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化学发展简史

一、化学的前奏

1.人类文明的起点——火的利用  

在几百万年以前,人类过着极其简单的原始生活,靠狩猎为生,吃 的是生肉和野果。根据考古学家的考证,至少在距今 50 万年以前,可以 找到人类用火的证据,即北京周口店北京猿人生活过的地方发现了经火 烧过的动物骨骼化石。  

有了火,原始人从此告别了茹毛饮血的生活。吃了熟食后人类增进 了健康,智力也有所发展,提高了生存能力。  

后来,人们又学会了摩擦生火和钻木取火,这样,火就可以随身携 带了。于是,人们不再是火种的看管者,而成了能够驾驭火的造火者。 火是人类用来发明工具和创造财富的武器,利用火能够产生各种各 样化学反应这个特点,人类开始了制陶、冶金、酿造等工艺,进入了广阔的生产、生活天地。

2.历史悠久的工艺——制陶  

陶器是什么时候产生的,已很难考证。对陶器的由来,说法不一, 有人推测:人类最原始的生活用容器是用树枝编成的,为了使它耐火和 致密无缝,往往在容器的内外抹上一层粘土。这些容器在使用过程中, 偶尔会被火烧着,其中的树枝都被烧掉了,但粘土不会着火,不但仍旧 保留下来,而且变得更坚硬,比火烧前更好用。这一偶然事件却给人们 很大启发。后来,人们干脆不再用树枝做骨架,开始有意识地将粘土捣 碎,用水调和,揉捏到很软的程度,再塑造成各种形状,放在太阳光底 下晒干,最后架在篝火上烧制成最初的陶器。  

大约距今 1 万年以前,中国开始出现烧制陶器的窑,成为最早生产 陶器的国家。陶器的发明,在制造技木上是一个重大的突破。制陶过程 改变了粘土的性质,使粘土的成分二氧化硅、三氧化二铝、碳酸钙(gài)、 氧化镁(měi)等在烧制过程中发生了一系列的化学变化,使陶器具备了防 水耐用的优良性质。因此陶器不但有新的技术意义,而且有新的经济意 又。它使人们处理食物时增添了蒸煮的办法,陶制的纺轮、陶刀、陶挫 等工具也在生产中发挥了重要的作用,同时陶制储存器可以使谷物和水 便于存放。因此,陶器很快成为人类生活和生产的必需品,特别是定居 下来从事农业生产的人们更是离不开陶器。

3.冶金化学的兴起  

在新石器时代后期,人类开始使用金属代替石器制造工具。使用得 最多的是红铜。但这种天然资源毕竟有限,于是,产生了从矿石冶炼金 属的冶金学。最先冶炼的是铜矿,约公元前 3800 年,伊朗就开始将铜矿 石(孔雀石)和木炭混合在一起加热,得到了金属铜。纯铜的质地比较软, 用它制造的工具和兵器的质量都不够好。在此基础上改进后,便出现了 青铜器。  

到了公元前 3000~前 2500 年,除了冶炼铜以外,又炼出了锡(xī) 和铅(qiān)两种金属。往纯铜中掺入锡,可使铜的熔点降低到 800℃左 右,这样一来,铸造起来就比较容易了。铜和锡的合金称为青铜(有时也 含有铅),它的硬度高,适合制造生产工具。青铜做的兵器,硬而锋利, 青铜做的生产工具也远比红铜好,还出现了青铜铸造的铜币。中国在铸 造青铜器上有过很大的成就,如殷朝前期的“司母戊”鼎。它是一种礼 器,是世界上最大的出土青铜器。又如战国时的编钟,称得上古代在音 乐上的伟大创造。因此,青铜器的出现,推动了当时农业、兵器、金融、 艺术等方面的发展,把社会文明向前推进了一步。  

世界上最早炼铁和使用铁的国家是中国、埃及和印度,中国在春秋 时代晚期(公元前 6 世纪)已炼出可供浇铸的生铁。最早的时候用木炭炼 铁,木炭不完全燃烧产生的一氧化碳把铁矿石中的氧化铁还原为金属 铁。铁被广泛用于制造犁铧、铁锛等农具以及铁 鼎等器物,当然也用于制造兵器。到了公元前 8~前 7 世纪,欧洲等才相 继进入了铁器时代。由于铁比青铜更坚硬,炼铁的原料也远比铜矿丰富, 在绝大部分地方,铁器代替了青铜器。

4.中国的重大贡献——火药和造纸  

黑火药是中国古代四大发明之一。为什么要把它叫做“黑火药”呢? 这还要从它所用的原料谈起。火药的三种原料是硫磺、硝(xiāo)石和木 炭。木炭是黑色的,因此,制成的火药也是黑色的,叫黑火药。火药的 性质是容易着火,因此可以和火联系起来,但是这个“药”字又怎样理 解呢?原来,硫磺和硝石在古代都是治病用的药,因此,黑火药便可理 解为黑色的会着火的药。  

