古詩中綻放的化學魅力

唐悅

除了耳熟能詳?shù)闹袊糯拇蟀l(fā)明中的火藥和造紙術(shù)，古代勞動人民在染色、釀造、冶金等方面的智慧結(jié)晶也充分體現(xiàn)了化學對文明的深刻影響。

同樣來源于對事物的觀察和體驗，文人騷客士大夫們則用一套感性的思維模式做出詮釋，寫下一首首為后世傳唱的佳作。因此在古詩詞這樣的藝術(shù)創(chuàng)作中，我們也能窺見處于那些時代下的科技水平以及人們理解世界的方式。本期我們就聊聊中國古詩詞中的化學。

千錘百煉鑄真身

日常生活里最讓人印象深刻的化學反應首先涉及形態(tài)或顏色的變化。

關(guān)于形態(tài)，明代于謙《石灰吟》中“千錘萬鑿出深山，烈火焚燒若等閑”便描述了制備生石灰的過程。“出深山”寫的是開采石灰?guī)r，即碳酸鈣（CaCO₃）;而“烈火焚燒”則是將石灰石在高溫下煅燒，分解生成二氧化碳（CO₂）和生石灰（氧化鈣/CaO）。石灰和石灰石是重要的建筑材料，也是如今許多工業(yè)的重要原料。生石灰（CaO）與水反應放出大量熱量，稱為石灰的熟化，得到的產(chǎn)物即熟石灰氫氧化鈣Ca（OH）₂，熟石灰吸收空氣中的二氧化碳后又能變成碳酸鈣。這首詩托物言志，將石灰賦予了人的品格，表達了堅強不屈和清白正直的氣節(jié)。

碳酸鈣（CaCO₃）在自然界中廣泛存在，除了石灰?guī)r這類礦物來源，還有譬如珍珠這種生物來源的。杜甫的《客從》“客從南溟來，遺我泉客珠。珠中有隱字，欲辨不成書。緘之篋笥久，以俟公家須。開視化為血，哀今征斂無”中“開視化為血”一句描述珍珠化為“血水”的現(xiàn)象，雖然這里有文學夸張的成分，意在表達統(tǒng)治階級對勞動人民的殘酷剝削，但珍珠確實是一種短命的寶物。出土的文物中幾乎沒有珍珠這一事實也可見它的不穩(wěn)定性，成語“人老珠黃”同樣是拿珍珠比喻人，形容青春如同珍珠一樣經(jīng)不起時間的考驗。

造成珍珠不穩(wěn)定的原因是碳酸鈣的同質(zhì)多象現(xiàn)象，指化學組成相同的物質(zhì)，在不同的物理化學條件下，能形成幾種不同結(jié)構(gòu)的晶體。組成珍珠的碳酸鈣晶體即文石，屬斜方晶系，通常呈白色、黃白色，有玻璃光澤。但文石并不穩(wěn)定，常轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀ǖ娜骄档姆浇馐鼈兊慕Y(jié)晶形態(tài)和光澤大不相同，這是導致珍珠變色的關(guān)鍵原因。因此在自然界中，文石遠少于方解石，物以稀為貴，珍珠的價值也正體現(xiàn)在它的獨特而短暫的物理化學特性上。化學里常說的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，可見一斑。

石灰石打造的地下城

五彩繽紛繪美圖

關(guān)于顏色，有無數(shù)詩句勾畫著芬芳世界的嫣紅姹紫：從“映日荷花別樣紅”到“霜葉紅于二月花”，從“萬紫千紅總是春”到“應是綠肥紅瘦”，有“亂花漸欲迷人眼”，也有“落紅不是無情物”;有“遙知不是雪”的梅，也有“暗暗淡淡紫，融融冶冶黃”的菊……豐富的色彩與詩人們充沛的情感渾然一體，使后人每每睹物，便有幸跨越時空與創(chuàng)作者在精神上引起共鳴。

石灰石

而這些豐富有層次的情感對應的五彩斑斕的花卉世界其實大多來自于一類名為花青素的物質(zhì)。這類多酚的骨架是高度共軛的2-苯基苯并吡喃陽離子，使得電子離域在整個分子范圍。以常見的矢車菊素（Cyanidin）為例，當外部pH（酸堿度）變化時，分子能通過酚和醌的轉(zhuǎn)化和電子離域接受或失去1～3個質(zhì)子，從而展現(xiàn)出不同的顏色，如在酸性環(huán)境下（pH<3）的紅色，到中性偏酸的紫色pH=6～7、再到中性偏堿的藍色pH=7～8，以及堿性環(huán)境下（pH>8）的青黃（見右側(cè)兩圖）。

亭亭玉立的荷花綻蕾盛開

花青素分子

pH試劑

當然，除了花青素，還有“青出于藍，而勝于藍”的靛青;從茜草、紅花提取的茜素紅、紅花苷;從梔子、姜黃中提取的藏花素、姜黃素;從櫟樹中得來的鞣質(zhì)……這些植物色素都為古代染色工藝的發(fā)展帶來了巨大的貢獻。

在古詩詞中顏色常用花來形容，與花卉一樣斑斕的，還有煙火。如唐代蘇道味《正月十五夜》中的“火樹銀花合，星橋鐵鎖開”，還有宋代辛棄疾《青玉案·元夕》中的“東風夜放花千樹，更吹落，星如雨”。除了花以外，煙花還常被比作星辰，這當然是古人形容煙花最直觀的方式。但煙花和星辰的關(guān)系或許并不如你預想的那么簡單，它們之間有著遠超直覺的聯(lián)系。

