古代劳动中的化学(一)— 炼丹术

原标题:古代劳动中的化学(一)— 炼丹术

化学古来有之,绝非近代而出。只是没有形成理论系统,但是一直存在于广大劳动人民之中,并且在不断的发展、前行。

我们一般认为中国的化学从炼丹术开始,今天咱们也从炼丹术开始,探究劳动人民是怎样在劳动过程中运用化学知识的。

自从中国古代的方士们在海上寻仙求不死药的活动失败以后,便决心自己动手炼制那种奇物。于是那些千年不朽、百炼不消的矿物与金属便被方士们看中了。其首位的是黄金,在中国古代总是把长生不死和羽化飞升联系在一起。因此,那些见火易飞、去质轻化的(用现在的科学语言说,就是容易升华的)物质,在方士们看来就是一种灵异的东西,吃了或许可以感染上灵气,换骨轻身,进而乘云御龙,遨游宇宙。因此,丹砂(红色硫化汞)、水银也就成为他们心目中的另一类灵丹妙药了。

但是方士们发现有人服食过真黄金,然而却丧了命。所以他们并不主张服食天然的黄金和开采出来而未经升炼过的丹砂。于是他们便主张设法用矿物药为原料,在丹鼎中修炼出黄金的精华,制造出人工的黄金(称为药金)。至于天然的丹砂矿物,他们认为其中那些不能飞升的渣滓,对人有害无益,所以最好是人工制作,再经几转几返的修炼,才能成为神丹。

于是,这就掀起了变炼活动,丹房就成了原始的化学实验室。当然,金液、神丹之外,在中国炼丹术中还有另外一些丹药,但大部分是多种矿物的混合升华物,主要成分不外乎颜色鲜红、很像丹砂的铅丹(Pb3O4)和汞粉(HgO),色泽金黄的雌黄、雄黄(As2S3As2S2)以及黄丹(PbO)、砒霜、氯化汞等。

从丹药成分看,最主要的,基本上是硫化汞、氧化汞、氯化汞三个类型。所以我国古代制取这三种圣药的成果正可以做为中国丹药化学成就的典范。

(1)氧化汞

这是中国炼丹家以水银为原料制得的第一种神丹大药。它是一种鲜红色的化合物,外观和硫化汞非常相似。方士们只要把水银在空气中缓缓加热,温度不要太高(要控制在500℃左右,若超过此温度,生成的HgO又会分解),就可以得到这种物质。

(2)红色硫化汞

我国大约在隋代时才人工地用水银和硫磺两物合炼得到了这种化合物。虽然水银和硫磺在室温下一旦接触就会发生化合反应,但生成的是黑色硫化汞,我国古代呼之为“青砂头”,颜色很难看,炼丹家一时不会对它感兴趣的。

(3)氯化汞

氯化汞有两种,一种是氯化高汞(HgCl2),俗名升汞;一种是氯化亚汞(Hg2Cl2),俗名叫甘汞。都是白色的结晶粉末。中国的炼丹家们早就制取到了这两种药剂,他们称呼升汞为粉霜或水银霜、霜雪;称呼甘汞为轻粉或水银粉。

《天工开物》升炼朱砂

炼丹家们先炼制到的是轻粉,其基本配方是丹砂(或水银)——矾(明矾、绿矾都可以)——盐。升炼轻粉的配方最早的见于东汉问世的炼丹术著作《太清金液神丹经》,但用的原料品种过于庞杂。经过多年的改进,在西晋问世的《崔氏方》中,配方就简化很多了。及至宋代,在《灵砂大丹秘诀》一书中就出现了上述最简明的基本配方,并且从此定型。

升炼粉霜的基本配方就是在上述升炼轻粉的配方中再增添一味焰硝。因为添加了这种氧化剂,所以产物变成了氯化高汞。

(4)铅制剂

铅因为它在化学反应中颜色变化多端,可生成黄色的黄丹(PbO)、橘红色的铅丹(Pb3O4)和白色的铅粉〔2PbCO3·Pb(OH)2〕和铅霜(醋酸铅)。

(5)砷制剂

古代方士们利用过的含砷矿物有雄黄、雌黄、砒石(不纯的氧化砷)和礜石(硫砷铁矿,FeAsS)等几种。

当中国的方士们决定走炼丹的途径以求长生后不久,他们就开始对修炼金液、神丹的技艺寻求理论指导,即金石矿物通过怎样的配伍原则可以产生出这种神奇物质。很快,他们便逐步把我国自西周以来已流行起来的阴阳学说运用到了具体的炼丹术上,也可以说就作为他们认识一切化学过程、化学变化的理论基础。当然,这种理论指导也有一个发展过程。开始时还相当抽象,只是个一般化的原则。几百年后则具体化、条理化了。

