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第1章 化学家的故事(1)

早期的化学家——炼丹家葛洪

在封建社会里,贵族官僚为了永远享受骄奢淫逸的生活,妄想长生不老。有些人就想炼制出“仙丹”来满足他们的奢欲,于是形成了一种炼丹术。

炼丹术有着悠久的历史,早在公元前三四世纪的战国时期,就出现了关于方士和求“不死之药”的记载。秦始皇曾派遣徐福带着几百个童男童女到蓬莱求仙人赐不死之药。汉武帝招揽众多方士,讲求长生不老之术。炼丹的风气在封建统治阶级的扶助下盛行起来。魏晋南北朝,方士演变成符水治病的道士,他们把先秦的道家创始人老子认作始祖,从此道教成为我国封建社会中的主要宗教之一,与儒、佛并行于世。

炼丹的人把一些矿物放在密封的鼎里,用火来烧炼。矿物在高温高压下就会发生化学变化,产生出新的物质来。但是在炼丹的过程中,人们发现了一些物质变化的规律,这就形成了现代化学的先声。

炼丹术在我国发展得比较早,葛洪就是其中的一个炼丹家。

葛洪字稚川,号抱朴子,东晋丹阳句容人。出生在一个没落的贵族家庭,祖父在三国时代曾是吴国的大官。在他13岁那年,父亲病亡,家境也随之恶劣。葛洪从小就有一种强烈的求知欲,没有书,就到处向别人借书来读,无钱买笔墨,就拿木炭在地上练写字。从16岁读儒家的《孝经》《论语》等书开始,广泛地阅读了许多书,从经书、史书到杂文,凡能借到的书都认真地读了。后来他还学习了“望气”、“卜卦”之类。葛洪经过长期的刻苦自学终于成为一个学识渊博的人。据《晋书》中的“葛洪传”介绍,葛洪“博闻深洽、江左绝伦;著述篇章人富于班马”。这就是说,葛洪的学问很丰富,在江南是无人可比的,他的著作比班固和司马迁的著作还多。《晋书》里列举他的著作有《抱朴子》内篇116篇,碑诔诗赋100卷,移檄章表30卷,“神仙”、“良吏”、“隐逸”、“集异”传各10卷,五经史汉百家之言方使杂事310卷,“金匮药方”100卷,“肘后要急方”4卷。一个人有这么多的著作,抄述了310卷书,可以想象他是很勤奋的。

西晋末叶,统治阶级内部争权夺利,“八王之乱”、“蛮族叛乱”,战争接连不断,社会生产力受到严重破坏,阶级斗争异常尖锐,农民起义也风起云涌。生活在这种形势下,葛洪和一些地主阶级一样,从现实的失望中,转而求援于上帝,投身于神仙方士之术。葛洪把老庄之学充分地演化为神仙方士之术,他的思想实质上是内神仙外儒术。他的炼丹理论正是从这一思想出发的。他认为一切物质都可以变,而在诚心的要求和适当的条件下,人们可以变得仙丹和黄金。根据这一理论,葛洪在收集、研究各种药方,为民治病的同时,进行了大量的炼丹实验。

从这些炼丹的实验中,葛洪熟悉了许多无机物质的组成和一些比较简单的化学反应。我们仅从《抱朴子内篇》里,可以发现葛洪已具备下列的化学知识:

(1)他说:“丹砂烧之成水银,积变又还成丹砂”,丹砂即硫化汞,加热即分解而得到汞。汞与硫磺化合又生成黑色的硫化汞,再在密闭容器中调节温度,便升华为赤红色的结晶硫化汞。也就是说葛洪在炼制水银的过程中,发现了化学反应的可逆性,他指出,对丹砂(硫化汞)加热,可以炼出水银,而水银和硫磺化合,又能变成丹砂。

(2)“以曾青涂铁,铁赤色如铜”,曾青大概指含硫酸铜的胆矾,以曾青涂铁即以铁和硫酸铜的溶液起作用,铁取代了硫酸铜里的铜,故表面附有一层红色的铜,因为采用涂敷的方法,所以硫酸铜只在铁表面发生作用。葛洪进而说:“外变而内不化”。可见对于这一金属置换反应,葛洪是做了仔细观察的。