火药的发明与中国西汉时期的炼丹术有关,炼丹的目的是寻求长生 不老的药,在炼丹的原料中,就有硫磺和硝石。炼丹的方法是把硫磺和 硝石放在炼丹炉中,长时间地用火炼制。在许多次炼丹过程中,曾出现 过一次又一次地着火和爆炸现象,经过这样多次试验终于找到了配制火 药的方法。  

黑火药发明以后就与炼丹脱离了关系,一直被用在军事上。古代人 打仗,近距离时用刀枪,远距离时用弓箭。有了黑火药以后,从宋朝开 始,便出现了各种新式武器,例如用弓发射的火药包。火药包有火球和火蒺藜两种,用火将药线点着,把火药包抛出去,利用燃烧和爆炸杀伤 对方。  

大约在公元 8 世纪,中国的炼丹术传到了阿拉伯,火药的配制方法 也传了过去,后来又传到了欧洲。这样,中国的火药成了现代炸药的“老 祖宗”。这是中国的伟大发明之一。  

纸是人类保存知识和传播文化的工具,是中华民族对人类文明的重 大贡献。在使用植物纤维制造的纸以前,中国古代传播文字的方法主要 有:在甲骨(乌龟的腹甲和牛骨)上刻字,即所谓的甲骨文;甲骨数量有 限,后来改在竹简或木简上刻字。可是,孔子写的《论语》所用的竹简 之多,份量之重是可想而知的;另外,用丝织成帛(bó),也可以用来写 字,但大量生产帛却是难以做到的。最后才有了用植物纤维制造的纸, 一直流传到今天。  

1957 年 5 月,中国考古工作者在陕西省西安市灞(bà)桥的一座古代 墓葬中发现一些米黄色的古纸。经鉴定这种纸主要由大麻纤维制造,其 年代不会晚于汉武帝(公元前 156~公元前 87 年),这是现存的世界上最 早的植物纤维纸。  

提起纸的发明,人们都会想起蔡伦。他是汉和帝时的中常侍。他看 到当时写字用的竹简太笨重,便总结了前人造纸的经验,带领工匠用树 皮、麻头、破布、破鱼网等做原料,先把它们剪碎或切断,放在水里长 时间浸泡,再捣烂成为浆状物,然后在席子上摊成薄片,放在太阳底下 晒干,便制成了纸。它质薄体轻,适合写字,很受欢迎。  

造纸是一个极其复杂的化学工艺,它是广大劳动人民智慧的产物。 实际上,蔡伦之前已经有纸了,因此,蔡伦只能算是造纸工艺的改良者。

5.炼丹术与炼金术  

当封建社会发展到一定的阶段,生产力有了较大提高的时候,统治 阶级对物质享受的要求也越来越高,皇帝和贵族自然而然地产生了两种 奢望:第一是希望掌握更多的财富,供他们享乐;第二,当他们有了巨 大的财富以后,总希望永远享用下去。于是,便有了长生不老的愿望。 例如,秦始皇统一中国以后,便迫不及待地寻求长生不老药,不但让徐 福等人出海寻找,还召集了一大帮方士(炼丹家)日日夜夜为他炼制丹砂——长生不老药。 炼金家想要点石成金(即用人工方法制造金银)。他们认为,可以通过某种手段把铜、铅、锡、铁等贱金属转变为金、银等贵金属。像希腊 的炼金家就把铜、铅、锡、铁熔化成一种合金,然后把它放入多硫化钙 溶液中浸泡。于是,在合金表面便形成了一层硫化锡,它的颜色酷似黄 金(现在,金黄色的硫化锡被称为金粉,可用作古建筑等的金色涂料)。 这祥,炼金家主观地认为“黄金”已经炼成了。实际上,这种仅从表面颜色而不从本质来判断物质变化的方法,是自欺欺人。他们从未达到过 “点石成金”的目的。  

虔诚的炼丹家和炼金家的目的虽然没有达到,但是他们辛勤的劳动 并没有完全白费。他们长年累月置身在被毒气、烟尘笼罩的简陋的“化 学实验室”中,应该说是第一批专心致志地探索化学科学奥秘的“化学 家”。他们为化学学科的建立积累了相当丰富的经验和失败的教训,甚 至总结出一些化学反应的规律。例如中国炼丹家葛洪从炼丹实践中提 出:“丹砂(硫化汞)烧之成水银,积变(把硫和水银二者放在一起)又还 成(交成)丹砂。”这是一种化学变化规律的总结,即“物质之间可以用 人工的方法互相转变”。 