綻放中的五彩煙花

得益于四大發(fā)明之一的火藥，煙花作為火藥的衍生品，相關(guān)的記載最早出現(xiàn)于宋代。煙花的色彩來源于原子內(nèi)部的電子在受到外部能量激發(fā)后，從能量較低的軌道（基態(tài)）躍遷至能量較高的軌道（激發(fā)態(tài)），而處于高能級的電子并不穩(wěn)定，很快躍遷回原來的軌道，這部分能量差以光的形式放出，當光的波長在可見光范圍內(nèi)時（400nm～800nm），火焰便有了顏色。這一過程稱作“焰色反應”，不涉及電子在原子間的轉(zhuǎn)移（價態(tài)變化或者化學鍵的生成和斷裂），所以本質(zhì)上是一個物理現(xiàn)象，但它卻在分析化學中有著舉足輕重的應用。

在煙花中，我們知道放入鉀鹽能使其呈現(xiàn)紫色，銅鹽呈現(xiàn)藍綠色，鈉鹽呈現(xiàn)金黃色……每種元素都有它特定的顏色。而當把光譜從可見光拓展至更大范圍的電磁波譜，不同原子或離子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)的原子光譜所表現(xiàn)出的差異性就更大了。可以說，原子光譜是原子的“指紋”，它直接告訴科學家們所分析的對象里有什么元素以及它們的比例。

因此，當觀測的對象是數(shù)百光年外的星體時，光譜成為了一種極其重要的實驗工具。通過觀測得來的吸收線和發(fā)射線，天體化學家能推測出恒星或星際云的元素豐度、化學組成及溫度，人類理解宇宙的方式又因此多了一個維度。

想必我們的祖先在制造出第一枚煙花，并看它在夜空中升起、綻放，感慨煙花如星辰時，一定不會想到他也為后人打開了一扇直通浩瀚星辰的大門。

化學在歷史熔爐中升溫

化學搭建著連通物理、生物、材料學的橋梁，服務于社會生產(chǎn)、經(jīng)濟活動乃至王朝更替。早在華夏文明伊始的堯舜禹時代，古文獻上就記載著人們冶鑄青銅器，之后在夏商周和春秋戰(zhàn)國時期，青銅器達到了它的鼎盛時期，延續(xù)了近1600年。在先秦文學里，不乏描述由青銅制造的鼎和其背后禮樂思想的詩句。秦漢時期，隨著禮樂制度的瓦解和中央集權(quán)的封建社會建立，代表戰(zhàn)爭和生產(chǎn)力的鐵制品逐漸代替了代表禮樂的青銅。唐杜牧所寫的“折戟沉沙鐵未銷，自將磨洗認前朝”即描寫了赤壁之戰(zhàn)時留下的鐵質(zhì)遺物，在水和氧氣的存在下生成鐵銹。

事實上，冶金術(shù)的發(fā)展離不開道教的煉丹術(shù)，也正是人類追求長生不老的意愿支撐著前人進行大膽的科學實驗，在無數(shù)次失敗中累積經(jīng)驗與知識，為后人提供了第一手的化學資料。譬如“丹砂燒之成水銀，積變又成丹砂”，就是將硫化汞加熱，與氧氣反應生成二氧化硫和單質(zhì)汞，若將硫黃放入水銀，先生成黑色的β-硫化汞，再通過轉(zhuǎn)化晶型變成紅色的α-硫化汞（丹砂）。

青銅鼎

HgS+O₂→Hg+SO₂

Hg+S→β-HgS→α-HgS

β-硫化汞

α-硫化汞

不可否認，因為歷史的局限性，用水銀尋求長壽的方法如今看來十分荒唐，但不變的是人類永恒追求長壽的意愿，從草藥到阿司匹林、青蒿素，再從藥物研發(fā)到臨床試驗，化學在幫助人類抵御和治療疾病的道路上始終扮演著至關(guān)重要的角色。

氫原子光譜

碳原子光譜

氧原子光譜

從15000年前新石器時代的火與土的藝術(shù)，到如今這個冠以陶瓷（china）之名的國家（China），科學在不被世人所認知的時代，就以實踐的形式參與了大量生產(chǎn)和創(chuàng)作。縱觀人類的整個科技史，科學理論也許會被不斷地證偽，但不變的是人類的好奇心和理解世界、解釋世界的欲望。

諾貝爾物理學獎獲得者李政道曾言：“科學和藝術(shù)是不可分割的，就像一枚硬幣的兩面，它們共同的基礎是人類的創(chuàng)造力，它們追求的目標都是真理的普遍性。”詩人和藝術(shù)家們用感性的方式詮釋世界，在他們眼里，世界的樣子或許是混沌又統(tǒng)一的，是神秘且魅惑的，是解構(gòu)且離散的，又或者是嬌媚的，是巍峨的，甚至是無法言說的。對數(shù)學家和物理學家而言，他們看到的世界是有邏輯之美的，對稱、簡潔、自洽和統(tǒng)一的;對化學家和生物學家而言，世界又可能是處處復雜多變卻又能歸納和創(chuàng)造的。

我一直相信人類多元智力的本質(zhì)是創(chuàng)造力和想象力，高等的智慧總能融會貫通，希望讀者能在感受詩歌韻律和意境之美的同時，也能體會到化學之美。

（責任編輯/王蓓? 美術(shù)編輯/劉強）