书城科普奇妙的发明(科学知识大课堂)
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第16章 化学大发明(2)

我国医药书籍中也有很多不用“本草”的,如唐代名医孙思邈著的《千金要方》,记载了很多特效药,如用白头翁、马齿苋、苦参、黄连医治痢疾,槟榔治绦虫,龟甲治软骨病等。他还创造性地用动物肝脏治雀目(夜盲症)。今天已知夜盲症是由于缺少维生素A引起的,而动物肝脏中正富含维生素A。他还用谷白皮熬粥治脚气病,并用大豆、防风、车前子等治疗此病。今天知道这些物质中富含维生素B1,人体正因缺乏维生素B1而患脚气病,脚气病的症状是两脚无力。唐代的《外台秘要》中记有20~30种含碘的海藻、昆布(海带)等医治大脖子病(甲状腺肿),欧洲人大约到12世纪初才知道用海藻治疗。

唐代是我国医药的发达时期。那时已用鸡的胃内膜医治消化不良,因为膜上富含消化酶,酶是一种蛋白质,是一种催化剂,不同的酶催化不同物质进行化学变化;还用胎盘作强壮剂,因为胎盘中含有激素,激素又称荷尔蒙,是人和动物内分泌腺分泌的物质,具有维持身体新陈代谢的功能。

明代李时珍(1518~1593)总结并发展了前人的经验,在实践的基础上从1552年至1578年完成了190万字的《本草纲目》。1647年被欧洲摘要译成拉丁文,书名《中国植物志》,后相继被译成英文、日文、法文、德文和俄文等,流传全世界。

李时珍出生在今湖北蕲春县,青年时随父学医,后被推荐为当时明王朝京都太医院补缺,曾反对当时嘉靖皇帝朱厚在宫中炼丹,指出丹砂里有水银,久服会“入骨钻筋,绝阳蚀脑”。后辞官返乡,重修本草。《本草纲目》中收集药物1892种,有植物类、动物类和矿物类药物。

李时珍为了进一步证实古代记述药物的真实效果,不断地在临床上应用,摸索经验,明确一些物质的医疗性能,如延胡的止痛作用、常山的抗疟作用、牵牛子的下泻作用、黄岑的降热作用、三七的止血作用、香薷的解暑作用、益母草的调经作用等,引证久服白石英(含二氧化硅(SiO2)、石钟乳(含碳酸钙CaCO3)等矿石的危害。

我国医药化学家们不仅认识到一些物质的医疗性能,还发现一些物质的物理、化学性能。例如李时珍在《本草纲目》中说:“朴硝,此物见水即消,又能消化诸物,故谓之消。”这里的朴硝是指硫酸钠(Na2SO4)。李时珍发现它易溶于水,能与多种物质进行化学反应。南北朝时代的名医陶弘景(456~536)在他的著述中说:“以火烧之,紫青烟起,云是真硝石也。”这里的硝石是指硝酸钾(KNO3),燃烧时产生紫色火焰,是钾的特征焰色反应。陶弘景发现可用它来鉴别钾的化合物,以区别硝酸钠(NaNO3)。我国古代“矾”很多,宋代《图经本草》(11世纪中期)中谈到绿矾(FeSO4·7H2O晶体)时提到:“置于铁板上,聚炭封之,囊袋吹令火炽,其矾即沸流出,色赤如融金汁者是真也。”“囊袋”是指鼓风的皮囊。这是说明硫酸亚铁受热分解,生成红色氧化铁,可以鉴定绿矾,以区别胆矾(CuSO4·5H2O晶体)、明矾[K2SO4·Al2(SO4)3·24H2O晶体]。

此外,无论是我国的古医药学家还是西方的古医药学家,都发现浓缩酒有防腐、消毒、麻醉以及浸取一些物质的作用,发现砷化合物具有杀虫、治疗疥癣等作用,发现三氧化二砷(As2O3,俗名砒霜)具有剧毒。

中国的钢铁冶炼

铁矿石是地壳的主要组成成分之一,铁在自然界中的分布很广,但是人类发现铁和利用铁却比黄金和铜晚。首先,这是由于天然的单质状态的铁在地球上是找不到的,而且它容易氧化生锈;其次是它的熔点(1539℃)比铜高得多,使它比铜难于熔炼。

人类最早发现的铁是从天空落下的陨石。陨石中含铁的质量分数很高,它是铁和镍、钴等金属的混合物。考古学家曾经在今天伊拉克境内美索不达米亚(Mesopotamia)乌尔(Ur)城的古代苏美尔人(Sumerians)的坟墓中,发现一把陨铁制成的小斧。在埃及第五至第六王朝(公元前2400年前)的金字塔所藏的宗教经文中,记述着太阳神等当时重要神像的宝座是用铁制成的。这显然也是从陨石得来的,因为铁在当时被认为是带有神秘性的最珍贵的金属。埃及人干脆把铁叫做“天石”。阿拉伯人传说,天上的金雨落进沙漠里变成了黑色的铁。在古希腊文里,“星”和“铁”是同一个词。

