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古代的化學(xué)

古人曾根據(jù)物質(zhì)的某些性質(zhì)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類(lèi),并企圖追溯其本原及其變化規(guī)律。公元前4世紀(jì)或更早,中國(guó)提出了陰陽(yáng)五行學(xué)說(shuō),認(rèn)為萬(wàn)物是由金、木、水、火、土五種基本物質(zhì)組合而成的,而五行則是由陰陽(yáng)二氣相互作用而成的。此說(shuō)法是樸素的唯物主義自然觀,用“陰陽(yáng)”這個(gè)概念來(lái)解釋自然界兩種對(duì)立和相互消長(zhǎng)的物質(zhì)勢(shì)力,認(rèn)為二者的相互作用是一切自然現(xiàn)象變化的根源。此說(shuō)為中國(guó)煉丹術(shù)的理論基礎(chǔ)之一。

公元前4世紀(jì),希臘也提出了與五行學(xué)說(shuō)類(lèi)似的火、風(fēng)、土、水四元素說(shuō)和古代原子論。這些樸素的元素思想,即為物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其變化理論的萌芽。后來(lái)在中國(guó)出現(xiàn)了煉丹術(shù),到了公元前2世紀(jì)的秦漢時(shí)代,煉丹術(shù)以頗為盛行,大致在公元7世紀(jì)傳到阿拉伯國(guó)家,與古希臘哲學(xué)相融合而形成阿拉伯煉丹術(shù),阿拉伯煉金術(shù)與中世紀(jì)傳入歐洲,形成歐洲煉金術(shù),后逐步演進(jìn)為近代的化學(xué)。

煉丹術(shù)的指導(dǎo)思想是深信物質(zhì)能轉(zhuǎn)化,試圖在煉丹爐中人工合成金銀或修煉長(zhǎng)生不老之藥。他們有目的的將各類(lèi)物質(zhì)搭配燒煉,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為此涉及了研究物質(zhì)變化用的各類(lèi)器皿,如升華器、蒸餾器、研缽等,也創(chuàng)造了各種實(shí)驗(yàn)方法,如研磨、混合、溶解、潔凈、灼燒、熔融、升華、密封等。

與此同時(shí),進(jìn)一步分類(lèi)研究了各種物質(zhì)的性質(zhì),特別是相互反應(yīng)的性能。這些都為近代化學(xué)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ),許多器具和方法經(jīng)過(guò)改進(jìn)后,仍然在今天的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中沿用。煉丹家在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中明了火藥,現(xiàn)了若干元素,制成了某些合金,還制出和提純了許多化合物,這些成果我們至今仍在利用。

化學(xué)的中興

16世紀(jì)開(kāi)始,歐洲工業(yè)生產(chǎn)蓬勃興起,推動(dòng)了醫(yī)藥化學(xué)和冶金化學(xué)的創(chuàng)立和展,使煉金術(shù)轉(zhuǎn)向生活和實(shí)際應(yīng)用,繼而更加注意物質(zhì)化學(xué)變化本身的研究。在元素的科學(xué)概念建立后,通過(guò)對(duì)燃燒現(xiàn)象的精密實(shí)驗(yàn)研究,建立了科學(xué)的氧化理論和質(zhì)量守恒定律,隨后又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律,為化學(xué)進(jìn)一步科學(xué)的展奠定了基礎(chǔ)。

19世紀(jì)初,建立了近代原子論,突出地強(qiáng)調(diào)了各種元素的原子的質(zhì)量為其最基本的特征,其中量的概念的引入,是與古代原子論的一個(gè)主要區(qū)別。近代原子論使當(dāng)時(shí)的化學(xué)知識(shí)和理論得到了合理的解釋?zhuān)蔀檎f(shuō)明化學(xué)現(xiàn)象的統(tǒng)一理論。分子假說(shuō)提出了,建立了原子分子學(xué)說(shuō),為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。門(mén)捷列夫現(xiàn)元素周期律后,不僅初步形成了無(wú)機(jī)化學(xué)的體系,并且與原子分子學(xué)說(shuō)一起形成化學(xué)理論體系。

