借用漢代青銅蒸餾器提取的三種蒸餾實驗素材

顧曄

摘要： 在參考考古學(xué)家馬承源先生“漢代青銅蒸餾器的考古考察和實驗”一文的基礎(chǔ)上，提取漢代青銅蒸餾器可供開發(fā)的實驗素材，并與不同時代蒸餾裝置進(jìn)行比較和分析，旨在幫助學(xué)生進(jìn)一步理解蒸餾、分餾和水蒸氣蒸餾的原理、操作事項以及三種蒸餾方式之間的差異。本例從我國古代的科學(xué)文化中發(fā)掘教學(xué)素材和促進(jìn)學(xué)生對傳統(tǒng)科學(xué)文化的了解等方面做出初步嘗試。

關(guān)鍵詞： 蒸餾; 分餾; 水蒸氣蒸餾; 青銅蒸餾器; 實驗素材 ?文章編號： 10056629（2019）6009304??????中圖分類號： G6338??????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

當(dāng)代科學(xué)脫胎于西方文明這一母體[1]，整部科學(xué)發(fā)展史幾乎是一部西方近代發(fā)展史，這也是科學(xué)史融合于我國理科教學(xué)的障礙之一。在西方的初等教育中，教學(xué)內(nèi)容的背景文化層次與所對應(yīng)的學(xué)生的年齡相一致，而我國學(xué)生的成長背景是東方文化，是否可以嘗試選取我國傳統(tǒng)科技發(fā)展的相關(guān)素材融入教學(xué)？李約瑟曾提出從公元前1世紀(jì)到公元15世紀(jì)，在把人類的自然知識應(yīng)用于人的實際需要方面，中國文明要比西方文明有效得多[2]。本文嘗試從上海博物館收藏的“漢代青銅蒸餾器”中提取適合高中化學(xué)“蒸餾”的相關(guān)教學(xué)素材。

1?漢代青銅蒸餾器簡介

20世紀(jì)末，上海博物館時任館長馬承源先生撰寫了“漢代青銅蒸餾器的考察和實驗”一文，介紹了上海博物館收藏的一件漢代青銅蒸餾器（圖1）。經(jīng)過對其構(gòu)造、

裝飾等方面的鑒定，這件青銅器應(yīng)為西漢晚期至東漢早期的器物，出土地點不詳，由馬先生從上海冶煉廠的廢銅中揀選后發(fā)現(xiàn)，另有一類似的漢代蒸餾器存放于安徽省博物館（天長縣漢墓出土）。

該青銅器的整體形象與漢代用釜、甑組合成的“甗（圖2）”相似，經(jīng)馬承源先生測量，甑釜合體通高455cm（455cm的高度不含蓋，蒸餾器蓋業(yè)已遺失，后來馬先生因?qū)嶒炐枰謩e做了高10cm和13cm的蓋子）。青銅蒸餾器上方“甑（圖3）”體高211～223cm，內(nèi)徑262～299cm，凝露室容積7500mL，在甑內(nèi)壁的下部（圖4）有常見的箅（箅徑177cm，箅的網(wǎng)格形孔較小，為12與11根筋條交叉鑄成），另有一圈穹形的斜隔層（弧形邊寬26～29cm），可積累蒸餾液（貯料室容積1900mL），而且弧形邊的上面和甑壁連接處形成一周槽，槽道上開有一空洞，洞外連鑄一個向下傾斜的排流管（注： 漢代“甗”沒有排流管）向外導(dǎo)流，排流管長41cm，內(nèi)徑1～13cm;下部“釜（如圖1、圖5下所示）”體高262cm，口內(nèi)徑174cm，腹外徑311～313cm，注液管長67cm，直徑38～42cm，注液管下端至底部實測容積10500mL[4]。

2?用漢代青銅蒸餾器進(jìn)行蒸餾實驗

裝置分析

“漢代青銅蒸餾器”上方的甑與一般漢式甑（如圖2上部所示）的不同是，它除了有網(wǎng)格形的箅以外，在箅的上面與內(nèi)壁連鑄有一周微呈凸弧形的邊和箅之間形成了一個特殊的空間，蒸發(fā)的氣體通過箅孔遇甑壁冷凝成液體后流向槽道聚集起來，通過排流孔排出甑外，這就是一個蒸餾的過程。

實驗1： 燒酒、黃酒的蒸餾濃縮

為了保護(hù)文物的安全，馬承源先生按圖1做了一個青銅質(zhì)的復(fù)制品[6]，分別用515°燒酒和155°黃酒為蒸餾原料直接置于釜中加熱蒸餾（室溫： 11℃），為了增強(qiáng)冷卻效果還在蓋上澆有冷水和蓋濕冷的布塊（類似圖6中水冷作用）。實驗結(jié)果： 蒸餾出燒酒794°、黃酒425°。可見，該青銅蒸餾器對高度、低度酒液能起到蒸餾的作用，但該實驗并不是用來證明我國漢代就有制作蒸餾酒的工藝[7]。

