立即凝聚形成沉淀,造成成盐离子Na+、Cl-减少,必然影响食盐结晶。

沈括总结了前人生产食盐的经验,并经过细致调查,对解州的水质条件、成盐原因及胶体对食盐沉淀的破坏影响做了精辟的描述。

3. 金属取代、钟乳石的生成

我国古代湿法冶铜始于西汉,西汉流传这样一句话:“曾青得铁则化为铜”,就是铁和硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁,铜附着在铁的表面,曾青就是蓝色的硫酸铜溶液。在《梦溪笔谈·杂志二》中记载:

“信州铅山县有苦泉,流以为涧,艳其水熬之,则成胆矾,烹胆矾则成铜;熬胆矾铁釜,久之亦化为铜,水转为铜,物之变化,固不可测,按黄帝《素问》有“天五行,地五行,土之气在天为湿,土能生金石,湿亦能生金石”。此其验也。又石穴中水,所滴皆为钟乳、殷孽。春秋分时,汲井泉则结石花,大卤之下,则生阴精石,皆湿之所化也。如木之气在天为风,木能生火,风亦能生火,盖五行之性也。”

【译文】信州铅山县有个苦泉,在山间流成了水沟。舀出泉水来蒸煮浓缩就成了胆矾,胆矾再加热就能生成铜。熬胆矾的铁锅用久了也变成了铜。水中能生铜这种变化虽说是难以推测的,但根据黄帝《素问》的记载:“天有五行、地有五行,土地中的气升到空中就成了湿气,土能生成金属和石头,湿气也能生成金属和石头。”上述转化就是这种说法的验证。还有,石洞中的水滴下来都变为钟乳石和石笋,春分、秋分时节打上来的井水能结出石花。卤水的下面能生成阴精石。这些都是湿气变化的。就象树木的气在天空中就是风,树木能生成火,风也能生成火,这就是五行的本性所在。

沈括在此记述了古代劳动人民利用胆矾生产金属铜的实践活动。其原理就是现在的置换反应:

Fe+CuSO=Cu+FeSO

据史料记载,北宋时用此法生产铜,年产量达一百万至一百八十万斤,为当时铜产量的

15% ~20%。南宋高宗年间,用此法所制的铜,产量甚至达到铜总产量的85%以上。

这段叙述中也说到了碳酸钙在弱碳酸溶液中溶解和析出的情景。碳酸氢钙可分解而得到石灰石,即碳酸钙沉淀:

Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O

大卤即天然食盐水,蒸发后有食盐析出,母液中含有硫酸钙等盐类,生成 的阴精石即是现在的石膏。

4. 炼钢

沈括十分重视记录古代劳动人民的智慧结晶,经常访问民间锻坊,仔 细对 钢与熟铁进行区别研究。在《梦溪笔谈·辩证一》中记载:

“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以“生铁”陷其间,泥封炼之,锻令相入,谓之“团钢”,亦谓之“灌钢”。此乃伪钢耳,暂假生铁以为坚。二三炼则生铁自熟,仍是柔铁,然而天下莫以为非者,盖未识真钢耳。予出使至磁州锻坊,观炼铁,方识真钢。凡铁之有钢者,如面中有筋,濯尽揉面,则面筋乃见;炼钢亦然,但取精铁锻之百余火,每锻称之,一锻一轻,至累锻而斤两不减,则纯钢也,虽百炼不耗矣。此乃铁之精纯者,其色清明,磨莹之,则暗暗然青且黑,与常铁迥异。亦有炼之至尽而全无钢者,皆系地之所产。”

【译文】世上打铁所称的钢铁,是用熟铁盘绕起来,再把生铁嵌在它的中间,用泥把炉子封起来烧炼,锻打使它们相互渗入,叫做“团钢”,也叫做“灌钢”。这只是假钢罢了,暂时借助于生铁使它坚硬,烧炼2、3次以后生铁就成了熟铁,得到的仍然是熟铁。但是天下没有人认为不对的,那是因为不认识真钢罢了。我出使时,到磁州打铁作坊看炼铁,才认识了真钢。凡是有钢的铁,就像面里有面筋,洗尽柔软的面,面筋就出现了。炼钢也是这样,只要选取精铁锻打百多次,每锻打1次称1次,锻打1次就轻一些,直到多次锻打斤两却不再减少,那就是纯钢了。即使再锻打上百次也不会耗减了。这才是铁里面的精纯部分,它的色泽清明磨得光洁明亮了,就呈现暗淡的青黑色,与一般的铁明显不同。也有锻打到最后却根本成不了钢的,全是因为产地的缘故。

这里的灌钢,是指将生铁液灌注熟铁之中的一种低温炼钢法。其原理是利用生铁含碳量高、熔点低的特点,可在较低温度下先融化,故而生铁液灌入而向四周盘旋与熟铁充分接触,这样生铁和熟铁就混在一起了,再用泥封起来。在一定温度下,经过锻打而除去铁中杂质,至锻打到斤两不再减少为止,就是纯钢了。这样锻打出来的纯铁是铁中最精良的部分,颜色光洁黑亮,磨光后呈现出暗淡的青黑色,与平常的铁完全不同。

5.铸剑

沈括根据变法需要,悉心总结了兵器制作技术。《梦溪笔谈·器用》中记载:

“古人以剂钢为刃,柔铁为茎干,不尔则多断折。剑之钢者,刃多毁缺,巨阙是也,故不可纯用剂钢。”

