22 noviembre
去一个地方之前,你会对那里的布局先有个假设,但你一旦到了那里,看见了真实的布局,你就会把想象的布局忘掉,我经常好奇,如果我是一个无知的人,心中的世界会是什么样?
如果我不懂化学,如果我不认识任何金属、化合物,如果我光着屁股在荒无人烟的原野上奔跑,我希望有一位老师在我身旁,让我用几天时间完成人类一万年来对物质、元素的认识。
人们发现金属的过程有两种,一是偶然从地上捡到一块,条件是该金属可以以单质形式在自然界存在,如金银铜铁。有些是地球上就有的,如金银铜,而铁是天上掉下来的,为陨铁。另外一种情况完全是偶然,但给了细心的人们主动冶炼金属的可能,其化学原理是具有还原性的碳把金属从化合物中还原出来。但古时候的人们往往是偶然让一块矿石接触了树枝燃着的篝火,里面有大量的碳,然后人们在矿石上发现了亮晶晶的金属。例如,方铅矿是人类开采的最早的矿石,成分为PbS,硫化铅,它可以在空气中燃烧生成氧化铅,然后碳可以与氧化铅反应,生成铅。所以,当一堆篝火在方铅矿周围点燃,或是人们希望用方铅矿压灭篝火,都给了人们发现和冶炼金属铅的可能。
对于普遍存在于地球上的金属单质和某些矿物,不同地区的人们会不约而同地发现那些最容易被认定的矿石和元素。
我最开始发现的是两种黄色的金属,一种重一些,一种轻一些,重的叫金,轻的叫铜,他们和木头和石头比起来有一个重要的区别,那就是延展性,它们可以被制成不同的形状而不会破碎。铜可以在潮湿的空气中生出铜绿,即碱式碳酸铜,我并不知道它和在野外中发现的孔雀石是相同的成分,但我知道在火炭中煅烧孔雀石可以生成铜,同样,还有一些色彩鲜艳的石头也可以用相同的方式生成铜,例如黄铜矿和石青。
第三个元素的发现纯属偶然,我只是把一块四方的灰色石头(方铅矿)投入篝火中,之后竟然发现石头上涌出了液体,液体冷却后变成了一种发蓝的银白色的金属,这就是铅(Pb),和金、铜比起来,铅的熔点非常低,328摄氏度,而且铅比金和铜要软(莫氏硬度1.5)。接着,我发现了一种银白色的金属,叫银。汉语中的“银白色”告诉我们,人们第一个发现的银白色金属是银。虽然地球上银的含量比金高,但银大部分以化合物的形式存在,单质很少,所以我在偶然发现铅之后才发现它。几千年之后的罗马帝国,战士的伤口因银的杀菌功能而更快地愈合;同时,他们的铅制的水管结束了这个帝国的生命。铅因为耐腐蚀的特性被经常制成水管,铅的拉丁文叫plumbum,而Plumber这个英文单词(意思:水管工人)记载了人们不懂铅的毒性时的不幸遭遇,更悲惨的是人们清晰认识了铅的毒性之后的2009年儿童铅中毒事件,发生在周朝的首都附近。
第五个元素是铁,地球上单质铁大部分是天上降落的陨铁,它们的样子都是圆乎乎的黑色石头,我不知道它们是天上来客,但我发现它的熔点非常高,1535摄氏度,我一时无法产生这么高的温度,我无法将它熔化,只能砸下一块用来切割。它的高熔点阻碍了人们对铁和铁矿石的了解。铁比铜要坚硬(铁硬度4,铜硬度3),比以后人们合成的青铜更柔韧,是非常好的工具和武器材料。当人们可以炼铁的时候,它和马构成了战争的主要工具,改变了时代。
随着铜的冶炼,我逐渐认识到了碳,这是我认识的第一种非金属。当然,我使用的是烧黑了的树枝和木块。我知道碳可以帮助炼铜,以及以后的青铜、黄铜,但我并不知道是碳的还原性把矿石中的铜、锡、锌还原出来。我也认识了金刚石,但我不知道这异常坚硬的石头也是碳,18世纪,人们才知道金刚石也是碳。
