走近中國化學(xué)的先驅(qū)者

邢肖肖，邱麗娟，高洪苓，全迎萍

天津大學(xué)理學(xué)院，化學(xué)化工國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(天津大學(xué))，化學(xué)化工國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(天津大學(xué))，天津 300354

廣播里傳來2020年諾貝爾化學(xué)獎的獲獎結(jié)果，由法國科學(xué)家Emmanuelle Charpentier和美國科學(xué)家Jennifer A. Doudna獲得。正準(zhǔn)備去超市購物的大學(xué)生小鐘和小華便開始談?wù)撈饋?。文科生小華感嘆：“好像每年的諾貝爾化學(xué)獎都由外國人獲得，何時我國能有一位諾貝爾化學(xué)獎獲得者?。俊被瘜W(xué)專業(yè)的小鐘立馬回應(yīng)：“雖然至今我國還沒人得過，但是這并不代表我國的化學(xué)發(fā)展不夠先進(jìn)！”

“那為什么在大眾的印象中西方國家的化學(xué)發(fā)展更強(qiáng)，尤其是一些先進(jìn)的研究領(lǐng)域？”小華帶著不服的口氣反問道。

“這是因?yàn)榻┠暌恍┪鞣絿业幕瘜W(xué)研究稍領(lǐng)先，而當(dāng)前的化學(xué)教學(xué)中，教育內(nèi)容的主體以西方科學(xué)研究的成果多一些。實(shí)際上，我國的化學(xué)研究領(lǐng)域和化工產(chǎn)業(yè)已位居世界前列，而且，智慧的炎黃子孫在化學(xué)發(fā)展歷史的進(jìn)程中，從未缺席過，盡管獲得諾貝爾化學(xué)獎的中國人少之又少，但是從古至今我們一直在為諾貝爾化學(xué)獎的產(chǎn)生奠定一層層基石?！毙＄娮院赖卣f。

“作為化學(xué)專業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生，你就給我普及一下，讓我也長長見識吧！”小華眼里充滿了好奇。

“看在你這么誠懇的份上，我就不辭辛苦給你好好介紹介紹中國的近代和古代化學(xué)家?！?/p>

1 中國近代化學(xué)家

“先介紹一位華人諾貝爾化學(xué)獎得主，他就是美籍臺灣人李遠(yuǎn)哲，被稱為‘化學(xué)中的莫扎特’，也是第一位獲得諾貝爾化學(xué)獎的華人。他的研究是：把交叉分子束實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于一般的化學(xué)反應(yīng)，特別是研究較大分子的化學(xué)反應(yīng)，利用激光激發(fā)已被加速但尚未碰撞的分子或原子，以此控制發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的類型。他帶領(lǐng)自己的科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并創(chuàng)制了世界上最好的分子束裝置，因此，李遠(yuǎn)哲被譽(yù)為‘分子束化學(xué)真正的實(shí)現(xiàn)者’[1]。”

小華吃驚地張大嘴巴：“哇，太優(yōu)秀了！”

“我國還有很多優(yōu)秀的化學(xué)家，即使他們沒有獲得過諾貝爾獎。”

“快說來聽聽，我這個文科生已經(jīng)迫不及待了?！?/p>

“中國近代化學(xué)的啟蒙者——徐壽，既是物理學(xué)家，獨(dú)立設(shè)計(jì)制造出我國造船歷史上第一艘機(jī)動輪船；也是化學(xué)家，對船炮槍彈有多項(xiàng)發(fā)明，自制了鏹水棉花藥(硝化棉)和汞爆藥(雷汞)。他對化學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)主要在書籍翻譯方面，共翻譯化學(xué)書籍和工藝書籍13部，如《化學(xué)鑒原》《化學(xué)鑒原續(xù)編》《化學(xué)鑒原補(bǔ)編》《化學(xué)考質(zhì)》《化學(xué)求數(shù)》《物體遇熱改易記》《中西化學(xué)材料名目表》，加上其子徐建寅譯的《化學(xué)分原》，合稱化學(xué)大成。將當(dāng)時西方近代無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、定性分析、定量分析、物理化學(xué)以及化學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器和方法作了比較系統(tǒng)的介紹[2]。徐壽在譯書中編制的《化學(xué)材料中西名目表》和《西藥大成中西名目表》對近代化學(xué)在我國的傳播發(fā)展發(fā)揮了重要作用。”

