3.2　早期的化学活动和社会的发展

人类社会形成后，过着较稳定的定居生活，在发展生产和改善生活的各项活动中，化学活动在其中都起了重大作用。本节仅以制陶、冶金、炼丹、火药等几个方面为例，说明从上古到17世纪的漫长历史年代中化学活动的概况，以及这期间人们对物质世界认识的一些观点。

3.2.1　烧制陶瓷

人类在用火过程中，发现泥土被火烧后变得坚硬。将黏土用水调和，含水的泥块揉捏成型，经过烧制，发生一系列变化形成陶瓷。图3.2.1示出我国古人制作的陶器。

图3.2.2示出收藏在国家历史博物馆的6000年前新石器时代的文物陶鹰鼎。该鼎高35.8厘米，口径23.3厘米，1958年出土于陕西华县。从鼎的造型及其所表达的含义，反映我国当时社会科学技术的发展和思想文化水平。

陶器的发明，对人类社会的发展起了很大作用：

第一，陶器可以用作煮食、烹饪的器皿。人们除简单地用火烧烤食物外，还可以煮食，使谷物等淀粉类食品水解为容易消化的饮食，丰富了食物的品种，增加了食物的营养成分，为提高人的体质和智能提供物质基础，也为农耕栽种、发展农业生产提供条件。

第二，用烧制陶瓷方法烧砖制瓦，盖房居住，人类过着稳定的定居生活。

第三，陶瓷器皿提供酿造的容器。

自然界的水果皮上含有能使糖类发酵成酒的酵母，可以用简单的工艺促使果汁及糖类转化为酒。

大约在公元前3000多年，世界上各个民族就已开始根据本地区的特殊环境和条件，利用不同的原料和不同的方法，独立地发明了别具特色的酿酒工艺。从利用水果直接发酵制酒，到利用谷物发芽和谷物蒸煮糖化再进行发酵制酒，丰富了当时的食物品种，提高了对自然物质世界变化规律的认识，探索出从一类物质转变为另一类物质的方法，积累了天然产生的有机物质发生化学变化的知识。

酒放久了会自动氧化变成醋，尝起来是酸的。用水浸泡草木灰所得的水溶液，呈碱性。从而，人们逐渐地了解不同物质的水溶液性质。

第四，随着社会的发展，陶器发展为瓷器，它对原料的筛选、加工、成分和性质积累了丰富的化学知识。烧制瓷器为提高化学反应温度积累了经验，对瓷器表面的施釉技术进行开拓创新。陶瓷表面的彩绘图画和书法文字的内容和形式，也反映了当年的文化和思想。这些瓷器经历了长期的风雨，至今还保存得相当完整。图3.2.3示出公元前2世纪烧制的秦始皇陵兵马俑。

3.2.2　冶炼金属

用火烧制陶器的发展，引致金属冶炼等化学活动的产生。在金属冶炼历史上，首先进行的是铜的冶炼。铜有天然铜存在于自然界，将它采集后放在陶器中加热熔化，就得到纯度较高的金属铜。天然的铜矿石色彩鲜艳，容易寻找。例如翠绿色的孔雀石和深蓝色的蓝铜矿，主要成分都是碱式碳酸铜。这些矿石在炭火中加热，会发生分解反应，脱水，放出二氧化碳变成氧化铜，再被木炭还原成金属铜。铜的熔点为1083℃，一般的炭火就可完成冶炼和熔铸。硫化铜类矿石则先要长时间焙烧脱硫，使它转化为氧化铜，再用炭火还原制得金属铜。

纯铜质地较软，不适合于制造工具。铜中加入锡形成的合金称为青铜。青铜的硬度较纯铜高而坚韧，熔点较纯铜低。含锡25％的青铜的熔点只有800℃，适合铸造和锻造器皿、礼器、兵器和农具。

我国的青铜铸造技术在殷商及西周时期达到了鼎盛时代。1939年河南安阳市出土的“司母戊”鼎是殷代前期的代表作，是商王为其母“戊”铸造的。它重达875千克，通高133厘米，横长110厘米，宽78厘米，经化学分析检测合金的组成，铜占84.11％，锡占11.64％，铅占2.79％，是世界上最大的出土青铜器。图3.2.4示出“司母戊”鼎。