(3)“铅性自也,而赤之以为丹,丹性赤也,而白之以为铅。”这是说铅可以变为铅白,即碱式碳酸铅,铅白又可以变成赤色的铅丹,即四氧化三铅;铅丹则可以变还为铅白,最后回复为铅。这是一个很明显的化学反应过程。

(4)“取雌黄、雄黄,侥下,其中铜铸以为器复之……百日此器皆生赤乳,长数分。”也就是说雌黄(三硫化二砷)和雄黄(五硫化二砷)加热后均能升华。葛洪这段话就是对它们升华反映的描述。

在当时,葛洪能有这样丰富的化学知识是难能可贵的,他是我国炼丹术发展中承前启后的人物。他那富于鼓动性的文笔,替炼丹术做了宣传,他对炼丹方法的具体著述对后来的炼丹家影响很大。

炼丹术在许多人的眼里是神秘莫测的,也有的人直接把它与封建迷信等同起来。实际上,古代的人们是通过炼丹术开始对物质世界进行探索的,从而使化学进入萌芽的阶段。

中国近代化学的启蒙者徐寿

在我国19世纪化学史上,许多专家都公推徐寿为我国近代化学的启蒙者。因为在这一方面,徐寿做了重要的工作,系统地介绍了近代化学的基础知识。

徐寿,出生在江苏省无锡市郊外一个没落的地主家庭。5岁时父亲病故,靠母亲抚养长大。在他17岁时,母亲又去世。幼年失父、家境清贫的生活使他养成了吃苦耐劳、诚实朴素的品质,正如后人介绍的那样:“赋性狷朴,耐勤苦,室仅蔽风雨,悠然野外,辄怡怡自乐,徒行数十里,无倦色,至不老倦。”

青少年时,徐寿学过经史,研究过诸子百家,常常表达出自己的一些独到见解,因而受到许多人的称赞。然而他参加取得秀才资格的童生考试时,却没有成功。经过反思,他感到学习八股文实在没有什么用处,毅然放弃了通过科举做官的打算。此后,他开始涉猎天文、历法、算学等书籍,准备学点科学技术为国为民效劳,这种志向促使他的学习更为主动和努力。他学习近代科学知识,涉及面很广,凡科学、律吕(指音乐)、几何、重学(即力学)、矿产、汽机、医学、光学、电学的书籍,他都看。这些书籍成为他生活中的伴侣,读书成为他一天之中最重要的活动。就这样,他逐渐掌握了许多科学知识。

在学习方法上,徐寿很注意理论与实践相结合。他常说:“格致之理纤且微,非藉制器(即不靠试验)不克显其用。”有一年,徐寿、华蘅芳结伴同往上海探求新的知识。他们专门拜访了当时在西学和数学上已颇有名气的李善兰。李善兰正在上海墨海书馆从事西方近代物理、动植物、矿物学等书籍的翻译。他们虚心求教、认真钻研的态度给李善兰留下了很好的印象。这次从上海回乡,他们不仅购买了许多书籍,还采购了不少有关物理实验的仪器。

回家后,徐寿根据书本上的提示进行了一系列的物理实验。为了攻读光学,买不到三棱玻璃,他就把自己的水晶图章磨成三角形,用它来观察光的七彩色谱,结合实验攻读物理,使他较快地掌握了近代的许多物理知识。有一次,他给包括华蘅芳的弟弟华世芳在内的几个孩子做物理实验演示。他先叠一个小纸人,然后用摩擦过的圆玻璃棒指挥纸人舞动,孩子们看了感到很惊奇和可笑。通过这样的演示,他就把他学到的摩擦生电的知识传授给了他人。