小鐘繼續(xù)侃侃而談：“聽說過物理化學(xué)家及教育家盧嘉錫嗎？他是中國結(jié)構(gòu)化學(xué)之父，在結(jié)構(gòu)化學(xué)中有杰出的貢獻(xiàn)，曾提出固氮酶活性中心的結(jié)構(gòu)模型，從事結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系研究等，對中國原子簇化學(xué)發(fā)展起了重要推動作用，開拓了中國原子簇化學(xué)研究領(lǐng)域[3]。獲得過‘中國科學(xué)院自然科學(xué)一等獎’‘國家自然科學(xué)二等獎’等獎項(xiàng)；另外，他還是一位偉大的教育家[4]，為我國培養(yǎng)了一大批優(yōu)秀的師資，他一生愛國奉獻(xiàn)、追求卓越、勇于擔(dān)當(dāng)、為人師表，是我們后輩應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)的榜樣！”

“這里面的知識有些深奧，雖然我不能完全理解其中的內(nèi)容，不過可以肯定他們的貢獻(xiàn)非常大！”

小鐘頓了一下：“好吧，那我這次給你介紹一位化學(xué)家，他的研究涉及我們生活中所必不可少的應(yīng)用材料，保證你一聽就明白?！?/p>

小鐘接著說，“他就是徐僖，是中國高分子材料奠基人。研究成功五倍子塑料，即從五倍子中提取原料，結(jié)束了我國塑料原材料純靠進(jìn)口的歷史；建立國內(nèi)首個高分子學(xué)科，為國家培養(yǎng)大批高分子人才；將高分子材料應(yīng)用于油田開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了原油低能耗輸送……徐僖所做的一切，就是要‘讓中國在高分子材料領(lǐng)域不再受制于人’。50年代初，創(chuàng)建了中國第一個塑料廠和中國高校第一個塑料專業(yè)[5]。長期從事高分子材料的研究和教學(xué)工作，在高分子復(fù)合材料的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，內(nèi)容涉及化學(xué)、流變學(xué)、油田化學(xué)、光化學(xué)和摩擦化學(xué)等多個領(lǐng)域，他的研究成果‘高分子固體潤滑劑’和‘金屬冷擠壓新工藝’獲全國科學(xué)大會獎[6]。并有《五倍子塑料》、《高分子化學(xué)原理》等專著。我們現(xiàn)在之所以能用上各種各樣的塑料制品，要特別感謝這位大科學(xué)家呢！”

小華豎起大拇指：“厲害厲害！塑料制品廣泛應(yīng)用于我們生活的方方面面，對社會發(fā)展的貢獻(xiàn)真是非同一般！”