1972年,在我国河北省藁城县台西村的商代(约公元前16世纪~约公元前1066)遗址曾出土一件铜钺,上面镶铸有铁刃。钺(yuè)是我国古代一种像斧子的兵器。铁刃铜钺的发现表明我国劳动人民早在三千多年前已经认识了铁,掌握铁的锻造性能,识别铁与青铜在性质上的差别,能够把铁进行锻打加工并和青铜铸接成器,增强铜的坚韧性。铁刃虽已全部锈蚀,但经过科学鉴定,证明铁刃是用陨铁锻成的,因为铁中不含有人工冶炼过程夹带的硅酸盐等杂质,同时铁锈中含有镍和钴。

我国出土的用陨铁锻成的铜器还有:1931年,在我国河南浚县出土的商末周初的铁刃铜钺和铁援铜戈各一件,于解放前流入美国,现存华盛顿弗里尔艺术馆。还有,1978年在北京市平谷县南独乐河出土的商代铁刃铜钺。

由于陨石来源极稀少,从陨石中得来的铁对生产起不了什么作用。只是随着青铜熔炼技术的成熟,才逐渐为铁的冶炼技术的发展创造了条件。虽然最初提炼出来的铁在硬度和防腐蚀性能等方面都不如青铜,但是由于铁矿在自然界中的分布比铜广泛,而且铁器的好些性能比铜器好,遂使铁器能够迅速取代青铜器和石器。

我国古代人民什么时候开始使用铁,虽然说法不一,但多数历史学者和科技史研究者断定是在公元前1000年的前后。

从目前考古发掘的结果来看,我国最早人工冶炼的铁是在春秋(公元前722~公元前481)战国(公元前403~公元前221)之交的时期出现的。江苏六合县程桥镇春秋墓出土的铁条、铁丸和河南洛阳市水泥制品厂战国早期灰坑中出土的铁锛(音bēn,削平木料的平头斧)、铁(音bó,古代锄田除草的农具)是迄今为止能确定的我国最早的生铁工具。经过冶金学家们检验,铁条属于早期的块状炼铁锻成的;铁丸和铁锛、铁是生铁铸件。这些铁器证明我国在春秋晚期出现块状炼铁的同时或稍后就出现了生铁冶铸技术。人类在冶炼铁的过程中,最初因鼓风设备的限制,炼出的铁不能熔化,只是块状的海绵体熟铁,性质柔软,可锻而不可铸,不宜制作硬度较大的工具,只是在提高炼铁炉的温度后,才能得到熔融的生铁,用于铸造。

欧洲一些国家在公元前1000年前后也生产块状炼铁,但多废弃不用,直到公元14世纪才使用铸铁,其间经历了十分漫长的发展道路。而我国古代只用较短的时间就实现了这一技术的突破,出现了铸铁。

我国生铁的发明是人类用铁的重大发展,也是我国劳动人民对人类作出的一项重大贡献。英国科学史学家贝尔纳(J.D.Bernal)在他编著的《历史上的科学》(伍况甫等译.北京:科学出版社,1959年,82页)一书中写到:“在欧洲,实在直到14世纪,古代所用的铁,总是在手力鼓风的小型泥炉内,用木炭经低温还原法而制成的。把所得的海绵状的未经熔过的纯铁锭,打成比较软的熟铁条,再经锻工和熔接,就成一些更复杂的铁制品。”又写到:“在古时候,作为金属的铁却有一个很严重的缺点,就是炉中鼓风不够,就熔不了它,所以浇铸就留给青铜独用了,例外的是中国,早在公元前二世纪,中国已能铸铁。”这说明我国生铁的出现比欧洲早1000多年。

我国的生铁铸造技术,在很长的一段时期内一直处于世界领先地位。随着产量的增加和技术的提高,除铁制的生产工具、生活用具以及兵器外,又出现大型铸造的宗教艺术品。如现存的西安雁塔里的大铁钟,是唐代(618~907)的作品;世界上著名的河北省沧州大铁狮是五代后周广顺三年(公元953年)的作品;山西太原晋祠铁人是北宋年代(960~1127)的作品。

我国炼钢技术的发展也很早。汉朝赵晔所著的《吴越春秋·阖闾内传》中记载着:“阖闾请干将铸作名剑二枚。干将者,吴人也,与欧冶子同师,俱能为剑。干将作剑,采五山之铁精……使童女童男三百人鼓橐装炭,金铁乃濡,遂以成剑。”阖闾是春秋末年今江苏一带的吴国君(公元前514~公元前496在位)。可见,距今2000多年前,我国劳动人民已能炼钢,而且规模还不小。文中的“橐”(tuó)按今天的字意解释是“一种口袋”,在古代是指鼓风用的皮囊;“濡”(rú)按今天的字意解释是“沾”、“渍”,在古代又作“柔韧”讲。

