《梦溪笔谈》中的化学知识

化学史料

《梦溪笔谈》古本扫描版
《梦溪笔谈》是一部涉及古代中国自然科学、工艺技术及社会历史现象的综合性笔记体著作。该书在国际亦受重视，英国科学史家李约瑟评价为中国科学史上的里程碑。内容涉及天文、数学、物理、化学、生物等各个门类学科，是中国科学史上的重要著作。该书虽不是一本化学专著，但其中蕴藏着大量的化学知识。以下将《梦溪笔谈》中涉及的部分化学内容进行列举，以供读者参考。
一.《梦溪笔谈》中的化学
1.石油
石油的发现并非始于沈括，但关于石油最早的文字记载出自于沈括《梦溪笔谈·杂志》：
“鄜、延境内有石油,旧说高奴县出脂水,即此也。生于水际,沙石与泉水相杂,“惘惘”而出,土人以雉尾挹之,乃采入缶中,颇似淳漆,燃之如麻,但烟甚浓,所沾帷幕皆黑.予疑其烟可用,试扫其煤以为墨,黑光如漆,松墨不及也,遂大为之.其识文为“延川石液”者是也.此物必大行于世,自予始为之。盖石油至多,生于地中无穷,不若松木有时而竭.”
【译文】鄜州、延州境内有一种石油,过去说的高奴县出产脂水,就是指这种东西.石油产生在水边,与砂石和泉水相混杂,时断时续地流出来。当地居民用野鸡尾毛将其沾取上来,采集到瓦罐里.这种油很像清漆,燃起来像烧麻炬,只是冒着很浓的烟,它所沾染过的帐幕都变成了黑色。我猜测这种烟可以利用,于是试着扫上它的烟煤用来做成墨,墨的光泽像黑漆,即使是松墨也比不上它了.于是就大量制造它,给它标上文字,叫做“延川石液”。这种墨以后一定会广泛流行在世上,只是从我开始做它罢了。推想那石油极多,在地中产生,无穷无尽,不像松木到一定时候就用完了。
下面对上述内容逐一分析。
1.1 命名石油
沈括任知延州 （今陕西省延安一带），兼任鄜延路经略使期间，曾对延安、延川县一带的石油做了考察。考察中，沈括发现当地人用一种被称为“石漆”“石脂”的褐色液体来烧火做饭、点灯取暖，他对这种液体的产地、状态、特点、开采等进行了解，并给它取 了 一 个 更 为 贴 切 的 名 字—石油。他又对石油的用途做了一些开创性的试验研究。
1.2 石油制墨
沈括所处的宋代，是中国古代书画和文艺发展极为昌盛的时期，由于文人墨客对书画作品的精益求精，促使宋代烧烟制墨的方法多样化。当时的知识分子对墨的质量要求很高，甚至有人亲自研究制造良墨。沈括的制墨活动也受这一氛围的影响，他发现石油后，利用石油，制得了一种比较理想的制墨烟——石油烟。沈括制墨的方法极为考究。首先是试制，达到预期效果后再正式制作。前后２次所用烟的来源和数量均不同：第１次取用数量较少，来自于石油照明之后；第２次取用数量较大，是经过专门烧结的。烧结方法采用室内烧结，以纸张或瓷碗悬于油灯之上，沾染而得。沈括将这种以石油烟为主要原料制得的石油墨命名为“延川石液”，它的性能优于当时流行的松墨，更受到制墨行家苏轼的赞赏。
1.3 石油武器——猛火油
沈括对军事方面的研究也颇为热衷。早年沈括饱读史书，积累了相当深厚的军事知识。沈括戍守延州管理军器监，掌管军事装备的制造。据史料记载，军器监下分11个车间，即“火药、青窑、猛火油、金火、皮作、麻作、窑子作 …… ”。 其中“猛火油”即军用石油加工车间。自从发现石油在军事上的妙用，且延州又是石油多产之地，沈括带领军队以石油为原料，生产出杀伤力很强的喷火武器——猛火油，类似于现代的凝固汽油弹。虽然关于此时期战争的记载很少，但３年后，沈括守边立功而升迁，做了龙图阁直学士，由此我们可以推测到“石油”在沈括再次升迁中功不可没。