“對侯德榜先生不陌生吧？”小鐘反問。

“當(dāng)然知道，中學(xué)時期就知道他的‘侯氏制堿法’，但只是一知半解，更多知識還請師父賜教。”小華做了個雙手抱拳的手勢。

小鐘滿臉得意：“好，那我給你詳細(xì)地科普一下。在侯德榜留學(xué)回國之前，受國外制堿行業(yè)制約和工藝壟斷，我國始終沒有自己的制堿工業(yè)，幾乎所有用堿都需要進(jìn)口，嚴(yán)重影響了我國以堿為原材料的其他行業(yè)的發(fā)展。從美國留學(xué)回來的侯德榜為了民族工業(yè)崛起，經(jīng)過幾年反復(fù)摸索，先研究出了國外幾年前就已經(jīng)在使用的‘蘇爾維制堿法’，帶領(lǐng)工人用此法生產(chǎn)的‘紅三角’牌純堿在美國舉辦的萬國博覽會上榮獲了金質(zhì)獎?wù)?。后來，為了克服‘蘇爾維制堿法’存在的原料利用率低、成本高等缺陷，侯德榜努力尋找一種更為實(shí)用的方法，在帶領(lǐng)工人進(jìn)行了500多次實(shí)驗(yàn)、分析了2000多個樣品之后，終于創(chuàng)造性地發(fā)明了世界聞明的‘侯氏制堿法[7,8]’，即將‘蘇爾維制堿法’與合成氨法聯(lián)合起來，既提高了食鹽的利用率，還省去了諸如石灰窯、化灰桶、蒸氨塔等設(shè)備。這一方法促進(jìn)了整個世界制堿工業(yè)的發(fā)展?！?/p>

“侯德榜先生太不容易了，也太偉大了，我現(xiàn)在除了激動，更多的是為我們國家有這樣愛國的偉大科學(xué)家而驕傲！”小華大聲感慨。

小鐘似乎已經(jīng)停不下來了：“我國近代的化學(xué)家還有很多，比如被譽(yù)為‘中國稀土之父’‘稀土界的袁隆平’的化學(xué)家的徐光憲，也是2008年度‘國家最高科學(xué)技術(shù)獎’獲得者；中國穩(wěn)定同位素學(xué)科的奠基人和開拓者張青蓮，他一直在進(jìn)行著重水和穩(wěn)定同位素的研究，涉及氫、氧、碳、氮、鋰、硼、硫、銦、銻、鈰、銪、銥等十幾種元素的同位素；還有我國放射化學(xué)奠基人楊承宗等。近代化學(xué)家太多太多了，恐怕我要講上一天都講不完?。　?/p>

“我今天真是漲知識了，以前都不知道我國近代有這么多如此優(yōu)秀的化學(xué)家！那我國古代的化學(xué)家及其貢獻(xiàn)又有哪些？他們的實(shí)力怎么樣呢？”小華追問。

“當(dāng)然，古代中國的化學(xué)毫不遜色于西方，大約5000-11000年前，我們已經(jīng)會制作陶器；3000多年前的商朝已有高度精美的青銅器，造紙、瓷器、火藥更是化學(xué)史上的偉大發(fā)明！”小鐘一邊說，一邊拿出個新奇玩意兒，“看看這是什么？時空穿梭機(jī)。百聞不如一見，現(xiàn)在我們一起去領(lǐng)略下中國古代化學(xué)家風(fēng)采吧！”

2 中國古代化學(xué)家

“哇，還有這個，那我們快點(diǎn)出發(fā)吧！”小華眼里充滿期待。

小鐘提醒道：“別急呀，我們就這樣去見古人，不得把人家嚇到啊，再說了，我們能跟他們正常交流嗎？”

“那怎么辦？難道我們還需要查閱他們的穿著打扮，學(xué)習(xí)他們的交流語言和方式嗎？小鐘，你就別賣關(guān)子了吧！”

此時小鐘拿出兩套特制服裝。說道：“穿上這個隱身衣就可以解決一切問題了。”

二人準(zhǔn)備就緒，坐上了穿梭機(jī)，伴隨著小鐘的一聲“出發(fā)”，他們就感覺進(jìn)了漆黑隧道一般，只能聽到耳邊呼呼的風(fēng)，不知過了多久，小華有些昏昏欲睡，此時他們到了一個氣派的大院子里，周圍有多棟房子，其中有一棟房子的門是半開的，里面時不時傳來說話和工具碰撞聲。小鐘和小華輕聲朝房子門口走去。映入眼簾的一幕令小華吃了一驚：房間的一側(cè)堆放著各種雜物，有樹皮、麻頭、破布還有破漁網(wǎng)，另一側(cè)，幾個穿著古老而又樸素的仆人，正在按照一個衣冠華麗的大官的吩咐有序地工作著，他們在將原料經(jīng)過煮、漂洗、銼斷切碎、舂搗、稀釋成漿、加入藥粉、抄、撈、壓擠去水、分張，然后曬干，最終把產(chǎn)品整理成捆。