“蒸餾”教學(xué)的素材提取

在高中化學(xué)的化學(xué)實驗基本操作部分，可以通過不同時代蒸餾裝置（如表1所示）的比較，概括蒸餾裝置的共同之處和各自的特點，進(jìn)一步了解蒸餾的原理和裝置特征，也可以幫助學(xué)生進(jìn)行相似概念的辨析。例如，蒸餾和蒸發(fā)最大的區(qū)別是，蒸發(fā)只是溶劑的氣化，而蒸餾卻是加熱氣化和冷凝的聯(lián)合操作。這種聯(lián)合操作的發(fā)展可以從表1的比較中得到啟發(fā)： 不同時代的蒸餾裝置在熱源選擇、冷凝方式上各有不同，但都包括加熱裝置和冷凝裝置。

3?用漢代青銅蒸餾器進(jìn)行分餾實驗

裝置分析

實驗1的蒸餾過程中該蒸餾器的“儲料室”（在“箅”的上面與內(nèi)壁連鑄有一周呈微凸弧形的邊和箅之間形成了一個特殊的空間）并沒有起到太大作用。考慮到乙醇和水的沸點差異并不大（相差約22℃，小于25℃），如果在“儲料室”內(nèi)填放密集的填料，釜內(nèi)的酒液與其他待蒸餾的液體加熱后通過填料層，可以起到簡單的分餾作用[10]，即酒液蒸氣一部分上升冷卻后冷凝，另一部分在填料層（起到“分餾柱”的作用）內(nèi)回流后再上升冷凝，二者混合后可以提高酒液的純度。

實驗2： 用紗布、絲瓜筋做“填料”進(jìn)行分餾

馬先生為了驗證分餾作用[11]，用5kg的98°崇明老白酒做原料，對是否用填料做了若干對比實驗，其中一組實驗數(shù)據(jù)摘錄如下：

（1） 紗布填料。當(dāng)餾出液體積0～200mL時，不用紗布做填料蒸出酒406°，而用三層紗布做填料后蒸出酒496°。

（2） 絲瓜筋填料。當(dāng)餾出液體積0～100mL時，不加填料蒸出酒194°，而用高度為10cm的絲瓜筋做填料后蒸出酒364°。

從上述實驗2的結(jié)果可以看出，漢代青銅蒸餾器已經(jīng)部分具備了分餾的效能。

“分餾”教學(xué)素材的提取

“蒸餾”和“分餾”是學(xué)生易混淆的兩個概念，而就裝置而言，“分餾柱”是二者最大的差別，分餾裝置一般有“分餾柱”，馬先生用“紗布”、“絲瓜筋”這些生活中常見物品代替了分餾柱，這是對分餾操作理解后最直接的遷移，即知道了“分餾柱”是用來做什么的，分餾的混合物各組分的沸點相差一般不大，簡單“蒸餾”較難做到完全的分離，而“分餾柱”的作用是提供了一個不斷冷凝回流的“場所”。青銅蒸餾器中的“紗布”、“絲瓜筋”與“分餾柱”一致之處便是增大了接觸面積并延長了蒸餾的時間，這就是“蒸餾”和“分餾”最大的區(qū)別。無獨有偶，烏爾斯塔督（Ulstadius）在1525年所作的介紹西方早期蒸餾技術(shù)的著作Coelum philosophorum中給出了早期酒精蒸餾罐[12]的圖片（圖7），顯示出較為原始的分（精）餾柱。

4?用漢代青銅蒸餾器進(jìn)行水蒸氣蒸餾

裝置分析

不同于蒸餾和分餾，在利用漢代蒸餾器進(jìn)行水蒸氣蒸餾時，“釜”中盛放的不是待蒸餾物品，而是水，起到水蒸氣發(fā)生的作用（類似圖8左側(cè)的部位6和圖9的下部）;在“儲料室”上放置待蒸餾的物品（如傳統(tǒng)中草藥、香料等），下方釜加熱產(chǎn)生的水蒸氣對其分解，產(chǎn)生水蒸氣蒸餾作用，這與大慶師范學(xué)院張欣等在“一種新型水蒸氣蒸餾裝置的設(shè)計及應(yīng)用”一文[13]中的改進(jìn)裝置更加類似（如圖9所示）。此時需要將甑（圖1上部）上的排流管與釜（圖1下部）上的注液管對應(yīng)地連接起來，并加以有效的密封（防止水蒸氣等逸散）。