大约到了唐代,炼丹家们对那些矿物原料的化学性质,对看到的那些化学变化进行了归纳总结,并对这些知识以阴阳学理来统率。于是他们把各种矿物药分为阳药和阴药两大类,至于哪类药物属阳性,哪类药物属阴性?

他们通常是把容易燃烧、颜色赤黄、见火易飞(升华)的矿物,隶归阳性。例如黄金是“积太阳之气薰蒸而成,日之精也”;硫磺见火起焰,是“火石之精气”;丹砂色泽鲜红是因生于“炎方”(南方),“禀离火之气”;雄黄生于“向阳之山”,在火上一经加热,便飞飏升腾;曾青〔蓝铜矿,Cu3CO3(OH)2〕颜色青绿,在五行中属于东方木,所以它们都属于阳性。而那些好伏不动,志性沉滞,形质顽狠,不能燃烧或形成于阴山水旁的,则隶归阴性,例如黑铅,形色晦暗,五行中属于北方水;汞色白,其状如水似银;硝石(KNO3Na2SO4·10H2O)生成于湖边水旁或阴湿角落,被认为是深秋时节从“积寒凝霜之土地而生”;硇砂(NH4Cl)、矾石[KAl3(SO4)2(OH)6]生于阴山,白色结晶,被认为是“积冰凝之,结水变成”,所以这些药物都属于阴性,功能是可以制伏极阳的金石。

”固然,这种说法和这样的物质分类法用现在的眼光来考察并不很科学,但确曾指导着古代的方士炼制到不少重要的化合物。例如他们用水银和硫磺合炼出了红色硫化汞;用丹砂与明矾、消石升炼出了氧化汞;用丹砂与矾、盐合炼出了氯化亚汞;用雄黄和硝石升炼出了砒霜;用金属锡与雄黄升炼出了二硫化锡(金黄色彩色金)等等。所以阴阳学说在中国丹药化学上是起过积极作用的。

我国古代方士们在这种思维过程中产生了一个非常革命的思想,就是人为地创造一种环境,使这种自然进化的速度加快。在他们看来,金属冶炼就是这种可能性的有力凭证。基于这种想法,他们认为丹鼎就是一个缩小的小宇宙,在这个“小宇宙”中由于有水火相济,时光进行得很快,药物在其中一日可相当在外界俗世过了许多年。所以他们对丹鼎、坛炉和炼丹火候几乎都是模拟他们理解的大宇宙来设计和掌握。

他们相信在丹鼎中能够仿造出自然界中存在的,而且更加完善的物质,这种想法无疑是正确的,已在现代化学实验室中被千万次地证明了;而且通过“水火相济”也的确可以极大地加快化学变化的速度,更千真万确是科学的,所以我们对“金石自然进化论”的思想以及模拟宇宙,创造小宇宙的气魄和行为应给予高度评价,它是原始化学思想和活动的精华部分。

既然炼丹术是化学研究的原始形式,那么古老的中国炼丹术中使用的设备就可以视为最古老的化学实验仪器了。当然也应算作中国古代化学成就的一个重要方面了。

中国炼丹术中炼制神丹的基本化学过程是把金石药物按方士们设想出的某些配方或混合起来,或按一定布局放入反应器中加热,而把升华反应产物用适当的方法冷凝,然后收集起来。

使用最早、应用最久的反应器是丹釜,它由上、下两个用黄土泥烧制的土釜组成,药物放在下釜中,再倒扣上釜,缝际用封泥泥住,然后加热下釜,升华的丹药便冷凝在上釜的内壁上,所以是采用空气冷凝的方式。从它可以看出,早期炼丹术的反应器就是移植了制药的设备。这种上下土釜的反应器一直沿用到隋代。