通過(guò)對(duì)礦物的分析,現(xiàn)了許多新元素,加上對(duì)原子分子學(xué)說(shuō)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,經(jīng)典性的化學(xué)分析方法也有了自己的體系。草酸和尿素的合成、原子價(jià)概念的產(chǎn)生、苯的六環(huán)結(jié)構(gòu)和碳價(jià)鍵四面體等學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立、酒石酸拆分成旋光異構(gòu)體,以及分子的不對(duì)稱(chēng)性等等的現(xiàn),導(dǎo)致有機(jī)化學(xué)結(jié)構(gòu)理論的建立,使人們對(duì)分子本質(zhì)的認(rèn)識(shí)更加深入,并奠定了有機(jī)化學(xué)的基礎(chǔ)。

19世紀(jì)下半葉,熱力學(xué)等物理學(xué)理論以入化學(xué)之后,不僅澄清了化學(xué)平衡和反應(yīng)率的概念,而且可以定量地判斷化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的方向和條件。相繼建立了溶液理論、電離理論、電化學(xué)和化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論基礎(chǔ)。物理化學(xué)的誕生,把化學(xué)從理論上提高到一個(gè)新的水平。

到硫酸,不少人認(rèn)為它是現(xiàn)代化工產(chǎn)品,其實(shí)古代就生產(chǎn)了。

我國(guó)唐朝人輯錄的煉丹術(shù)文集《黃帝九鼎神丹經(jīng)訣》收錄了東漢(公元25~22o)末年煉丹術(shù)士狐剛子(又名胡剛子)的“出金礦法”,其中有“煉石膽取精華法”。所謂“石膽”是指硫酸銅的五水結(jié)晶體(),至今在我國(guó)還稱(chēng)為“膽礬”,因?yàn)樗撬{(lán)色,跟膽一樣?!盁捠懭【A法”就是蒸餾膽礬,制取硫酸。因?yàn)榱蛩徙~的五水結(jié)晶體在受熱分解后,生成氧化銅(cuo)、三氧化硫(so3)和水。三氧化硫溶于水就成硫酸,用現(xiàn)代的化學(xué)方程式表示:

→cuo+so3+5h2o

so3+h2o→h2so4

這段原文是這樣:“以土壘作兩個(gè)方頭爐,相去二尺,各表里精泥其間,旁開(kāi)一孔,亦泥表里,使精薰,使干,開(kāi)爐中著銅盤(pán),使定,即密泥之;一爐中以炭燒石膽使作煙,以物扇之,其精華盡入銅盤(pán)。爐中卻火待冷,開(kāi)取任用。入萬(wàn)藥,藥皆神”。這里的“土”就是“土坯”;“精泥其間”是用致細(xì)的粘泥密封間隙;“精薰”是慢慢加熱;“煙”是指三氧化硫和水蒸氣化合生成的霧狀氣體;使用“銅盤(pán)”,顯然是防止稀硫酸對(duì)接受器的腐蝕。

這就是說(shuō),在公元2世紀(jì)左右,我國(guó)已創(chuàng)建“土室法”制造硫酸。但這種方法在我國(guó)未被推廣。

13世紀(jì)時(shí)歐洲德國(guó)天主教神父大阿爾伯特(a1bertusmagnus1193~128o)在他的著述中提到過(guò)蒸餾綠礬制取硫酸。綠礬是硫酸亞鐵的七水結(jié)晶體(),因色綠而得名。蒸餾綠礬制取硫酸的化學(xué)過(guò)程和蒸餾膽礬是一致的。因此歐洲人在中世紀(jì)稱(chēng)硫酸為綠礬油。