铜和锌的合金呈现黄色金属光泽，称为黄铜。由于锌的冶炼较难，公元前后几十年间才在世界上开始出现。

钢铁的发展较青铜晚。早期人们用陨铁加热、锻打、制造铁器。陨铁来自天外，数量有限。用火烧制陶器以及铜合金的冶炼，促进了用铁矿石冶炼钢铁的技术发展，初期小规模的冶炼，用以制造农具、刀斧和宝剑。根据历史文献记载，大约在公元前1000多年，西亚地区冶铁业普遍兴起。我国在春秋时代已发展了冶铁技术，生产生铁和铸铁，春秋晚期已开始制钢，到战国时期，炼钢技术已广泛应用于制造兵器和工具。

黄金是人类最早发现和利用的金属之一。金在自然界中以自然金的形式出现在河沙和山岩之中，数量较少。拣到金块和金沙，无须化学冶炼，直接加热熔化即可得到金光灿烂而又稳定的金属，用以制作装饰品和工艺品，以后逐渐用它制造金币。

银在自然界中常以硫化银（辉银矿）的形式与铅矿共生在一起。在冶炼时银和铅一起被还原出来，再从中分离金属银和金属铅。银白色的金属银常用来制作工艺品和首饰，以后用以制作银币。铅主要用于制作器皿。

冶金事业的开始和发展，使人们认识了铜、锡、铁、金、银和铅等化学元素的性质，积累了许多化学知识。

3.2.3　炼丹

从公元前4世纪到公元17世纪初的两千年间，社会上生产的发展、人民生活的改善、医药的探索、战争对武器的需求等各个方面，推动着化学活动的进行。

为了求药治病，寻找长生不老药，炼丹术在这期间几乎不间断地进行着。这方面的工作主要是在炼丹炉中以各种矿物和金属为原料炼制丹药，使它们进行化学变化，希图得到新的物质。在炼制过程中对一些元素及其化合物的认识得到提升。汞（水银）以及硫化汞（HgS，丹砂）、氧化汞（HgO，红色，三仙丹）、氯化汞（HgCl₂，升汞，粉霜）、氯化亚汞（Hg₂Cl₂，甘汞）等都曾被采集并炼制出来，用作药物治病。金属铅、一氧化铅（PbO，黄丹）、四氧化三铅（Pb₃O₄，铅丹）、醋酸铅和碳酸铅等化合物也先后炼制出来。将金属铅或铅粉在空气中加热，容易生成一氧化铅，因为色泽金黄，称为黄丹或玄黄，夸张地说它有“概括天地，衍生万物”的威力。将黄丹进一步以猛火焙烧，即成为红色四氧化三铅，称为铅丹，秦始皇兵马俑身上用铅丹作红色颜料。铅丹等作为药物，被认为久服能通神明。砷及其氧化物和硫化物的冶炼和制备工作进行了很多。砒霜是三氧化二砷（As₂O₃），已深入普遍地了解到它是剧毒药物。雄黄（四硫化四砷，As₄S₄）和雌黄（三硫化二砷，As₂S₃）都呈现黄色，称为雌雄双黄，用作药品和颜料。用砒霜与草木灰等混合密闭烧炼，可制得银白色的砷。

3.2.4　发明黑火药

黑火药是我国古代的四大发明之一，其他三大发明分别为造纸术、印刷术和指南针。黑火药的发明是人类文明史上一项杰出成就，也是化学发展史上的大事。在火药的发明过程中，炼丹家起了主要作用，因为在炼丹过程中对黑火药的主要成分硝石和硫黄的性质有较深入的了解。硝石的化学成分是硝酸钾（KNO₃）或硝酸钠（NaNO₃），是炼丹术士常用的药物。

黑火药是由硝石、硫黄和木炭按一定的比例配制而成的，它能在点火后快速进行化学反应，燃烧爆炸。由于硝石和硫黄都是中药，而木炭呈黑色，故称黑火药。虽然配制黑火药的年代久远，但技术很成熟，现在隔了几千年，仍可传承原来的配方。

