《天工開(kāi)物》里的化學(xué)世界

王浩田

《天工開(kāi)物》是中國(guó)古代一部集大成的科技著作，其中農(nóng)業(yè)、手工業(yè)的內(nèi)容均與化學(xué)有密切聯(lián)系。讓我們以采煤、制陶為例，走進(jìn)《天工開(kāi)物》里的化學(xué)世界吧！

書(shū)中處處有化學(xué)

《天工開(kāi)物》為明代科學(xué)家宋應(yīng)星于1637年（明崇禎十年）所著，分上、中、下3篇共18卷，其中記載的大量有關(guān)農(nóng)業(yè)、手工業(yè)的科技，在當(dāng)時(shí)世界上都是相當(dāng)先進(jìn)的。書(shū)中記述的化學(xué)知識(shí)豐富，在一定程度上反映了中國(guó)明代對(duì)化學(xué)的認(rèn)識(shí)水平。

《天工開(kāi)物》中描述的榨甘蔗汁用于制糖的工序

在化學(xué)理論方面，《天工開(kāi)物》用陰陽(yáng)五行說(shuō)來(lái)解釋化學(xué)變化，如火藥燃爆，是由于“硝性至陰，硫性至陽(yáng)，陰陽(yáng)兩神物相遇于無(wú)隙可容之中”。在化學(xué)工藝方面，書(shū)中記述了冶金、分金、煤炭、石灰、陶瓷、釀酒等化工過(guò)程和技術(shù)。在化學(xué)術(shù)語(yǔ)方面，書(shū)中有諸如“升煉”“鍛”“淬”“結(jié)成”（重結(jié)晶）等名詞。在化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型方面，書(shū)中蘊(yùn)含著中和反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、酶催化反應(yīng)等等。

《燔石》篇中的煤

中國(guó)有著豐富的煤炭資源，《天工開(kāi)物》的《燔石》篇提到古人對(duì)煤炭的分類(lèi)、分布以及開(kāi)采、利用。

《燔石》中寫(xiě)道，“凡煤炭普天皆生，以供鍛煉金石之用”“煤有三種，有明煤、碎煤、末煤。明煤大塊如斗許，燕、齊、秦、晉生之。不用風(fēng)箱鼓扇，以木炭少許引燃，熾達(dá)晝夜”“碎煤有兩種，多生吳、楚。炎高者曰飯?zhí)浚靡源杜耄谎灼秸咴昏F炭，用以治鍛”“末煤如面者，名曰自來(lái)風(fēng)。泥水調(diào)成餅，入于爐內(nèi)，既灼之后，與明煤相同，經(jīng)晝夜不滅”。

從這些描述可以看出，在古代，煤炭各地都有出產(chǎn)，供冶金和燒石之用。古人是根據(jù)煤塊的大小，將其分為明煤（相當(dāng)于無(wú)煙煤）、碎煤（相當(dāng)于煙煤）和末煤（相當(dāng)于褐煤和泥煤）3類(lèi)，且各有性狀和用途。明煤塊頭大，產(chǎn)于河北、山東、陜西及山西。明煤不必用風(fēng)箱鼓風(fēng)，只需加入少量木炭引燃，便能日夜熾烈地燃燒。碎煤有兩種，多產(chǎn)于江蘇、安徽和湖北等地區(qū)。碎煤燃燒時(shí)，火焰高的叫作飯?zhí)浚脕?lái)煮飯；火焰平的叫作鐵炭，用于冶煉。

煤炭的形成過(guò)程示意圖（繪圖/ 黃金）

古代也有“沼氣中毒”

《燔石》篇中還向我們展現(xiàn)了古人采煤的情況和技巧：“凡取煤經(jīng)歷久者，從土面能辨有無(wú)之色，然后掘挖。深至五丈許，方始得煤。初見(jiàn)煤端時(shí)，毒氣灼人，有將巨竹鑿去中節(jié)，尖銳其末，插入炭中，其毒煙從竹中透上，人從其下施钁（jué）拾取者。”

意思是，采煤經(jīng)驗(yàn)多的人，從地面上的土質(zhì)情況就能判斷地下是不是有煤，然后再往下挖掘。挖到五丈（16.6米左右）深左右才能得到煤。煤層出現(xiàn)時(shí)，毒氣冒出能傷人。一種方法是將大竹筒的中節(jié)鑿?fù)ǎ骷庵裢材┒耍迦朊簩樱練獗阃ㄟ^(guò)竹筒往上空排出，人就可以下去用大鋤挖煤了。