青铜是铜和锡的合金,但最初我并不是在炼铜的时候加入了锡,我加的是锡石。或者说,我偶然加入的锡石让我得到了青铜,这是一种伟大的材料,有两个突出的优点:坚硬,熔点低。锡石(Cassiterite),成分是二氧化锡,坚硬而有树脂光泽,看起来有点像松香。有锡石中练出的金属锡是非常柔软而容易熔化(熔点232摄氏度)。
随着铜的冶炼,我逐渐认识到了碳,这是我认识的第一种非金属。当然,我使用的是烧黑了的树枝和木块。我知道碳可以帮助炼铜,以及以后的青铜、黄铜,但我并不知道是碳的还原性把矿石中的铜、锡、锌还原出来。我也认识了金刚石,但我不知道这异常坚硬的石头也是碳,18世纪,人们才知道金刚石也是碳。
青铜是铜和锡的合金,但最初我并不是在炼铜的时候加入了锡,我加的是锡石。或者说,我偶然加入的锡石让我得到了青铜,这是一种伟大的材料,有两个突出的优点:坚硬,熔点低,青铜熔点800度而铜要1000度。锡石(Cassiterite)的成分是二氧化锡,坚硬而有树脂光泽,看起来有点像松香。有锡石中练出的金属锡是非常柔软而容易熔化(熔点232摄氏度)。
我认识第二种非金属是硫,它出现在温泉或火山口,人们逐渐认识到它有杀菌、漂白的功能(硫杀菌,硫燃烧后生成的二氧化硫可以漂白)。中国人是接触和认识硫比较早的民族,黑火药的配方“一硫二硝三木炭”需要长期实践才能得到,中国人3世纪就是硫可以从硫铁矿中提取出来,硫铁矿是二硫化亚铁,淡金黄色,有金属光泽,看起来象黄金矿。用试金石(例如不带釉的陶瓷)可以检验出来,金矿划痕金黄色,黄铁矿是绿黑色。
朱砂是红色的晶体,全世界到处可见,它的成分是硫化汞,一加热就有汞生成,这种有金属光泽的液体被世界各族人民关注,即像水,又像银,故称“水银”,拉丁语叫hydrargyrum,hydra是水,argyrum是银。令人关注的是,在《史记秦始皇本纪》中写道“以水银为百川江河大海”,说明东西方不约而同地往汞叫“水银”。大家认为它有益健康,秦始皇就吃了不少,而且至今仍用于劣质的化妆品。朱砂亦有毒,但却很早就作为中药,但很多的民族用它来作为颜料,古代称为“丹”。而“青”为石青,又称“蓝铜矿”,azurite, Cu3(CO3)2(OH)2。 “青”字在中国就有蓝、绿、黑紫多种颜色的意思,我们汉语真是太模糊了。
以上的化学元素包含了铜、金、铅、银、铁、碳、锡、硫、汞,而金属锌是最后一个未记录发现者的元素。公元前1000年,印度地区人们已经使用了锌。锌和铜的合金成为黄铜。上述元素的发现源于单质或含有这种元素的金属矿石,这些金属矿石主要为氧化物或硫化物。如含锡的锡石,为二氧化锡。含铁的赤铁矿,Hematite,成分为Fe2O3,红色,用于颜料。其英文源于希腊语的血,(痔疮也是:hemorrhoids)。我小时候买过一小盒水彩,不知道画人皮肤用何种颜色,通常选棕色和赭石,赭石就是含赤铁矿的粘土,按比例不同颜色有不同,红赭石含无水的赤铁矿,黄赭石含水合赤铁矿,即 Fe2O3 • H2O. 还要一种铁矿石叫磁铁矿,magnetite,英文可知于“磁性”相关,主要成分是Fe3O4,中国又称磁石,做司南的就是这种石头。