據(jù)歐洲人翻譯的1o世紀(jì)波斯煉金術(shù)士拉茲(a1-rhazes845~93o)的著述中也提到蒸餾綠礬制取硫酸。

中古后期,歐洲資本主義生產(chǎn)關(guān)系在封建制度內(nèi)部生產(chǎn)力展的基礎(chǔ)上逐漸成長(zhǎng)起來(lái),到18世紀(jì)歐洲的手工工場(chǎng)向大機(jī)器生產(chǎn)過(guò)渡,生產(chǎn)促進(jìn)社會(huì)各方面需要硫酸。

1736年,英國(guó)人瓦德(ard,joshuaenham)建立“大礬工場(chǎng)”(greatvitrio1orks),開(kāi)始較大規(guī)模地制造硫酸。

瓦德是一個(gè)江湖醫(yī)生,1717年曾企圖蒙混進(jìn)入英國(guó)國(guó)會(huì)而被判罪,逃往法國(guó),1733年被赦免返回英國(guó),在特維肯翰從事制造硝石和瓷器,并行醫(yī)。他認(rèn)為格勞伯鹽(g1auber‘ssa1ts)在醫(yī)藥中具有非凡的功效,就想制造它。格勞伯鹽是指硫酸鈉,是17世紀(jì)德國(guó)化學(xué)家格勞伯(g1auber,johannrudo1ph16o4—167o)于1625年在奧地利維也納附近的礦泉水中現(xiàn)的。他蒸餾了礦泉水,獲得它的十水結(jié)晶體(),先用它作為瀉藥,并認(rèn)識(shí)到它可以利用食鹽和硫酸作用制取,是制取鹽酸的副產(chǎn)品。

瓦德為了制取格勞伯鹽,于是制造硫酸。他采用燃燒硫黃和硝石的混合物制造硫酸,這種方法最早是荷蘭明家德萊貝爾(drebbe1,e1ius1572~1633)創(chuàng)造的。法國(guó)藥劑師列邁里(lemery,nico1as1645~1715)在1675~169o年表的著作中提到這一方法,是在反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的大漏斗中燃燒硫黃和硝石的混合物。所以這種方法也叫鐘罩法。瓦德可能是在逃罪往法國(guó)期間生活在巴黎附近圣日耳曼(st.grermain)時(shí)學(xué)會(huì)了這一方法。

瓦德制造硫酸的設(shè)備是具有4o—5o加侖(英國(guó)容量單位,1加侖=4.546l)容量的球形廣口玻璃瓶。操作時(shí)在瓶?jī)?nèi)放置少量水,并放置一個(gè)小粗陶器罐,罐上放置一鐵盤(pán),內(nèi)放硫黃和硝石的混合物,用赤熱的小鐵鏟點(diǎn)燃混合物后用木塞將瓶口塞緊,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后重復(fù)裝置,直到達(dá)到希望濃度的硫酸。

由于生產(chǎn)中產(chǎn)生有害的煙霧,使環(huán)境污染,瓦德的硫酸制造作坊遭到當(dāng)?shù)鼐用竦姆磳?duì),在174o年遷到英格蘭北部里士滿(mǎn)(rid),并在1749年取得英國(guó)專(zhuān)利。瓦德為了保守他的制造秘密,雇用不會(huì)英格蘭語(yǔ)的威爾士工人。不過(guò),他還是將秘密告訴了他的朋友帕奇(page,john),在1763年他死后被公開(kāi)了。但是當(dāng)時(shí)玻璃吹制工是如何制成如此大容量的玻璃器皿還是個(gè)謎。

瓦德的硫酸工場(chǎng)使用了大約1oo個(gè)球形廣口玻璃瓶,使當(dāng)時(shí)的硫酸價(jià)格降到每磅2先令6便士(英國(guó)貨幣單位)。這相當(dāng)于以前每盎斯的價(jià)格,1磅等于16盎斯,這就是說(shuō),使硫酸價(jià)格下降了為原價(jià)格的116。

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