小華滿臉疑惑：“這是哪里？這些人又在干什么？那個官員是什么人物？”

“這是東漢時期公元105年，沒想到吧？呈現(xiàn)在我們眼前的這些景象正是主管制造御用器物的蔡倫帶領(lǐng)著下屬造紙呢！最終的成品就是當(dāng)時的紙，雖然這個紙看起來很粗糙，不勻凈，紙面隱約可見麻筋，完全不能跟我們用的紙相比，但是在那個主要用竹簡串起來寫字的年代，蔡倫經(jīng)過多年摸索，提出了一整套從原料到制漿、抄制等簡單易行的造紙工藝，并建立了造紙的手工業(yè)作坊，這絕對是一次質(zhì)的飛躍，這種紙當(dāng)時被稱作‘蔡侯紙’[9]143-145。”

“想起來了，中學(xué)歷史學(xué)過蔡倫發(fā)明了造紙術(shù)?！毙∪A豁然開朗。

小鐘頓了一下接著說：“其實(shí)還有另一些說法，認(rèn)為蔡倫只是造紙術(shù)的改造者，并非發(fā)明者。但不論哪種說法，都必須肯定蔡倫是我國古代杰出的化學(xué)家，在造紙技術(shù)的發(fā)明或者發(fā)展上的貢獻(xiàn)是不容抹殺的。造紙術(shù)后來又傳到亞洲其他國家乃至歐洲，因此，造紙是我國人民對世界文明進(jìn)步的偉大貢獻(xiàn)。”

“看完造紙術(shù)的發(fā)現(xiàn)，我們是不是要去拜訪下一個化學(xué)家了呀？”小華看著小鐘。

“好呀，我國古代的的四大發(fā)明中有兩項(xiàng)都是化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的，除了造紙術(shù)，另一個就是火藥了?！?/p>

小華馬上回應(yīng)：“那現(xiàn)在就去看看發(fā)明火藥的化學(xué)家怎么樣？”

“說到火藥呀，這可不是某一個化學(xué)家的功勞……”還沒等小鐘把話說完，時空穿梭機(jī)“嗖”得一下帶他們開啟了下一段旅程，原來是小華不小心按下了按鍵。慌亂中，小鐘按下停止鍵，一瞬間，二人“唰”一下落到一個古樸的院落中，只見院子里有一座古老的的房子，不遠(yuǎn)處有個煉丹爐，爐火燒地正旺，爐子旁邊擺放著一些小罐子和幾個葫蘆狀容器。一個長胡子老道士偶爾從房子里出來看一下爐子。

“呀，歪打正著，這是煉丹家在煉丹。”小鐘降低了聲音：“咱們接著說，火藥的發(fā)明積聚了眾多古代煉丹家的智慧與經(jīng)驗(yàn)?zāi)兀　?/p>

“煉丹家跟化學(xué)家有什么關(guān)系呀？”小華疑惑地問。

“關(guān)系太大了，大部分的煉丹過程都涉及到化學(xué)反應(yīng)，這就是為什么好多煉丹家同時也是化學(xué)家的原因。不少煉丹家的著作中都有化學(xué)知識的記載，盡管那個時期他們并不明白其中的本質(zhì)。西漢時期煉丹家劉安的著作《淮南萬畢術(shù)》中‘曾青得鐵 則化為銅’，就說的是鐵和可溶性銅鹽發(fā)生的置換反應(yīng)；‘夜燒雄黃，殺蟲成列’，則講到了雄黃(As4S4)燃燒后產(chǎn)生的氣體，具有毒性，可以殺蟲[10]。南北朝煉丹家陶弘景的著作《本草經(jīng)集注》和《三十六水方》中都有化學(xué)知識，其中《三十六水方》中就有關(guān)于鉀鹽焰色反應(yīng)的描寫[9]172-173?！?/p>