猛火油柜
古代喷火器械,是以喷射燃烧的石油以杀伤敌人和烧毁其装具的器械。据宋《武经总要》记载：其用猛火油(石油)为燃料,用熟铜制柜,下有四脚,上有铜管。发射时点燃火药,用力抽拉筒,石油喷出遇火点燃用以烧伤敌人和焚毁战具。
2.制盐
“解州盐泽,方百二十里,久雨,四山之水悉注其中,未曾溢;大旱未尝涸。卤色正赤,在版泉之下,俚俗谓之“蚩尤血”。唯中间有一泉,乃是甘泉,得此水然后可以聚,又其北有尧梢水,亦谓之巫咸河。大卤之水,不得甘泉和之,不能成盐。唯巫咸水入,则盐不复结,故人谓之“无咸河”,为盐泽之患,筑大堤以防之, 甚于备寇盗。原其理,盖巫咸乃浊水,入卤中则淤淀卤脉盐遂不成,非有他异也。”
【译文】解州的盐湖,方圆有一百二十里,雨「久了,周围山里的水都流入湖里,从来没有造成泛滥,大旱时也没有干枯过。在版泉下面,盐卤成正红色,民间称作“蚩尤血”,中间有泉一眼,是甜水,有了这种水才能把食盐结晶出来。在北面还有一条尧梢水,也叫做巫咸河。大卤的水如果没有甘泉水掺合就不能制成盐。而将巫咸水引人,则盐就不能结晶出来,所以人们称它为“无咸河”,把它当作盐湖之害,修筑了大堤,比防范强盗还谨慎。研究其中的道理,那是由于巫咸河的水不干净,这种水进人大卤中就出现淤泥状的沉淀物,不能成盐。这没有什么奇怪的。
解州池卤水颜色正赤色，是水中含有大量3价铁离子所致。盐泽中虽含有大量的成盐物质却无法形成可供人食用的食盐，所以必须及时溶解和结晶，将成盐物质与铁离子分离，这里必须用到一种淡水—— “甘泉”和之。卤水中加入巫咸水，盐不会结晶，是由于巫咸水是浊水，即含有大量的胶体。水中的胶体若与Na+、Ｋ+、Ca2+、Mg2+等阳离子相遇，会立即凝聚形成沉淀，造成成盐离子Na+、Cl-减少，必然影响食盐结晶。
沈括总结了前人生产食盐的经验，并经过细致调查，对解州的水质条件、成盐原因及胶体对食盐沉淀的破坏影响做了精辟的描述。
3. 金属取代、钟乳石的生成
我国古代湿法冶铜始于西汉，西汉流传这样一句话：“曾青得铁则化为铜”，就是铁和硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁，铜附着在铁的表面，曾青就是蓝色的硫酸铜溶液。在《梦溪笔谈·杂志二》中记载：
“信州铅山县有苦泉,流以为涧,艳其水熬之,则成胆矾,烹胆矾则成铜;熬胆矾铁釜,久之亦化为铜,水转为铜,物之变化,固不可测,按黄帝《素问》有“天五行,地五行,土之气在天为湿,土能生金石,湿亦能生金石”。此其验也。又石穴中水,所滴皆为钟乳、殷孽。春秋分时,汲井泉则结石花,大卤之下,则生阴精石,皆湿之所化也。如木之气在天为风,木能生火,风亦能生火,盖五行之性也。”
【译文】信州铅山县有个苦泉,在山间流成了水沟。舀出泉水来蒸煮浓缩就成了胆矾,胆矾再加热就能生成铜。熬胆矾的铁锅用久了也变成了铜。水中能生铜这种变化虽说是难以推测的,但根据黄帝《素问》的记载:“天有五行、地有五行,土地中的气升到空中就成了湿气,土能生成金属和石头,湿气也能生成金属和石头。”上述转化就是这种说法的验证。还有,石洞中的水滴下来都变为钟乳石和石笋,春分、秋分时节打上来的井水能结出石花。卤水的下面能生成阴精石。这些都是湿气变化的。就象树木的气在天空中就是风,树木能生成火,风也能生成火,这就是五行的本性所在。
沈括在此记述了古代劳动人民利用胆矾生产金属铜的实践活动。其原理就是现在的置换反应：
Ｆｅ＋ＣｕＳＯ４＝Ｃｕ＋ＦｅＳＯ４