1978年8月5日的《人民日报》第二版刊出一则消息:“湖南省博物馆长沙铁路车站建设工程文物发掘队,从一座古墓出土一口钢剑,从古墓随葬陶器的器形、纹饰以及墓葬的形制来看,可以断定它是春秋晚期的墓葬。从而说明我国炼钢技术的出现,至少应推前200年左右,即春秋战国之交,而不是过去认为的战国中、晚期。经取样分析,这口剑所用的钢是含碳量0.5%(质量分数)左右的中碳钢,金相组织比较均匀,说明可能还进行过热处理。”

我国到西汉(公元前206~公元23)中、晚期出现了利用生铁“炒”成熟铁或制成不同含碳量的钢的炒钢技术。这是将生铁加热成半液体、半固体的状态,再进行搅拌,利用空气或铁矿粉中的氧,进行脱碳,以获得熟铁或钢。1974年在山东苍山县出土的汉安帝永初六年(112)的钢刀和1978年在徐州汉代砖室墓中发掘出的汉章帝建初二年(77)的钢剑经鉴定都是以炒钢为原料,经多次反复加热折叠锻打而成的。

欧洲用炒钢法冶炼熟铁的技术在18世纪中叶才开始出现,比我国要晚1900余年。

在汉代炒钢技术的基础上,到南北朝(420~581)时期,我国又出现了灌钢技术。这是先将含碳量高的生铁熔化,浇灌到熟铁上,使碳渗入熟铁,增加熟铁的含碳量,然后分别用牲畜尿或油脂淬火而成钢。淬火是钢铁的一种热处理工艺,是将工件加热到适宜温度,随即在水、油或空气中冷却,以提高钢铁的硬度和强度。

在欧洲的坩埚炼钢技术发明之前,灌钢法是一种先进的炼钢技术,对后世有重大影响。

二氧化碳的来历

空气中二氧化碳的含量大约占整个空气体积的0.03%。它们来自人和动物的呼出,来自煤和各种含碳化合物的燃烧以及动植物遗体的腐烂,火山爆发的时候大量二氧化碳从地下被喷入空气中。绿色植物在日光下进行光合作用的时候,从空气中吸去不少二氧化碳。江河海洋的水中亦溶解不少二氧化碳,20℃时1升水中可溶解0.9升二氧化碳。二氧化碳溶于水后形成碳酸:

CO2+H2OH2CO3

碳酸是一种很不稳定的化合物,它很快又分解成二氧化碳。这样,海洋、湖泊和河流就像二氧化碳的唧筒,不断地把它吸收和释放。

人们早已认识了二氧化碳。它从许多矿泉水中冒出来;从古老的酿酒的发酵液中冲出来;在深井和山洞里聚集着;在一些沼泽地带和湖泊周边散发着。在意大利维苏里火山周围的那不勒斯城附近有一个洞,叫做狗洞。当人领着狗走进狗洞时,狗很快倒下了,人却安然无恙。当人弯下腰去救自己的狗时,人也头晕了。这是因二氧化碳比空气重,沉积在地面上的缘故。

但是长期以来,人们不知道它是什么物质。因为它是无色、无味、无臭的气体,和空气中的其他组成气体混杂在一起。

17世纪比利时医生赫尔蒙特(J.B.Van Helmont,1579~1644)似乎知道了它和空气有所不同,在他死后的1644年出版的著述中,创造了gas(气体)一词。他在书中列出了各种气体:有风的气体,指空气;有毒的气体,指使蜡烛熄灭和聚集在狗洞里的气体;炭气体,指燃烧木炭和其他可燃物生成的气体;发酵产生的气体,指地窖中酿酒中产生的气体;硫气体,指硫磺燃烧产生的气体;野气体,指物质在容器受热分解或进行化学反应时产生的气体冲破容器,逃到空气中去的“不驯的”气体等。

直到1755年,英国医生布拉克(J.Black,1728~1799)发表焙烧碱性碳酸镁[MgCO3·Mg(OH)2]和石灰石(碳酸钙CaCO3)的实验报告,在焙烧过程中质量减轻了,产生一种气体,因为这种气体被固定在碱性碳酸镁和石灰石中,就称它为固定空气。他认识到清澈的石灰水[Ca(OH)2]能吸收固定空气,使石灰水浑浊,重又转变成石灰石。他并且发现固定空气和人们呼出的以及物质燃烧所产生的气体是同一种气体。

1767年英国外科医生麦克布赖德(D.Macbride,1726~1778)发表关于固定空气性质的论述,指出腐烂的动物体产生固定空气,并确定空气中存在固定空气,因为清澈的石灰水放置空气中会变浑浊。