“啊！中國古代化學(xué)家的知識就已經(jīng)如此淵博了，佩服佩服！我要好好參觀下煉丹過程了！”小華興奮起來。

小鐘做了個‘噓’的手勢，示意小華要安靜，低聲說道：“還不得感謝我，要不是我在出發(fā)之前設(shè)置了穿梭機(jī)的行動軌跡，咱們現(xiàn)在指不定落到什么山賊土匪之手，你已經(jīng)當(dāng)上壓寨夫人了呢！”說完，小鐘開始查閱他們所處的時間和地點(diǎn)，此時的小華都快氣暈了。

“我們現(xiàn)在已經(jīng)到了東晉時期，你看到的這個人就是古代煉丹家葛洪，另外，他還是著名的醫(yī)學(xué)家和道教學(xué)家。他有很多部著作，其中《抱樸子·內(nèi)篇》是自西漢迄東晉中國煉丹術(shù)早期活動和成就的基本概括和全面總結(jié)，詳實(shí)記載了晉代煉丹活動的各個方面[11]。尤其是《金丹篇》和《黃白篇》集中反映了漢晉時期中國煉丹術(shù)化學(xué)的面貌?！闭f完二人朝房子走去，透過門縫看見矮桌上摞著厚厚的書籍，葛洪先生專注地寫著什么，并沒察覺到門口有人。小華正要推門，立刻被小鐘制止了：“別暴露了！”

于是二人退離了房子，小華不情愿地說：“我還想看看葛洪先生的著作呢！”

“那恐怕我們得當(dāng)一回強(qiáng)盜才能實(shí)現(xiàn)，再說了，即使把書拿到你面前，你能看得懂嗎？”小鐘提醒道。

“哎呀，還真是！那你了解他的著作嗎？給我講講也行，不枉我穿越近兩千年來一趟?！?/p>

二人席地而坐，小鐘說道：“慚愧慚愧，其實(shí)我也是從后人寫的史書中得知一二，我這只能算是拾人牙慧了。書中記載有‘丹砂燒之成水銀，積變又還成丹砂’，大意是對丹砂(硫化汞)加熱，可以煉出水銀，而水銀和硫磺化合，又能變成丹砂。就目前來說，葛洪是最早記錄這一反應(yīng)的人，在這里他發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)的可逆性?！栽嗤胯F，鐵亦色如銅’，這里表示的大意是硫酸銅溶液遇到鐵，就會發(fā)生置換反應(yīng)，鐵表面附著著置換出來的銅單質(zhì)。在煉丹過程中，葛洪還發(fā)現(xiàn)了鉛可以變成堿式碳酸鉛，再轉(zhuǎn)化為四氧化三鉛，四氧化三鉛又可變回碳酸鉛，最后變回為鉛。在其著作中還記載了雌黃(三硫化二砷)和雄黃(五硫化二砷)加熱升華后，直接成為結(jié)晶的現(xiàn)象?！?/p>

“《抱樸子·內(nèi)篇·金丹》主要敘述了各種神丹大藥的煉制，并有葛氏對金丹生長觀的闡述?！毒哦Φそ?jīng)》中記載了神丹九種，其化學(xué)知識豐富，包含了[KAl(SO4)2·12H2O] (礬石)、硫磺、鹵咸(主要成分是MgCl2)、褐鐵礦與粘土混合物、FeAsS、CuSO4·5H2O、Fe3O4等多種化學(xué)物質(zhì)；所積累的化學(xué)知識為研究中國煉丹史以及古代化學(xué)史提供了寶貴的史料。此外書中還有對煉丹反應(yīng)器的及燃料的描述[9]164-165?！?/p>