【译文】古人做剑用剂 钢做刀刃,用柔铁做剑身,不这样,剑就容易断折。用钢铸的剑,剑刃会多有毁缺,古时相传的“巨阙”就是这种剑,所以铸剑不可纯用含有杂质的钢。

这段记录中沈括科学地指出,古人用剂钢 (含有杂质的钢)作剑刃,用柔铁作剑身,如果不这样就容易将剑折断。剑如果太刚硬,其刃大多容易缺毁,所以不能用纯粹的钢造剑。现代炼钢技术中,生铁的含碳量为2%~4.3%,机械性能硬而脆。钢的含碳量为0.03%~2%,机械性能硬而韧,弹性好.可以推测《梦溪笔谈》这段记录古人所铸剑刃的材料是现代的生铁,而用钢作剑身。这也是我们后世所说的“好钢要用在刀刃上”。

二.沈括的化学成就归因

沈括不但在政治方面颇有建树,更是史上前无古人后无来者的科学全才,单就化学方面其化学成就归因可进行以下分析。

1. 以推行新法改革为背景的科学研究活动

任何时代的科学研究都在一定程度上受社会环境的影响,它总是植根于社会生产力发展的需要。沈括所处的时期,是以王安石为首的变法改革的关键时期,政治环境主张通过变法来富国强民,所以沈括的一系列科学活动与政治联系紧密。

沈括担任军器监一职时,极其关注钢铁冶炼和兵器制造情 况。曾多 次 视察民间 炼 钢、炼铁的作坊,在《梦溪笔谈》中又详细记录了钢铁锻造、冶炼的流程,这一史料的记载,为我国自然科学史增添了光彩。《梦溪笔谈》中又详细介绍了解州盐泽的成盐情况,提出“大卤之水”以 “巫咸水入”不成盐是由于 “淤淀卤脉”。限于一定的历史条件,对于解州盐泽不成盐的原因沈括虽然没有认识到如今这样透彻,但其思想中已经萌芽了胶体化学和地球化学的思想。可以说,王安石的变法改革是促使沈括科学研究的重要外部因素。


2. 以济世救民为己任重视劳动人民的实践和创造

《梦溪笔谈》中记载了古代信州劳动人民利用胆矾生产金属铜的事实、毕昇的活字印刷术、建筑工人编写的讨论房屋结构的《木经》等,保存了我国古代劳动人民智慧和心血的结晶。《梦溪笔谈》的这些记录中无不体现了沈括对劳动人民的赞扬和敬佩。

沈括还深受北宋儒学济世精神的影响。北宋熙宁十年,屡有西夏挑衅,边塞地区民不聊生,沈括为江山社稷更为黎民百姓,带领军队在战争中使用以石油为主要原料的“猛火油”。可以说,“达则兼济天下”的思想在客观上推动了沈括对石油的研究和利用。



3. 以实践为基础的对现象和假设的再考察

沈括是一位注重调查研究、讲究实事求是的科学家。他曾实地考察石油产出之处,在环境恶劣的边塞居住了很长时间。对于科学活动,沈括有着惊人的毅力。当时鄜延境内条件恶劣,气候多变,冬寒夏炎,沈括的《延川诗》第一、二句“二郎山下雪纷纷,旋卓穹庐学塞人”,是他当时生活的真实写照。沈括发现古今谈论刻漏者几十人,但都存在谬误。为计算刻漏的方法,沈括利用浑仪、浑象进行检验,用测得的数据考察和计算刻漏下水的情况,如此历经10年时间,才初步得出符合实际的数据。

从这些事例中可以看出沈括不但对已呈现的现象进行怀疑和批判,又会重新以实事求是为基础进行研究。



三.预见未来

关于沈括所记录的石油,有一点不得不提,即

“此物后必大行于世,自予始为之,盖石油至多,生于地中无穷,不若松木有时而竭。”这是沈括对于石油发展前景的大胆预测。现在陕西的延安、延长、延川,都是历史上发现和出产过石油的地区,而当时恰恰都由沈括统属。正如沈括《延川诗》中所云:

“化尽素衣冬未老,石烟多似洛阳尘。”

诗中石烟是对石油烟的简称,石油烟多也即石油数量多,像洛阳城的烟尘一样。沈括大胆预言地下石油无穷无尽,不像制墨原料松树那样可能枯竭。他担心一旦松林尽毁,必给整个社会带来不便。反观如今,社会上也一直倡导爱护环境、低碳环保,沈括的建议的确具有极大的现实意义。后世对于石油的开采和利用,甚至由石油引发的掠夺战争无一不是对“此物后必 大行于世”的映照,沈括远见卓识可见一斑。


附:《梦溪笔谈》作者沈括介绍


《梦溪笔谈》中的化学


沈括(1031—1095),北宋政治家、科学家

沈括生于浙江钱塘(今浙江杭州市)。24岁便开始踏上仕途,为官的前二十年官运亨通。33岁考中进士后,在京师昭文馆担任书籍校对和编辑工作。神宗熙宁二年(公元1069年),沈括积极投身王安石推行的变法运动,受到王安石的信任和器重,担任过管理全国财政的最高长官三司使等许多重要官职。熙宁九年(公元1076年),沈括被诬贬官,出知宣州(今安徽省宣城一带)。三年后,因戍边有功,升龙图阁直学士。但不久遭诬陷,降职做均州(今湖北省均县)团练副使。哲宗元祐二年(公元1088年),沈括定居润州(今江苏省镇江)梦溪园,在此,他认真细致地总结了自己一生所见所闻所感,著出闻名遐迩的科学巨作《梦溪笔谈》。宋哲宗绍圣二年(公元1095)沈括辞世。

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