据史料记载，北宋时用此法生产铜，年产量达一百万至一百八十万斤，为当时铜产量的
１５％ ～２０％。南宋高宗年间，用此法所制的铜，产量甚至达到铜总产量的８５％以上。
这段叙述中也说到了碳酸钙在弱碳酸溶液中溶解和析出的情景。碳酸氢钙可分解而得到石灰石，即碳酸钙沉淀：
Ｃａ（ＨＣＯ３）２＝ＣａＣＯ３↓＋ＣＯ２↑＋Ｈ２Ｏ
大卤即天然食盐水，蒸发后有食盐析出，母液中含有硫酸钙等盐类，生成 的阴精石即是现在的石膏。
４. 炼钢
沈括十分重视记录古代劳动人民的智慧结晶，经常访问民间锻坊，仔 细对 钢与熟铁进行区别研究。在《梦溪笔谈·辩证一》中记载：
“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以“生铁”陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之“团钢”，亦谓之“灌钢”。此乃伪钢耳，暂假生铁以为坚。二三炼则生铁自熟，仍是柔铁，然而天下莫以为非者，盖未识真钢耳。予出使至磁州锻坊，观炼铁，方识真钢。凡铁之有钢者，如面中有筋，濯尽揉面，则面筋乃见；炼钢亦然，但取精铁锻之百余火，每锻称之，一锻一轻，至累锻而斤两不减，则纯钢也，虽百炼不耗矣。此乃铁之精纯者，其色清明，磨莹之，则暗暗然青且黑，与常铁迥异。亦有炼之至尽而全无钢者，皆系地之所产。”
【译文】世上打铁所称的钢铁，是用熟铁盘绕起来，再把生铁嵌在它的中间，用泥把炉子封起来烧炼，锻打使它们相互渗入，叫做“团钢”，也叫做“灌钢”。这只是假钢罢了，暂时借助于生铁使它坚硬，烧炼2、3次以后生铁就成了熟铁，得到的仍然是熟铁。但是天下没有人认为不对的，那是因为不认识真钢罢了。我出使时，到磁州打铁作坊看炼铁，才认识了真钢。凡是有钢的铁，就像面里有面筋，洗尽柔软的面，面筋就出现了。炼钢也是这样，只要选取精铁锻打百多次，每锻打1次称1次，锻打1次就轻一些，直到多次锻打斤两却不再减少，那就是纯钢了。即使再锻打上百次也不会耗减了。这才是铁里面的精纯部分，它的色泽清明磨得光洁明亮了，就呈现暗淡的青黑色，与一般的铁明显不同。也有锻打到最后却根本成不了钢的，全是因为产地的缘故。
这里的灌钢，是指将生铁液灌注熟铁之中的一种低温炼钢法。其原理是利用生铁含碳量高、熔点低的特点，可在较低温度下先融化，故而生铁液灌入而向四周盘旋与熟铁充分接触，这样生铁和熟铁就混在一起了，再用泥封起来。在一定温度下，经过锻打而除去铁中杂质，至锻打到斤两不再减少为止，就是纯钢了。这样锻打出来的纯铁是铁中最精良的部分，颜色光洁黑亮，磨光后呈现出暗淡的青黑色，与平常的铁完全不同。
５．铸剑
沈括根据变法需要，悉心总结了兵器制作技术。《梦溪笔谈·器用》中记载：
“古人以剂钢为刃，柔铁为茎干，不尔则多断折。剑之钢者，刃多毁缺，巨阙是也，故不可纯用剂钢。”
【译文】古人做剑用剂 钢做刀刃,用柔铁做剑身,不这样,剑就容易断折。用钢铸的剑，剑刃会多有毁缺，古时相传的“巨阙”就是这种剑，所以铸剑不可纯用含有杂质的钢。
这段记录中沈括科学地指出，古人用剂钢 （含有杂质的钢）作剑刃，用柔铁作剑身，如果不这样就容易将剑折断。剑如果太刚硬，其刃大多容易缺毁，所以不能用纯粹的钢造剑。现代炼钢技术中，生铁的含碳量为2％～4.3％，机械性能硬而脆。钢的含碳量为0.03％～2％，机械性能硬而韧，弹性好.可以推测《梦溪笔谈》这段记录古人所铸剑刃的材料是现代的生铁，而用钢作剑身。这也是我们后世所说的“好钢要用在刀刃上”。
 