鸦片战争失败的耻辱,促使清朝统治集团内部兴起一阵办洋务的热潮。所谓洋务即是应付西方国家的外交活动,购买洋枪洋炮、兵船战舰,此外还学习西方的办法兴建工厂、开发矿山、修筑铁路、办学堂。但是,作为封建官僚权贵,洋务派大都不懂这些洋学问,兴办洋务,除了聘请一些洋教习外,还必须招聘和培养一些懂得西学的中国人才。在这种情况下,博学多才的徐寿引起了洋务派的重视,曾国藩、左宗棠、张之洞都很赏识他。

曾国藩在安庆开设以研制兵器为主要内容的军械所后,他征聘了徐寿和他的儿子徐建寅,以及包括华蘅芳在内的其他一些学者。

几年后,李鸿章、曾国藩要在上海兴建主要从事军工生产的江南机器制造总局。徐寿因其出众的才识,被派到上海襄办江南机器制造总局。

徐寿到任后不久,根据自己的认识,提出了办好江南机器制造总局的四项建议:“一为译书,二为采煤炼铁,三为自造枪炮,四为操练轮船水师。”把译书放在首位是因为他认为,办好这四件事,首先必须学习西方先进的科学技术,译书不仅使更多的人学习到系统的科学技术知识,还能探求科学技术中的真谛,即科学的方法、科学的精神。

徐寿还在江南机器制造总局内专门设立了翻译馆。翻译馆翻译了数百种科技书籍。这些书籍反映了当时西方科学技术的基本知识、发展水平及发展动向,对于近代科学技术在我国的传播起了很大的作用。

徐寿共译书17部,105本,168卷,共约287万余字。其中徐寿所译的《化学鉴原》、《化学鉴原续编》、《化学鉴原补编》、《化学求质》、《化学求数》、《物体遇热改易记》、《中西化学材料名日表》,将当时西方近代无机化学、有机化学、定性分析、定量分析、物理化学以及化学实验仪器和方法做了比较系统的介绍。这几本书对近代化学在我国的传播发展发挥了重要作用。

徐寿病逝于上海格致书院,享年67岁。

综观徐寿的一生,他不图科举功名,不求显官厚禄,勤勤恳恳地致力于引进和传播国外先进的科学技术,对近代科学技术在我国的发展作出了不朽的贡献,不愧为中国近代化学的启蒙者。

侯德榜——侯氏制碱法的创造者

碱又名纯碱、苏打,是一种重要的化工原料,是食品、造纸、制药、玻璃、肥皂、印染等工业以及人民日常生活的必需品。

19世纪60年代,比利时人索尔维研究出了氨碱法即索尔维制碱法,是以食盐、氨、二氧化碳为原料的制碱法,该法实现了碱的连续化生产,并使食盐利用率得到提高,从而使纯碱价格大大降低,并且产品质量纯净,故被称纯碱。但是由于采取了严密的保密措施,外人对此新技术一无所知。不料这一秘密竟被一个中国人运用智慧摸索出来了,这个人就是侯德榜。

侯德榜,生于福建闽侯农村。他在青年时就显露出过人的智慧,在清华留学预备学堂高等科学习时,以10门课获得满分1000分的成绩毕业。这无论在过去还是现在都是广大学生望尘莫及的,因此被称为“国宝”。

侯德榜志向远大,学识渊博,毕业于美国麻省理工学院化工专业,获学士学位,正如他所说:“要当一名称职的化学工程师,至少要对机、电、建筑内行。”毕业后他曾在美国水泥、硫酸、染料、电化等工厂实习。同时继续深造,并先后获得美国哥伦比亚大学制革硕士学位和博士学位。

侯德榜学成归国后,出任范旭东创办的永利碱业公司的技师长,也就是总工程师。

要创业首先需要实干的精神。他脱下了白领西服,换上了蓝布工作服和胶鞋,身先士卒,同工人们一起操作。哪里出现问题,他就出现在哪里,经常干得浑身汗臭,衣服中散发出酸味、氨味。他这种埋头苦干的作风赢得了工人们、甚至外国技师的赞赏和钦佩。在他的带领下,技师、工人们团结一心,为建成中国自己的碱厂而奋战。从整个工艺流程设计,到土建施工,到设备安装,他都事必亲躬,严格把关。他成天穿着工作服,在工地上解决着一个个技术难题。