這里“毒氣”的主要成分是甲烷。甲烷是天然氣、沼氣的主要成分，是存在于密閉的窖井、池塘、煤礦（井）和煤庫(kù)中的有害氣體之一，吸入會(huì)使人中毒。

如今，我們對(duì)煤炭的成分、性質(zhì)已有充分的認(rèn)知，分類(lèi)也更加細(xì)致。特別是隨著中國(guó)提出“碳中和”“碳達(dá)峰”戰(zhàn)略，科研人員在煤炭清潔利用方面持續(xù)發(fā)力，其中CO2的回收利用成為研究熱點(diǎn)。這項(xiàng)研究有利于減少大氣中由煤炭等化石燃料燃燒釋放的CO2含量，減弱溫室效應(yīng)，更好地保護(hù)地球環(huán)境。

《陶埏》的制陶技藝

說(shuō)到精美陶瓷制品，大家往往會(huì)首先想到被譽(yù)為“瓷都”的江西景德鎮(zhèn)。《天工開(kāi)物》的《陶埏（shān）》篇中提到，自古以來(lái)，景德鎮(zhèn)都是燒制瓷器的名都，“若夫中華四裔馳名獵取者，皆饒郡浮梁景德鎮(zhèn)之產(chǎn)也”，即中國(guó)遠(yuǎn)近聞名、人人爭(zhēng)購(gòu)的瓷器，都是江西饒郡浮梁縣景德鎮(zhèn)的產(chǎn)品。

那么，陶瓷是怎么來(lái)的呢？《天工開(kāi)物》中將其概括為“水火既濟(jì)而土合”，即：水與火共同作用，泥土就能牢固地結(jié)合成為陶器和瓷器了。

高嶺土

?景德鎮(zhèn)匠人們手工制作的景德鎮(zhèn)高嶺土碗

《天工開(kāi)物》的《陶埏（shān）》篇中對(duì)制瓦、制磚、制陶等均有詳細(xì)記載，其中關(guān)于“白瓷”即我們生活中用到的精美陶瓷制品是這樣表述的，“凡白土曰堊（è）土，為陶家精美器用。中國(guó)出惟五六處，北則真定定州、平?jīng)鋈A亭、太原平定、開(kāi)封禹州，南則泉郡德化（土出永定，窯在德化），徽郡婺（wù）源、祁門(mén)（他處白土陶范不粘，或以掃壁為墁）”。

意思是，陶坊用來(lái)制造精美瓷器的白色黏土叫堊土，中國(guó)只有五六個(gè)地方出產(chǎn)這種堊土：北方有河北省的定縣、甘肅省的華亭、山西省的平定及河南省的禹縣，南方有福建省的德化（土出永定縣，窯卻在福建德化）、江西省的婺源和安徽省的祁門(mén)，其他地方出的白土，拿來(lái)造瓷坯不夠黏，但可以用來(lái)粉刷墻壁。

陶瓷的制作過(guò)程中有許多化學(xué)反應(yīng)。黏土經(jīng)過(guò)成形、釉料、干燥、燒成、裝飾一系列復(fù)雜的步驟，才能變成精美的陶瓷。景德鎮(zhèn)陶瓷采用的高嶺土潔白細(xì)膩，土質(zhì)松軟，具有很好的可塑性。

高嶺土的晶體化學(xué)式是2SiO2·Al2O3·2H2O，晶體結(jié)構(gòu)為層狀結(jié)構(gòu)。在陶瓷燒成過(guò)程中，隨著溫度的變化，高嶺土除了出現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化外，還會(huì)出現(xiàn)有機(jī)雜質(zhì)和碳素的清除、一些碳酸鹽的分解、石英晶型的轉(zhuǎn)變、氧化鐵的還原、熔劑氧化物的熔融等一系列化學(xué)反應(yīng)。

如今，燒成工藝有了許多改進(jìn)，在制作高質(zhì)量陶瓷制品的同時(shí)，還能節(jié)約燃料，減少污染物產(chǎn)生，不給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)負(fù)擔(dān)。

《天工開(kāi)物》描繪了130項(xiàng)中國(guó)古代的生產(chǎn)技術(shù)和工具的名稱、形狀、工序，本文介紹的煤炭、陶瓷只是其中的一小部分。而傳世的中國(guó)古代科技更是多如璀璨的星辰，成為人類(lèi)寶貴的文化遺產(chǎn)，其中蘊(yùn)含的科技思想與智慧至今還在造福人類(lèi)，值得我們從中汲取力量！