中药变火药 从东方到西方“硫”也很忙

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-10-30

硫元素是世界各国人民在日常生活、生产中发现的。其发现和应用,跨度几千年……

“中国四大发明”之一的火药,以其巨大的杀伤力和震慑力,在古代军事和近现代工业中大显身手,有效地推进了世界历史的进程。火药的主要成分硫磺里,含有一种叫硫的化学元素。此元素是世界各国人民在日常生活、生产中发现的。其发现和应用,跨度几千年……

中国:从药材到火药

封闭自守、腐朽没落的明朝末年,江西奉新县出了一位大科学家,名叫宋应星。他早年追求功名,却未中进士;步入不惑之年后醉心科学,全面收集传统农业、手工业技术,编撰了号称“中国17世纪工艺百科全书”的《天工开物》。

天工开物

《天工开物》影印件。(来源于网络)

长期编书过程中,宋应星对火药产生了浓厚的兴趣。通过实验,他不但观察到火药爆炸时产生的热和威力相当于两千倍原气体爆炸的威力,还弄清了火药主要由硝石、硫磺和黄木灰组成。并将其记录下:“凡火药,以硝石、硫磺为主,草木灰为辅……其出也,人物膺之,魂散惊而魄齑粉。(《天工开物》《佳兵·火药料》篇)。”

紧接着,宋应星投入到硫磺的研究中,“古人先是将硫磺用作药材,次之用作炼丹和制造火药。看来,很有必要弄清它的来源。”通过实地走访,他发现用黄铁矿可以烧取硫磺。于是,他将此技术记入《天工开物》。只是他并不知道,书中所记载的黄铁矿制硫技术,比西方国家要早200多年!

制造作火药的硫磺最先是一种药材?宋应星的话一点也不错。《神龙本草经》记载的46种矿物药材中,有一种叫“石流黄”。此物“能化金银铜铁,奇物”,是硫磺的前身。

后来,炼丹师发现硫磺不能治病,便将它用作制造长生不老仙丹的原料。现存最早的炼丹专著《周易参同契》就有硫磺与汞化学反应生成硫化汞的记录。

再后来,炼丹师们没有炼出仙丹,却屡屡发生由于硫磺与其它物质混合爆炸而受伤殒命的事件。由此便发明了最原始的黑火药。黑火药的制造促进了硫磺的提取和精制技术,人们用硫磺制成火枪、火铳等武器,运用到战争中。科学家对硫磺的研究越来越重视,这才有了前文宋应星把硫磺记入《天工开物》书中一事。

11世纪中国的火药配方

11世纪的火药配方。(网络图)

不过,无论是当药材、炼丹还是火药,国人对硫磺的研究还停留在物理层面方面。对硫磺进行化学研究并发挥其更大功用,则是近代西方科学家们的杰作。

西方:从漂白到命名

严格地说,西方人对硫磺的化学研究,是从“近代化学之父”拉瓦锡开始的。

1776年,法国科学家拉瓦锡做气体实验时,把一块名叫“surphur”(拉丁文,意思是“鲜黄色”)的矿物进行燃烧,发现燃后的灰烬比原surphur要重一些。一方面,他认为surphur吸收了空气中的某种气体,所以会重一些,他要找到这种气体;另一方面,他觉得surphur并不是前人所说的化合物,而是一种单质。

“这种单质到底是什么元素?这种元素有何特点?古人接触过这种元素吗?……”正在组建元素周期表的拉瓦锡列出一堆问题,并下定决心找到答案。

通过翻阅资料,他发现西方人接触surphur已有几千年的历史。4000多年前,古埃及人用它的燃烧之物来漂白布匹;1700年前,古罗马博物学家老普林尼在《自然史》中介绍说,surphur燃烧产生的气味能驱除妖魔鬼怪;1000年前,西方科学家已知道,每次火山爆发都会带出大量的surphur,而意大利西西里岛火山爆发中产生的surphur晶体,纯净而透明,远销英、法等国。

晶体

硫磺晶体(网络图)

1763年,俄罗斯化学家罗蒙诺索夫在论文《论地层》中详细介绍了surphur的相关情况:“不但火山喷出的气体里面有surphur,地底下滚汤沸腾的矿泉里和陆地底下的通气口里也聚结有大量的surphur……大量的surphur在地球中心燃烧成沉重的气体,在深坑里膨胀起来,顶着地球的上层,使它升高。”

“surphur聚集在地核里,不但可以生成气体,随火山喷涌出来,还能溶解在地下水中形成矿物。这种黄色的东西含量非常丰富,应该在元素周期表中占个位置。”拉瓦锡翻阅多种书籍,经过多次实验,确定surphur无法再分离后,决定给这种古老的元素命名。

这个相对比较简单。参照拉丁文surphur,拉瓦锡用英文单词“Sulfur”来称呼这种鲜黄色的元素,化学符号则定为S。若干年后,西学东渐,清朝科学家引入元素周期表,用早以存在的“硫”字来表示这种非金属元素,沿用至今。

拉瓦锡

正在做实验的拉瓦锡。(网络图)

化学工业大显身手

自从硫被拉瓦锡确定为一种元素并命名后,它便进入了近代化学的大门。随着科学家的深入研究,硫元素终于在近现代化学工业中大显身手。

制造硫酸是硫元素在工业上的最先应用,并逐渐成为其主体,目前世界上80%-85%的硫用于制造硫酸。科学家用硫与硝酸钾加热化学反应生成的硫酸浓度仅为65%,完全满足不了工业生产的需求。1831年,英国制醋的商人珀格闰·菲利浦斯(Peregrine Phillips)首创接触制酸法,低成本制造出浓度高达99%的硫酸。此法沿用至今。

硫在近现代工业上另一个突出用途就是把它与橡胶结合,生产出新型的硫化橡胶,从而掀起橡胶工业的革命。1844年,美国发明家古意德经过无数次试验,经历无数次失败后,将硫与铅、天然橡胶共热,制成不受温度影响的新型橡胶。这种被称为“熟化硫化工艺”的技术很快获得法国专利;10年后,通过此技术生产出的硫化橡胶产品参展巴黎万国博览会,惊煞世人。

此外,硫还是造纸、染料、精炼汽油等工业生产,制造化肥等农业生产中所必需的原料。

各国相继发现硫的重要用途,并致力于硫的开发和利用。1891年,德国人赫尔曼·弗拉施(H.Frasch)在美国提出新的采硫法:在硫磺矿床上加入热水蒸汽,使硫熔化;再加热空气,使液态硫升到地面;液态硫干涸后即可用于生产。这种名叫“弗拉施采矿法”的技术,使美国的硫开发效率得到快速提升。此法沿用至今。

硫循环图

弗拉施采矿法示意图。(来源于网络)

中国虽然在近代硫的化学研究中一度停滞不前,但随着新中国的成立,政府对硫资源的开发和利用也越来越重视。上世纪末,世界自然硫资源主要分布在美国、意大利等国;本世纪以来,我国已成为世界上最大的硫资源生产国。随着科学的不断发展,这种由世界人民发现的古老元素,定会在现代化建设中再立新功。

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【参考资料】

1、《我国硫资源储量分布及开发利用情况》,中国选矿技术网,2017年8月。

2、《元素的故事》,作者(前苏联)依•尼查叶夫。

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