蒸餾的結(jié)果可以將中草藥或香料中的高沸點物質(zhì)在100℃餾出，從而避免蒸出物的分解。

實驗3： 對天然香料的水蒸氣蒸餾

馬先生用桂皮和茴香等天然香料放在儲料室中進(jìn)行水蒸氣蒸餾，結(jié)果分別蒸出了沸點為240～260℃（原文中標(biāo)注的沸點是24～26℃[14]，經(jīng)查其原文后的參考文獻(xiàn)《化學(xué)藥品辭典》第152頁，桂皮油沸點是240～260℃[15]）的黃色桂皮油和沸點為160～220℃的黃色茴香油。

“水蒸氣蒸餾”教學(xué)素材的提取

水蒸氣蒸餾與普通蒸餾相比最大的區(qū)別就是“水蒸氣發(fā)生”裝置和“安全管”。青銅蒸餾器通過上端排流管和下端注液管的連接解決了水蒸氣“發(fā)生”的問題（甚至可以看作是對圖9裝置的一種啟發(fā)，當(dāng)然此處只是巧合?。珱]有額外的“安全管”裝置，是否需要呢？這樣的比較和思考可以幫助深入了解水蒸氣蒸餾的特點。如果是完全密閉的蒸餾裝置，水蒸氣大量的產(chǎn)生勢必導(dǎo)致容器內(nèi)壓強(qiáng)的急劇上升，則“安全管”裝置就不可或缺，如果青銅蒸餾器無法解決這個問題，用該裝置進(jìn)行水蒸氣蒸餾的假設(shè)是不成立的;如果能夠解決（可能與青銅材質(zhì)有關(guān)），該青銅蒸餾器的設(shè)計不得不說是巧奪天工，這個問題雖然只有用漢代青銅蒸餾器做過該實驗的馬先生能夠回答，但對三套裝置（圖1、圖8和圖9）的比較本身即可深化對水蒸氣蒸餾原理、操作注意事項的理解。

5?結(jié)語

綜合馬承源先生設(shè)計的3個與“蒸餾”有關(guān)的實驗，這件漢代青銅蒸餾器的用途可能是多方面的，既可以蒸餾酒，又可以蒸餾草藥中的有效成分（具體用途有待進(jìn)一步考證），其中涉及的多種蒸餾技術(shù)加以合理加工可以用于“物質(zhì)分離提純”的新授課教學(xué)，也可以用于相關(guān)化學(xué)史校本課程的教學(xué)素材，甚至對部分大學(xué)基礎(chǔ)實驗課程的教學(xué)也是有啟發(fā)的。

應(yīng)用中國本土化的科學(xué)史素材不僅更加符合我國學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律[16]，也可以促進(jìn)學(xué)生對中國傳統(tǒng)科技文化的認(rèn)識。華覺明在《中國三十大發(fā)明》的序言中也提到：“漠視、貶低本國、本民族發(fā)明創(chuàng)造的成就，無視前人、后人的智慧和創(chuàng)新精神（虛無主義）”和“夸大甚至虛構(gòu)本國、本民族的發(fā)明創(chuàng)造業(yè)績，忽視甚至無視其他國家和民族的創(chuàng)造力和聰明才智（沙文主義）[17]”均不可取。作為一線教師，從我國古代的科學(xué)發(fā)展史中發(fā)掘教學(xué)素材是頗具開拓意義和深遠(yuǎn)意義的，任重而道遠(yuǎn)！

致謝： 感謝南京大學(xué)教育研究院博士生導(dǎo)師張紅霞教授在開發(fā)中國傳統(tǒng)科學(xué)史教學(xué)資源等方面對筆者的啟發(fā)和支持！

參考文獻(xiàn)：

[1][2][4][6][10][11]?李約瑟. 張卜天譯. 文明的滴定[M]. 北京： 商務(wù)印書館， 2016. 176.

[3]?馬承源. 漢代青銅蒸餾器的考古考察和實驗[J]. 上海博物館集刊， 1992， （6）： 174～182.

[5]?林夏. ?；韬钅钩鐾琳麴s器， 中國白酒歷史提早千年？ [EB/OL]. （2015-12）. https：//www. thepaper. cn/newsDetail_forward_1403904.

[7]?羅志騰. 我國古代的釀酒發(fā)酵[J]. 化學(xué)通報， 1978， （5）： 53～56.

[8]?Distillation by Retort [EB/OL]. （2005-12）. https：//commons. wikimedia. org/wiki/File： Distillation_by_Retort. png.

[9][12]?柏廷頓著. 胡作玄譯. 化學(xué)簡史[M]. 北京： 中國人民大學(xué)出版社， 2010： 175.

[13][14]?張欣等. 一種新型水蒸氣蒸餾裝置的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 化學(xué)教育， 2007， （11）： 49.

[15]?高铦編譯. 化學(xué)藥品辭典[M]. 上海： 上海新亞書店， 1951： 152.

[16]?張紅霞. 教育重演論與中國教育改革[J]. 教育研究， 1998， （2）： 60.

[17]?華覺明， 馮立昇. 中國三十大發(fā)明[M]. 鄭州： 大象出版社， 2017.