到了隋唐之际,开始出现金属制造的丹釜,上瓦下铁的丹釜。

《道藏源流续考》中的上瓦下铁丹釜

唐代后,升炼反应器改称为鼎。放置金石原料以备加热的鼎叫火鼎,贮放冷水以冷凝升华物(即丹药)的鼎叫水鼎,所以合起来叫水火鼎。在未济炉上装配了流水冷凝管来冷却下部的水鼎。设计如此精巧,可以说已接近现代化学实验仪器了。

既济式

未济式

《道藏源流续考》中的水火鼎

唐宋时期,丹鼎一般要放置在一座坛台上,这种台叫丹台。

《中国炼丹术》中的未济式养火匮

《中国炼丹术》中的既济炉与未济炉

在演化过程中值得记上一笔的炼丹设备是宋人设计、制造的一种专门抽炼水银的“飞汞炉”(见《丹房须知》)。

《中国炼丹术》中的丹台

在丹鼎中,除加热的鼎外,还有一种叫做“悬胎鼎”。

悬胎鼎

炼丹术中也用到研磨的操作。先把各种药物分别地加以机械碾碎,然后再混合,这样显然可以加大不同药物间的接触,加快反应速度。在宋代丹经《丹房须知》中却记载了一种很讲究的乳钵,而它的名字却叫“沐浴”。

《丹房须知》中的“沐浴”

在中国古代炼丹术中没有玻璃仪器,没有蒸馏设备,这是较阿拉伯和西欧炼金术逊色的方面。

火药的出现

中国炼丹术兴起以后,方士很重视硝石,不断摸索它的性质。

中国传统火药的基本成分是硝石、硫磺和木炭。硫磺也可以用雄黄代替,木炭也可以用油脂、沥青代替。而火药的发明,关键是在对硝石(又名焰硝)的识别、性能的了解以及其加工、提纯工艺的进步。

我国利用硝石是很早的,初时写作“消石”,在战国时已用做医药。其化学组成是硝酸钾。自然界中的硝石往往是土壤中含氮有机物质在细菌作用下分解、氧化成硝酸后与土壤中的钾素化合而成的。东汉时成书的《神农本草经》上所记载的、“能化七十二种石”的“朴消”,根据它的“化石”性质,大概就是硝石。

但是在自然界中又相当广泛地存在一种叫做“芒硝”的物质,化学组成是Na2SO4·10H2O,在盐湖周围会大量析出;或以钙芒硝、白钠镁盐(即硝板)形式存在;也常从盐碱地上离析出来,外貌和硝石颇相似。而两者在我国传统的医药中,医疗功能也几乎完全相同。

古人,特别是从先秦到南北朝时期,往往把它们混淆,古书上的记载当然也就相当混乱,什么是真硝石?长时期中众说纷纭。所以要对硝石广泛采集、充分利用并准确地掌握它的化学特性,就得摸索到一些区分它们的方法。

在南北朝时,陶弘景提出了一种鉴定硝石的方法,相当科学,他说:“以火烧之,紫青烟起,云是真硝石也。这就是近代的焰色检定法,我国古代的方士早在1500年前就已经利用过了。但是真的运用这种方法时,又往往会遇到困难。因为在天然的硝石中总会含有一些芒硝和盐分,而钠所产生的黄色火焰,其亮度远远超过钾的紫色火焰,因此少量钠杂质的存在,这种靠焰色鉴定的方法就大失效力了。

及至唐代,炼丹家们发明了高效的“磺硝法”来制造铅丹。其工艺过程是先利用熔化的铅与硫磺相反应,使生成硫化铅,然后加硝石一起炒,很快就会生成赤红色的铅丹,而芒硝绝无这种功能,因此这倒不失为一种鉴定硝石的科学方法。

但在唐代时,炼丹家则更普遍地知道了利用硝石的助燃性可以鉴别它:把一小块待检验的硝石投到赤热的炭上,就会猛烈燃烧起来;而芒硝投火中,则先化成“水”,水蒸发尽后,变成白色似枯矾的粉末,与硝石迥然不同。因此,唐代的炼丹家对硝石性质的认识和多方利用就大步前进了,他们在这时期发明了火药也就不是偶然的了。