黑火药可用来制造烟花、爆竹，在节日给人们带来热闹、兴盛和快乐。黑火药作火枪的炸药，可驱赶猛兽、猎取野生动物，改善生活条件。黑火药在建筑工程中，可用于爆破山体岩石，便利修路、盖房、开山、造田等工程的进行，为社会的发展贡献力量。任何事物都有两重性，黑火药用来制造枪炮，成为作战的武器，取代长矛和弓箭等冷兵器，在战争中杀害对方，对增加人员伤亡起很大作用。

随着历史进程，黑火药发展为多种化学炸药，民用和军用并重。在中国，偏重民用，制造烟花爆竹、修路盖房。在欧洲，经过工业革命，发展新的化学方法，制造火药火器、坚枪利炮，用于战场，对外扩张，改变整个世界格局。要使发明黑火药的我们国家和平发展、繁荣富强，必须要有坚实的先进的化学科学基础，制造生产性能优良的火药和火器。

3.2.5　化学变化的朴素观点

随着制陶、冶金、炼丹和酿造等化学活动的发展，人们对周围世界的变化规律的认识逐步提高。中外先哲们对周围客观世界的本原和演变进行思考，发表见解。它们涉及自然界的很多根本问题，包括宇宙万物的起源、物质的基本组成、物质的内部结构、物质间的相互关系、物质的运动和转化规律，它们对后世化学的发展影响极大。下面简单地介绍两种物质观。

1．四原性说

希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322）认为万物的基础是单一的、潜在的原初物质，它们可以被赋予若干不同的物性，这些物性便使得各种物体具有了某种个性和特定的形式。物性有相互对立的热、冷、干和湿这四种。这四种物性两两组合，成为六对。由于对立面无法成双共存，即同一物体不可能既是热的又是冷的，或者说既是干的又是湿的，由此推出基本的物性只能结合成四对：热和干，干和冷，冷和湿，湿和热，它们分别与四种原初物质火、土、水、气相对应，如图3.2.5所示。后世称这种学说为“四原性说”。

四原性说认为原初物质是物性的组成。物质包含物性的程度可以任意变化，而使一种物质嬗变为另一种物质，可在自然界中发生，也可人为地促进。例如气和水都含有湿，只要以冷克服热，气就可以变成水。

2．五行说

五行说在我国殷商时期（公元前1000多年）就已在民间传播。这个学说认为构成宇宙的五种基本元素是金、木、水、火、土。将它们称为“五行”。这里“行”的含义是“行为”“性能”，五行即五种不同性能的物质，它们相克相生，相互结合起来而生成万物。

五行相克相生的具体规律是：水能灭火，故谓之水克火；火能熔化金属，即火克金；金属做成的刀斧可以砍伐木材，称为金克木；木材制成农具，可用来耕地翻土，即木克土；土筑堤垒坡可以挡水，即土克水。五行相生的次序为：木生火（木燃烧生火），火生土（火燃烧后的遗烬为土），土生金（土即矿石，它经过冶炼而得金属），金生水（金属能凝聚水汽而成水），水生木（用水灌溉，树木生长）。

将五行按图3.2.6所示的木、火、土、金、水的次序排在五边形面的五个顶角上，相邻的实线箭头（）的次序是相生，隔一个的虚线箭头（）的次序是相克，次序井然，终而复始。五行说是按朴素的辩证唯物主义的观点，将物质相互转化演变的物理化学性质用生动优美的多边形面的几何图形加以归纳总结而得。

我国古典文献中，“五行”最初称为“五才”，指的是金、木、水、火、土五种具体物质。古代先民在长期的生活和生产实践中认识到：金、木、水、火、土是五种不可缺少的基本物质，故将它们称为“五才”。《左传》中论述道：“天生五材，民并用之，废一不可。”意思是说，人类依靠自然界的金、木、水、火、土这五种物质而生存，缺一不可。《尚书》对“五才”的作用作了更为具体明了的阐释：“水、火者，百姓之所饮食也；金、木者，百姓之所兴作也；土者，万物之所资生，是为人用。”意思是说：人们靠水和火来烹饪饮食，靠金和木来制作工具、建设房屋；靠土地来生长庄稼和万物。以后将“五才”改为“五行”，是因各类物质有其特征相克相生的规律，反映出各类物质所具有的特性，具有能动的相互作用的力量，世界上的一切事物都是金、木、水、火、土五种物质之间的运动变化而生成的。所以五行说反映了古代先民朴素唯物辩证观对自然的认识。