炼丹家和炼金家夜以继日地在做这些最原始的化学实验,必定需要 大批实验器具,于是,他们发明了蒸馏器、熔化炉、加热锅、烧杯及过 滤装置等。他们还根据当时的需要,制造出很多化学药剂、有用的合金 或治病的药,其中很多都是今天常用的酸、碱和盐。为了把试验的方法 和经过记录下来,他们还创造了许多技术名词,写下了许多著作。正是 这些理论、化学实验方法、化学仪器以及炼丹、炼金著作,开挖了化学 这门科学的先河。  

从这些史实可见,炼丹家和炼金家对化学的兴起和发展是有功绩 的,后世之人决不能因为他们“追求长生不老和点石成金”而嘲弄他们, 应该把他们敬为开拓化学科学的先驱。因此,在英语中化学家(chemist) 与炼金家(alchemist)两个名词极为相近,其真正的含义是“化学源于炼 金术”。

二、创建近代化学理论——探索物质结构  

世界是由物质构成的,但是,物质又是由什么组成的呢?最早尝试 解答这个问题的是我国商朝末年的西伯昌(约公元前 1140 年),他认为: “易有太极,易生两仪,两仪生四象,四象生八卦。”以阴阳八卦来解 释物质的组成。  

约公元前 1400 年,西方的自然哲学提出了物质结构的思想。希腊的 泰立斯认为水是万物之母;黑拉克里特斯认为,万物是由火生成的;亚 里士多德在《发生和消灭》一书中论证物质构造时,以四种“原性”作 为自然界最原始的性质,它们是热、冷、干、湿,把它们成对地组合起 来,便形成了四种“元素”,即火、气、水、土,然后构成了各种物质。  

上面这些论证都未能触及物质结构的本质。在化学发展的历史上, 是英国的波义耳第一次给元素下了一个明确的定义。他指出:“元素是构成物质的基本,它可以与其他元素相结合,形成化合物。但是,如果 把元素从化合物中分离出来以后,它便不能再被分解为任何比它更简单 的东西了。”  

波义耳还主张,不应该单纯把化学看作是一种制造金属、药物等从 事工艺的经验性技艺,而应把它看成一门科学。因此,波义耳被认为是 将化学确立为科学的人。  

人类对物质结构的认识是永无止境的,物质是由元素构成的,那么, 元素又是由什么构成的呢?1803 年,英国化学家道尔顿创立的原子学说 进一步解答了这个问题。  

原子学说的主要内容有三点:1.一切元素都是由不能再分割和不能 毁灭的微粒所组成,这种微粒称为原子;2.同一种元素的原子的性质和 质量都相同,不同元素的原子的性质和质量不同;3.一定数目的两种不 同元素化合以后,便形成化合物。  

原子学说成功地解释了不少化学现象。随后意大利化学家阿佛加德 罗又于 1811 年提出了分子学说,进一步补充和发展了道尔顿的原子学 说。他认为,许多物质往往不是以原子的形式存在,而是以分子的形式 存在,例如氧气是以两个氧原子组成的氧分子,而化合物实际上都是分 子。从此以后,化学由宏观进入到微观的层次,使化学研究建立在原子 和分子水平的基础上。

三、现代化学的兴起  

19 世纪末,物理学上出现了三大发现,即 X 射线、放射性和电子。 这些新发现猛烈地冲击了道尔顿关于原子不可分割的观念,从而打开了 原子和原子核内部结构的大门,揭露了微观世界中更深层次的奥秘。  

热力学等物理学理论引入化学以后,利用化学平衡和反应速度的概 念,可以判断化学反应中物质转化的方向和条件,从而开始建立了物理 化学,把化学从理论上提高到了一个新的水平。  

在量子力学建立的基础上发展起来的化学键(分子中原子之间的结 合力)理论,使人类进一步了解了分子结构与性能的关系,大大地促进了 化学与材料科学的联系,为发展材料科学提供了理论依据。  

化学与社会的关系也日益密切。化学家们运用化学的观点来观察和 思考社会问题,用化学的知识来分析和解决社会问题,例如能源危机、 粮食问题、环境污染等。  

化学与其他学科的相互交叉与渗透,产生了很多边缘学科,如生物 化学、地球化学、宇宙化学、海洋化学、大气化学等等,使得生物、电 子、航天、激光、地质、海洋等科学技术迅猛发展。

化学也为人类的衣、食、住、行提供了数不清的物质保证,在改善人民生活,提高人类的健康水平方面作出了应有的贡献。 现代化学的兴起使化学从无机化学和有机化学的基础上,发展成为多分支学科的科学,开始建立了以无机化学、有机化学、分析化学、物 理化学和高分子化学为分支学科的化学学科。化学家这位“分子建筑师” 将运用善变之手,为全人类创造今日之大厦、明日之环宇。

(责任编辑:化学自习室)
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