二．沈括的化学成就归因
沈括不但在政治方面颇有建树，更是史上前无古人后无来者的科学全才，单就化学方面其化学成就归因可进行以下分析。
1.     以推行新法改革为背景的科学研究活动
任何时代的科学研究都在一定程度上受社会环境的影响，它总是植根于社会生产力发展的需要。沈括所处的时期，是以王安石为首的变法改革的关键时期，政治环境主张通过变法来富国强民，所以沈括的一系列科学活动与政治联系紧密。
沈括担任军器监一职时，极其关注钢铁冶炼和兵器制造情 况。曾多 次 视察民间炼 钢、炼铁的作坊，在《梦溪笔谈》中又详细记录了钢铁锻造、冶炼的流程，这一史料的记载，为我国自然科学史增添了光彩。《梦溪笔谈》中又详细介绍了解州盐泽的成盐情况，提出“大卤之水”以 “巫咸水入”不成盐是由于 “淤淀卤脉”。限于一定的历史条件，对于解州盐泽不成盐的原因沈括虽然没有认识到如今这样透彻，但其思想中已经萌芽了胶体化学和地球化学的思想。可以说，王安石的变法改革是促使沈括科学研究的重要外部因素。
2.     以济世救民为己任重视劳动人民的实践和创造
《梦溪笔谈》中记载了古代信州劳动人民利用胆矾生产金属铜的事实、毕昇的活字印刷术、建筑工人编写的讨论房屋结构的《木经》等，保存了我国古代劳动人民智慧和心血的结晶。《梦溪笔谈》的这些记录中无不体现了沈括对劳动人民的赞扬和敬佩。
沈括还深受北宋儒学济世精神的影响。北宋熙宁十年，屡有西夏挑衅，边塞地区民不聊生，沈括为江山社稷更为黎民百姓，带领军队在战争中使用以石油为主要原料的“猛火油”。可以说，“达则兼济天下”的思想在客观上推动了沈括对石油的研究和利用。
3.     以实践为基础的对现象和假设的再考察
沈括是一位注重调查研究、讲究实事求是的科学家。他曾实地考察石油产出之处，在环境恶劣的边塞居住了很长时间。对于科学活动，沈括有着惊人的毅力。当时鄜延境内条件恶劣，气候多变，冬寒夏炎，沈括的《延川诗》第一、二句“二郎山下雪纷纷，旋卓穹庐学塞人”，是他当时生活的真实写照。沈括发现古今谈论刻漏者几十人，但都存在谬误。为计算刻漏的方法，沈括利用浑仪、浑象进行检验，用测得的数据考察和计算刻漏下水的情况，如此历经１０年时间，才初步得出符合实际的数据。
从这些事例中可以看出沈括不但对已呈现的现象进行怀疑和批判，又会重新以实事求是为基础进行研究。
三．预见未来
关于沈括所记录的石油，有一点不得不提，即
“此物后必大行于世，自予始为之，盖石油至多，生于地中无穷，不若松木有时而竭。”
这是沈括对于石油发展前景的大胆预测。现在陕西的延安、延长、延川，都是历史上发现和出产过石油的地区，而当时恰恰都由沈括统属。正如沈括《延川诗》中所云：
“化尽素衣冬未老，石烟多似洛阳尘。”
诗中石烟是对石油烟的简称，石油烟多也即石油数量多，像洛阳城的烟尘一样。沈括大胆预言地下石油无穷无尽，不像制墨原料松树那样可能枯竭。他担心一旦松林尽毁，必给整个社会带来不便。反观如今，社会上也一直倡导爱护环境、低碳环保，沈括的建议的确具有极大的现实意义。后世对于石油的开采和利用，甚至由石油引发的掠夺战争无一不是对“此物后必 大行于世”的映照，沈括远见卓识可见一斑。
附：《梦溪笔谈》作者沈括介绍
沈括（1031—1095）,北宋政治家、科学家
沈括生于浙江钱塘（今浙江杭州市）。24岁便开始踏上仕途，为官的前二十年官运亨通。33岁考中进士后，在京师昭文馆担任书籍校对和编辑工作。神宗熙宁二年（公元1069年），沈括积极投身王安石推行的变法运动，受到王安石的信任和器重，担任过管理全国财政的最高长官三司使等许多重要官职。熙宁九年（公元1076年），沈括被诬贬官，出知宣州（今安徽省宣城一带）。三年后，因戍边有功，升龙图阁直学士。但不久遭诬陷，降职做均州（今湖北省均县）团练副使。哲宗元祐二年（公元1088年），沈括定居润州（今江苏省镇江）梦溪园，在此，他认真细致地总结了自己一生所见所闻所感，著出闻名遐迩的科学巨作《梦溪笔谈》。宋哲宗绍圣二年（公元1095）沈括辞世。

参考文献

[1] 裴波等.沈括与化学[J].化学教育，2014，（8）.

[2]北京大学化学系工农兵学员、教师理论小组.法家沈括和《梦溪笔谈》中的化学[J].化学通报，1974，（5）.

[3]王骧.梦溪笔谈注[M].镇江:江苏大学出版社,2011,3.

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