聽完小鐘一席話，小華佩服中又帶有一些疑惑：“這么一說，葛洪被稱為古代化學(xué)家也是名正言順呢！但是他的著作中似乎沒有涉及到火藥的發(fā)明呢？”

“別急呀，聽我慢慢道來?！毙＄姷ɑ卮?，“火藥的發(fā)明不是偶然的結(jié)果，是煉丹家在長期實(shí)踐過程中慢慢摸索出來的，他們在認(rèn)識了‘硝石’和硫磺的性質(zhì)，并掌握了‘伏火’這一用來煉丹的技術(shù)之后，慢慢研究出了‘伏火硫磺法’和‘伏火硝石法’這兩種實(shí)驗(yàn)方法，為火藥的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

“在唐朝和五代的煉丹著作中都有關(guān)于火藥的記載。唐代醫(yī)學(xué)家孫思邈(541-682年)在《丹經(jīng)·內(nèi)伏硫黃法》中敘述了獲得‘伏火’硫黃的技術(shù)。實(shí)際上這是他研制出的頭一個火藥配方，在器具內(nèi)加硫磺、硝石，再逐漸投入有‘燒存性’的皂角子，使他們急速燃燒，因而發(fā)生火焰[12]。這樣產(chǎn)生的反應(yīng)物雖然還不是真正火藥，但這個配方中已包括了火藥的三種主要成分，硝、黃和炭。808年，煉丹家清虛子的著作《鉛汞甲辰至寶集成》中清楚地記載了配制火藥的方法：‘硫二兩，硝二兩，馬兜鈴三錢半，右為末，拌勻，掘坑，入藥于罐，內(nèi)與地平。將熟火一塊，彈子大，下放里面，煙漸起?！鹚幷嬲糜谲娛聞t是在唐末宋初。在1225-1248年，火藥由商人經(jīng)印度運(yùn)往阿拉伯國家，此后希臘人通過翻譯阿拉伯國家的書籍知道了火藥[13]?！?/p>

“真沒想到煉丹和火藥竟然有著這樣密切的關(guān)系！”小華打斷了小鐘滔滔不絕的講解。

“煉丹不只與火藥相關(guān)，說到底是與很多化學(xué)知識有著千絲萬縷的關(guān)系?！毙＄娍偨Y(jié)道。

正在此時，他們似乎聞到了一陣陣飯菜的味道，盡管和現(xiàn)代的飯菜味道大不相同。小華肚子“咕嚕”響了一下，于是問小鐘：“咱們是不是出來很久了？我感覺有些餓了?！?/p>

小鐘走到穿梭機(jī)里一看，說道：“時間真快，我們已經(jīng)離開學(xué)校6個小時了，是時候回去了，我只能回去之后再給你科普其他古代化學(xué)家了。”

小華立刻說：“好的，我也確實(shí)需要補(bǔ)充些食物了，同時好好消化一下這些精神食糧。”

說罷，兩人坐上時空穿梭機(jī)，一起飛向自己的時代，當(dāng)從穿梭機(jī)下來的一刻，二人覺得好像離開了一個世紀(jì)，對眼前的一切感到無比親切，現(xiàn)代化的生活與落后且單調(diào)的古代生活形成鮮明的對比。小鐘拿出一個用紙卷的話筒對著小華：“采訪一下，小華同學(xué)，通過今天的學(xué)習(xí)，你有什么收獲呀？”

小華由衷感慨：“今天真是令我大開眼界，也增長了很多知識，讓我一個文科生對中國化學(xué)家有了更多了解，認(rèn)識到先輩們對中國乃至世界化學(xué)發(fā)展所作出的巨大貢獻(xiàn)，不再只關(guān)注化學(xué)家們是否獲得科技獎項(xiàng)，同時對我國的化學(xué)學(xué)科有了新的認(rèn)識，為我們偉大的中華民族自豪。最后，我覺得自己該輔修一個化學(xué)學(xué)位了！”

二人“哈哈哈”的笑聲在校園里回蕩。