硫磺的研究和利用较硝石要晚些,可能是由于中原一带缺少天然的硫磺。汉初时大约主要从西域火山区得到硫磺。不过在汉代时,中原一带也已经开始从黑色含煤黄铁矿(当时叫涅石,因是烧制绿矾的原料,所以也叫矾石)提取硫磺了。那是一种制造绿矾的工艺:在土坯砌成的窑中,把矿石和煤炭垒叠起来,点火焙烧,便发生如下反应:

FeS2+2O2FeSO4+S↑

硫磺便从窑的顶部冷凝下来。

中国炼丹术自始至终主要是采用火炼的方法,而硝石、硫磺又都是最常用的药剂,而且一个是“阴君”(硝石),一个是“阳侯”(硫磺),所以它们在丹鼎中相遭遇,一起被加热的机会是非常多的,若炼丹家又发奇想,再掺入些草药、油脂、蜂蜜之类的东西,就构成了一个原始的火药配方,就难免发生“炸鼎”的灾难事故。

《天工开物》烧取硫磺

在唐代的炼丹术著作中已经出现了不少的“伏硫磺”和“伏硝石”的方法。但什么时候术士们发明了火药,至今还没能准确地考证出来,众说纷纭,分歧很大,多数人倾向于在中唐。

《武经总要》所载火药方

中国的火药在两宋、金、元各代,由于军事上的需要,都有很大的改进。13到14世纪时,随着中国与西亚的贸易往来,特别是蒙古人两次大规模的向西侵略,把火药技术和火器先传到阿拉伯,以后又传到欧洲各国。

火药发明之后,设计师和匠师们就要不断改进它,设法增强它的威力。除了火药配方的调整外,更关键的是提高硝石、硫磺的纯度。

在元明之际,火药作坊对硝土和硫磺的提纯工艺着实下过一番功夫。关于硝石的提纯,直到宋代仍无很大改进,只是简单的煎淋一蒸发浓缩一重结晶。及至元代,名医朱震亨在其《丹溪心法》中提及利用萝卜来提纯芒硝,即用芒硝溶液与萝卜片同煮,然后过滤、重结晶。

及至天启年间(公元1621—1628年),茅元仪所撰《武备志》又改进了提硝法。他指示用灰霜(即K2CO3)来沉淀清除硝石中的镁盐、钙盐和铁盐。显然,其效果更优于萝卜法,而很接近现代化学实验室中的方法了。

《天工开物》明代爆炸性火器“万人敌”

至于硫磺,无论是采集自火山区的,还是用黄铁矿烧炼出来的,相对来说纯度都相当高,主要是有一些泥沙混杂。所以直到火药、火器大发展的明代时才出现其提纯法,其中最重要的要算油煎法了。这种提硫法是先在大铁釜中放入菜子油(《武备志》用麻油),再将碾磨如粉的硫土放入油中,但不加热,强力搅拌,硫磺粉质轻而且有亲油性,于是浮在油层中,形成悬浮液;砂粒质地沉重,便下沉到釜底。静置片刻后,将混有硫磺的油液舀至另一釜中,加热至近沸时,硫磺熔化,于是凝聚起来,下沉于釜底。冷却后硫磺便凝结成块,取出,打碎使用。油可再反复使用。

在北宋的后期,火药又被应用到娱乐上。那些早期的爆仗、流星和烟火似乎都是基于军事应用的经验而创造出来的。到了南宋初期,大概已经有了那种在木架上施放的,有重重帷幕下降,不时出现亭台楼阁、飞禽走兽的大型烟火戏了。其时,吴自牧所撰《梦粱录》中就已有“十二月有卖爆竹、成架烟火之类”的话。宋末元初多才多艺的文人赵孟頫曾有一首描绘当时的烟火,歌颂烟火匠师的诗,诗中写道:

人间巧艺夺天工,炼药燃灯清昼同。

柳絮飞残铺地白,桃花落尽满阶红。

纷纷灿烂如星陨,赫赫喧豗〔hui灰〕似火攻。

后夜再翻花上锦,不愁零落向东风。

信息量很大,简直就是中国化学史,你值得拥有,节日快乐哟!

(内容来源:网络 由小析姐整理编辑)返回搜狐,查看更多

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