工厂终于全部建成,只等试运行了。工艺设计是否合理?设备安装是否正确?最权威的判定,就是能不能出碱!整个流水线分为化盐、烧灰、吸氨、碳化、烤碱、蒸氨、动力7个部分,安装好的设备,静静等着他的号令。这时的侯德榜,心情十分激动。因为他现在使用的基本原理,是“氨碱法”的基本原理。

侯德榜深知,试运行不会一帆风顺。果然开机不久,30多米高的蒸氨塔发出巨大响声,并开始摇晃起来。侯德榜立即采取应急措施并着手处理,直到半夜,才排除故障。不料,后来干燥锅又出了问题,湿热的碱在里面结成“大锅巴”,怎么也弄下不来。干燥锅结疤了,浑圆的铁锅在高温下停止了转动,时间长了后果是很严重的。技师们都急得团团转,这时候侯德榜果断地拿起玉米棒子粗的大铁杆往下捅,累得他双眼直冒金星,汗水湿透了工装。不久他觉得单靠力气难于解决这一技术问题,经过大家商量,他们采用加干碱的办法终于使锅底上的碱疤脱水掉下来,总算克服了困难。就这样问题不断出,又不断解决,有的调整,有的重新设计,有的改建,渐渐地,整个设备运转趋于正常了!

1924年,碱终于出来了!但人们一看,心又凉了半截!原本应该是白色的碱却变成了暗红色。问题又摆到侯德榜面前。经化验,碱的成分很正常,就是渗进了一些氧化铁。“氧化铁!这是怎么回事?”侯德榜把原料及设备的每道工序都仔细想了一遍,又在脑子里与外国化工厂的情况一一作了对比。在错综复杂的因素中,他一下抓住了问题的实质:氧化铁是设备、管道被腐蚀后脱落渗入的。但如何防腐?他想到国外用的是炼焦厂的粗氨液做原料,这其中含有硫化铵,硫化铵与铁接触会在的表面形成硫化铁保护层,而我们使用的氨液中无硫……对,在原料中加点硫化钠!随后他们以少量硫化钠和铁塔接触,致使铁塔内表面结成一层硫化铁保护膜,再生产时纯碱变成纯白色了。

雪白的纯碱终于生产出来了!索尔维的技术垄断,由中国人打破了。1926年,中国人生产的红三角牌纯碱,在美国费城万国博览会上获得了金奖。

一袋袋的纯碱是中华民族的骄傲,它象征着中国人民的志气和智慧,被誉为中国近代工业进步的象征。

摸索到索尔维制碱法的奥秘,本可以高价出售其专利而大发其财,但是,侯德榜主张把这一奥秘公布于众,让世界各国人民共享这一科技成果。为此侯德榜继续努力工作,把制碱法的全部技术和自己的实践经验写成专著《制碱》在美国以英文出版。一个有骨气的中国人就是这样披露了索尔维制碱法的奥秘。

在永利碱厂投入正常运行后,一次,侯德榜得到一个消息:德国人发明了一种新的制碱方法,它能使食盐的转化率高达95%,比苏尔维法一下提高了20%,而且它不会排出氯化钙这种废物,却能生产出一种化肥——氯化铵。这时的侯德榜已是一个非常成熟的化工专家了,他就不信新的方法搞不出来!因为从理论上说,新方法并不神秘,关键是搞出新的生产工艺。这不仅是理论问题,更重要的是实践。而在实践中搞创新,正是侯德榜的拿手戏。于是他下定决心,一定要和同事们自己把新工艺搞出来!

为了实现这一设计,在抗日战争的艰苦环境中,在侯德榜的严格指导下,经过了500多次循环试验,分析了2000多个样品后,才把具体工艺流程定下来,这个新工艺使食盐利用率从70%一下子提高到96%,也使原来无用的氯化钙转化成化肥氯化铵,解决了氯化钙占地毁田、污染环境的难题。这种方法把世界制碱技术水平推向了一个新高度,赢得了国际化工界的极高评价。1943年,中国化学工程师学会一致同意将这一新的联合制碱法命名为“侯氏制碱法”。